Конспект лекций по курсу: «Основы построения Земных станций и бортовых ретрансляторов». Часть 2: "Модуляция, кодирование и декодирование"

2. МОДУЛЯЦИЯ, КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ

2. 1. Аналоговая модуляция

Рис. 2.1. Основные компоненты аналоговой связи: а) модуляция передаваемого сигнала; b) демодуляция принимаемого сигнала

При аналоговом способе модуляции сигнал, передаваемый на несущей частоте, модулируют некоторым сообщением с помощью амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции.

Модулированные сигналы:

АМ: ,                                      (2. 1. 1а)

ЧМ: ,                                (2. 1. 1б)

ФМ: ,                                     (2. 1. 1в)

m(t) – модулирующее информационное колебание, подлежащее передаче; А – амплитуда несущей; ω_с – угловая частота несущей (рад/с); ψ - фазовый угол несущей; Δ_а, Δ_f, Δ – индекс АМ, коэффициент девиации частоты (Гц/В), коэффициент девиации фазы (рад/В), соответственно.

Для ЧМ и ФМ мощность пилот-сигнала на несущей частоте равна Р_с=А²/2 независимо от m(t) . Поэтому, амплитуда несущей А в (2. 1. 1б и в) определяет мощность пилот-сигнала. Для АМ мощность пилот-сигнала на несущей частоте равна Р_с=А²(1+)/2, где P_m – мощность модулирующего колебания. В случае АМ мощность пилот-сигнала на несущей частоте зависит от мощности модулирующего колебания.

Основные параметры модулированных пилот-сигналов:

- полоса частот;

- мощность модулированного колебания в пункте приема, достаточная для демодуляции;

- отношение сигнал-шум демодулированного колебания (SNR_d).

Таблица 2. 1. Основные параметры аналоговой модуляции/демодуляции

Тип модуляции	Ширина полосы модулиро-ванного сигнала, Гц	Граничная полоса частот шума, Гц	Требуемая мощность пилот-сигнала	Отношение сигнал-шум демодулированного колебания
АМ	2Bm	2Bm	СNRT≥ 12 дБ	SNRd= СNRT
ЧМ	2(β+1)Bm	2(β+1)Bm	СNRT≥ 16 дБ	SNRd= 6 β2(β+1) СNRT
ФМ	2(Δ+1)Bm Δ -индекс ФМ	2(Δ+1)Bm	СNRT≥ 12…16 дБ	SNRd= 6 Δ2(Δ +1)СNRT

СNR_T – отношение мощности пилот-сигнала к мощности шума в пределах ограниченной полосы частот;

β = (Максимальная девиация частоты)/B_m

2B_m  - ширина полосы частот модуляции;

А_дБ=10log₁₀A.

Отношение SNR_d определяет предельные качественные показатели линии связи, устанавливая точность процедуры демодуляции.

Обычно, в системах связи требуется, чтобы величина SNR_d менялась в пределах от 100 раз (20 дБ) до 10⁴ раз (40 дБ).

Мощность пилот-сигнала должна превышать мощность шума в пределах полосы, занимаемой шумом, а величина СNR (отношение мощности пилот сигнала к мощности шума) должна превышать заданный порог. Пороговое значение СNR_T вводится для обеспечения неискаженной демодуляции информационного сигнала. Величина ширины полосы частот должна быть выбрана такой, чтобы исключать искажения пилот-сигнала.

ЧМ и ФМ сигналы требуют более широкой полосы по сравнению с АМ, однако при этом они обеспечивают большие значения SNR_d для одних и тех же значений СNR.

Полосы частот пилот-сигнала и шума в Таблице 2. 1 непосредственно связаны с полосой частот B_m модулирующего широкополосного информационного сигнала m(t) (2.1.1).

Объем передаваемой информации прямо пропорционален полосе частот пилот-сигнала. Ширина полосы частот зависит от типа источников информации и от способа преобразования информации в сообщение m(t). Если выходной сигнал одиночного источника (видео камера, микрофон и т. п.) используется в качестве модулирующего колебания (так называемый SCPC пилот-сигнал), то ширина полосы частот m(t) совпадает с шириной полосы частот источника. Величина B_m будет соответствовать максимальной частоте спектра источника информации.

Полосы частот некоторых традиционных источников информации приведены в Таблице 2. 2.

Таблица 2. 2. Полосы частот модулирующих сигналов.

Тип модулирующего сигнала	Полоса (Bm)
Речевой	3,5 кГц
Аудио канал	4 кГц
Видео	4 Мгц
Телевизионный канал	6 Мгц
Речевой с уплотнением
12 каналов	48 кГц
40	160 кГц
100	400 кГц
500	2 МГц
1000	4 МГц
2000	8 МГц

Информация от нескольких источников может передаваться одновременно в канале с уплотнением (мультиплексированием) с помощью модуляции сигналом от источника на отдельной поднесущей или объединением поднесущих в некоторую полосу модулирующих частот (см. рис. 2.2).

Рис. 2. 2. Спектр модулирующих частот вида FDM

Это так называемый способ частотного уплотнения (FDM – frequency-division multiplexing) или формат FDM, при котором вся совокупность FDM поднесущих модулирует ВЧ несущую с помощью одного из способов модуляции (2.1.1).

2. 2. Аналоговые ЧМ пилот-сигналы

ЧМ пилот-сигналы, модулированные аналоговым источником сообщения широко распространены в спутниковых системах связи, благодаря: 1) фиксированной амплитуде 2) большей величине (по сравнению с АМ) SNR_d и 3) хорошо разработанной аппаратуре модуляции и демодуляции. Однако при этом для передачи ЧМ сигналов требуется более широкая полоса частот по сравнению с АМ.