Модуляция сигналов

1.5.7 Модуляция сигналов

Вследствие сильного затухания электромагнитной волны для передачи сигнала на расстояния приходится вызывать достаточно мощные электромагнитные колебания среды. Следовательно, перед передачей сигнал надо в достаточной мере усилить, произвести некоторые преобразования, чтобы получатель смог выделить (детектировать) полезный сигнал из общего фона электромагнитных колебаний среды.

Модуляция сигнала – процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала. Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного излучения. Обычно модификации подвергается синусоидальный сигнал (несущая). Различают амплитудную, частотную, фазовую, импульсно-кодовую, спектральную, поляризационную модуляции.

В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ, AM –amplitude modulation), частотную (ЧМ, FM – frequency modulation) и фазовую (ФМ, РМ – phase modulation) модуляции. При передаче сообщения, представленного дискретными символами, вместо термина "модуляция" применяется термин "манипуляция", а само колебание называется манипулированным.

Несущая – синусоидальный сигнал определенной частоты с низким коэффициентом затухания для данной среды передачи, модулируемый полезным сигналом.

Амплитудная модуляция – это модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими колебаниями более низкой частоты (рис. 1.7).

В радиовещании в длинно- и средневолновом диапазонах радиоволн широко используется амплитудная модуляция сигнала. На вход модулятора подаются опорный и передаваемый (модулирующий) сигналы, а на выходе получают смодулированный, положительная огибающая которого и есть исходный сигнал. Для корректного преобразования необходимо, чтобы несущая частота была в два раза выше, чем верхняя граница полосы модулирующего сигнала. Спектр амплитудно-модулированного колебания содержит составляющую несущей частоты f_н и две боковые полосы (верхнюю и нижнюю), имеющие спектр, подобный спектру модулирующего колебания.

Таким образом, спектр модулированного сигнала симметричен, и для рационального использования передающего оборудования одну из боковых полос спектра передаваемого сигнала подавляют. При использовании разных частот опорного сигнала можно одновременно передавать несколько независимых сигналов, только необходимо соблюсти условие непересечения полос смодулированных сигналов. Данный способ модуляции довольно прост в реализации, но менее устойчив к помехам, чем другие методы, рассматриваемые ниже. Помехонеустойчивость объясняется относительно узкой полосой модулированного сигнала (всего в два раза шире, чем у исходного). Тем не менее это обстоятельство позволяет использовать амплитудную модуляцию в низко- и среднечастотных диапазонах электромагнитного спектра. Амплитудная манипуляция используется в низкоскоростных информационных системах (скорость менее 600 бит/с).

Рис. 1.7. Амплитудная модуляция

Частотная модуляция – это модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием.

При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту (рис. 1.8), т. е. если уровень сигнала увеличивается, то частота растет и наоборот. Из-за этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире, и соответственно, хорошая помехоустойчивость, но необходимо использовать высокочастотные диапазоны вещания. Частотная манипуляция находит применение в модемах, обеспечивающих скорость передачи 1200–1800 бит/с.

Рис. 1.8. Частотная модуляция

Модем – внешнее или внутреннее устройство, подключаемое к компьютеру для передачи и приема сигналов по телекоммуникационным (телефонным) линиям. Для трансляции сигнала по аналоговой линии связи модем преобразует цифровой сигнал, полученный от компьютера, в аналоговую форму. При приеме сигнала модем выполняет обратное преобразование.

Возможны два вида частотной манипуляции: с разрывом фазы и без разрыва. В настоящее время на высоких скоростях применяется только последний вид.

С увеличением числа используемых частот происходит переход к m-ичной частотной манипуляции, применение которой позволит повысить скорость передачи символов (бит/с). Фазовая модуляция (ФМ) – это модуляция, в которой при изменении от "0" к "1" и от "1" к "0" фаза синусоидальной несущей изменяется на 180º. При фазовой модуляции модулирующий сигнал модулирует фазу опорного сигнала. При модулировании цифровым (дискретным) сигналом получается сигнал с очень широким спектром, так как фаза резко поворачивается (двоичный сигнал – на 180º) (рис.1.9), поэтому ее с успехом применяют для обеспечения помехозащищенной цифровой связи в высокоскоростных модемах. Рис. 1.9. Фазовая модуляция Возможны два вида фазовой манипуляции: абсолютная и относительная. Абсолютная фазовая манипуляция – это такой вид манипуляции несущей, при котором ее фаза изменяется на π (180°) всякий раз при изменении знака (полярности) посылки первичного сигнала. Относительная фазовая манипуляция – это такой вид манипуляции несущей, при котором ее фаза изменяется на π (180°) всякий раз при изменении знака (полярности) посылки первичного сигнала "на минус" (0). Название "относительная" говорит о том, что фаза данной n-й посылки формируется относительно фазы предыдущей (n - 1)-й посылки. Импульсно-кодовая модуляция (PCM – Pulse Code Modu-lation) – это модуляция, в которой аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов, она используется в устройствах кодирования-декодиро-вания, а также в телефонных сетях.

Для передачи аналогового сигнала по цифровым линиям связи производят дискретизацию с определенной частотой, определенной из расчета не менее чем в 2 раза выше верхней границы полосы аналогового сигнала (по теореме Котельникова). В каждый момент квантования вычисляется и кодируется в цифровое значение уровень аналогового сигнала. Качество модуляции напрямую зависит от частоты дискретизации и разрядности кодирования каждого уровня. В цифровой телефонии используют 8-битное кодирование (256 уровней, 11 кГц), в CD-Audio используют 16-битное кодирование (65 536 уровней сигнала, 44,1 кГц), а в DVD-Audio, например, 24бит/192 кГц.

В телекоммуникационных сетях несколько ПЭВМ объединяются в модулированную сеть. Модулированная сеть – это локальная вычислительная сеть, в которой устройства соединены коаксиальным или оптоволоконным кабелем; передача данных осуществляется с помощью модуляции аналоговых сигналов; вся полоса пропускания среды передачи разбивается на несколько интервалов (полос), каждый из которых служит каналом связи. Модулированные сети могут одновременно передавать телепрограммы, речь, двоичные данные и т. п.

1.6 Структура и закономерности протекания

информационных процессов

1.6.1 Информационная система

19)      В информатике понятие "система" чаще используют относительно набора технических средств и программ. Системой называют также аппаратную часть компьютера. Дополнение понятия "система" словом "информационная" отображает цель ее создания и функционирования.

Информационная система – взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая для сохранения, обработки и выдачи информации с целью решения конкретной задачи.

Современное понимание информационной системы предусматривает использование компьютера как основного технического средства обработки информации. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом информационной системы.

В работе информационной системы можно выделить следующие этапы:

1.   Зарождение данных – формирование первичных сообщений, фиксирующих результаты определенных операций, свойства объектов и субъектов управления, параметры процессов, содержание нормативных и юридических актов и т. п.

2.   Накопление и систематизация данных – размещение их в порядке, обеспечивающем быстрый поиск и отбор нужных сведений, методическое обновление данных, защиту от искажений, потерь, деформирования целостности и др.

3.   Обработка данных – процессы, в следствии которых, на основе прежде накопленных данных формируются новые виды данных: обобщающие, аналитические, рекомендательные, прогнозные. Производные данные тоже можно обрабатывать, получая более обобщенные сведения.

4.   Отображение данных – представление их в форме, пригодной для восприятия человеком, прежде всего, вывод на печать, т. е. создание документов на так называемых твердых (бумажных) носителях. Широко используют построение графических иллюстративных материалов (графиков, диаграмм) и формирование звуковых сигналов.

Сообщения, формируемые на первом этапе, могут быть обычным бумажным документом, сообщением в "машинном виде" или тем и другим одновременно. В современных информационных системах сообщения массового характера большей частью имеют "машинный вид". Аппаратура, используемая при этом, имеет название "средства регистрации первичной информации".

Потребности второго и третьего этапов удовлетворяются в современных информационных системах в основном средствами вычислительной техники. Средства, которые обеспечивают доступность информации для человека, т. е. средства отображения данных, являются компонентами вычислительной техники.

Подавляющее большинство информационных систем работает в режиме диалога с пользователем. Типичные программные компоненты информационных систем включают диалоговую подсистему ввода-вывода, подсистему, реализующую логику диалога, подсистему прикладной логики обработки данных, подсистему логики управления данными. Для сетевых информационных систем важным элементом является коммуникационный сервис, обеспечивающий взаимодействие узлов сети при общем решении задачи. Значительная часть функциональных возможностей информационных систем закладывается в системном программном обеспечении: операционных системах, системных библиотеках и конструкциях инструментальных средств разработки. Кроме программной составляющей информационных систем важную роль играет информационная составляющая, которая задает структуру, атрибутику и типы данных, а также тесно связана с логикой управления данными.

В информационной системе осуществляются информационные процессы, определяющие полный цикл обращения информации (регистрация, формирование, обработка, передача, представление, поиск, выдача информации по запросам пользователей, хранение, уничтожение).

Все факторы, воздействующие на информационные системы и информационные процессы, в течение всего жизненного цикла от проектирования до использования входят в так называемую информационную среду. Информационная среда – это весь набор условий для технологической переработки и эффективного использования знаний в виде информационного ресурса. К ней относятся аппаратные средства, программное обеспечение, телекоммуникации, уровень подготовки кадров (специалистов и пользователей), формы стимулирования, контроля, методы и формы управления, документопотоки, процедуры, регламенты, юридические нормы и т. д., причем в информационную среду входит не только управляющая подсистема, но и объект. Исходя из понятия информационной среды удобно дать понятие информационного процесса.

С информацией можно производить следующие операции:

создавать передавать воспринимать иcпользовать запоминать принимать; копировать

формализовать распространять преобразовывать комбинировать обрабатывать делить на части; упрощать

собирать хранить искать измерять разрушать контролировать; и др.

Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами.

20)      Информационный процесс (ИП) – совокупность последовательных действий, функциональных и информационных связей, обеспечивающих обмен документами и информацией в системе социальной коммуникации с целью доведения их до потребителей.

К процессам социальной коммуникации относятся:

-     непосредственное общение между учеными и специалистами;

-     общение между учреждениями и организациями посредством переписки, рецензирования, консультирования и др.;

-     издательские процессы при подготовке рукописей к изданию;

-     распространение и пропаганда публикаций, публичные выступления;

-     научно-информационная и библиотечно-библиографическая деятельность;

-     управленческая деятельность специалистов, заключающаяся в подготовке управленческих воздействий по оптимизации функционирования систем;

-     средства массовой информации.

Рассматриваемая система социальной коммуникации представляет собой множество взаимосвязанных компонент (рис. 1.10).

Рис.1.10. Система социальной коммуникации

21)      Документально-информационный поток включает в себя совокупность документов и информации, отображающих систему и уровень знаний, закрепленных в документальных источниках.

Эффективность информационного процесса, определяемого характеристиками документально-информационного потока, информационного массива или базы данных, лингвистических и технических средств, сферы потребителей, оценивается такими общими показателями функционирования, как полнота, точность, стоимость, трудоемкость процесса.

В существующих системах информационного обеспечения управления все этапы информационных процессов взаимосвязаны и выполняются в едином технологическом цикле. Их основная цель – обеспечение наибольшей устойчивости, непрерывности, оперативности, точности управления при минимальных затратах ресурсов на единицу обрабатываемой информации.

Основные существенные свойства, присущие ИП:

-     адекватность – способность преобразовывать информацию состояния в командную, на основе которой объект управления (ОУ) переходит в состояние, соответствующее сложившейся ситуации;

-     оптимальность – способность управления осуществлять "продвижение" ОУ в направлении достижения цели по траектории, лучшей относительно других в смысле принятого критерия;

-     оперативность – способность преобразовывать информацию в соответствии с установленными ограничениями на время преобразования;

-     скрытность – способность сохранять в тайне факт, время и место преобразования информации, ее содержание и принадлежность УО.

Для удобства управления информационными процессами организуются информационные потоки. В современных системах для этих целей создаются автоматизированные информационные системы (АИС) (рис. 1.11), представляющие системы сбора, хранения, обработки и передачи информации, необходимой для удовлетворения потребностей управления.

Элементарная информация – информация о событиях, ситуациях, известная до момента их свершения.

Основная задача таких систем – обеспечение субъекта управления систематизированной и должным образом обработанной информацией.

Для эффективного функционирования системы на всех этапах целесообразно проведение синтаксического, семантического и прагматического анализа циркулирующих информационных по-токов.

Рис. 1.11. Автоматизированная информационная система

Синтаксический анализ устанавливает важнейшие параметры информационных потоков, включая необходимые количественные характеристики, для выбора комплекса технических средств сбора, регистрации, передачи, обработки, накопления и хранения информации.

Семантический анализ позволяет изучить информацию с точки зрения смыслового содержания ее отдельных элементов, находить способы языкового соответствия (язык человека, язык ЭВМ) при однозначном распознавании вводимых в систему сообщений.

Прагматический анализ проводится с целью определения полезности информации, используемой для управления, выявления практической значимости сообщений, применяемых для выработки управляющих воздействий.