Część 1 - analog

Dziś na tapetę idzie temat modulacji i przyznam, że sam się boję efektów. Długo się zastanawiałem, jak przerobić tego potworka, by w ogóle dało się do niego podejść. Temat długi i szeroki jak Amazonka i będzie sporo uproszczeń oraz spłyceń, bo inaczej wyjdzie mega zamulający wpis.

Zacznijmy od tego, czym jest modulacja. Wyobraźcie sobie, że chcecie przekazać pilnie drugiej osobie jakąś ważną informację (np. w PRL-u to była wiadomość, że w sklepie na Warszawskiej rzucili cukier), ale ta druga osoba jest strasznie daleko od was. Można się drzeć ile wlezie, ale to nic nie da, bo nasz głos, a w zasadzie fale mechaniczne dość szybko rozpraszają się w powietrzu i tracą swoją energię. Rozwiązaniem jest zamiana naszej mowy (czyli informacji) na „prąd” i wysłanie jej „po kablu” lub „w eter”. Jednak pionierzy takich rozwiązań zauważyli, że również w kablu takie rozwiązanie jest mało wydajne i sygnał po przebyciu niewielkiej odległości ulega silnemu tłumieniu. Rozwiązaniem tego problemu okazało się przeniesienie użytecznej informacji na wyższe częstotliwości. Właśnie tym zajmuje się cała gałąź komunikacji zwana modulacją/demodulacją sygnałów: modulacja to proces „połączenia” sygnału użytecznego lub inaczej mówiąc informacji (np. ludzkiej mowy, muzyki czy też szeroko pojętych danych dyskretnych) z częstotliwością nośną i przygotowanie takiego sygnału do „wysyłki”. Demodulacja jest procesem odwrotnym: wyodrębnia z transmitowanego sygnału informację użyteczną i odrzuca „niepotrzebną” już częstotliwość nośną. W zasadzie nie jest ważne, czy mówimy o transmisji sygnałów radiowych, czy przez kable miedziane czy światłowodowe, zasada jest taka sama: po stronie nadawczej łączymy informacje użyteczne z „nośnikiem”, a po stronie odbiorczej proces ten odwracamy.

Modulacja ma jeszcze jedno zastosowanie: pozwala wielu użytkownikom na współdzielenie tego samego pasma częstotliwości bez wzajemnego zakłócania się. Pod jednym warunkiem: przestrzegamy międzynarodowych umów dotyczących przydziałów zakresów częstotliwości do pracy. Krótko mówiąc: wojsko dostało swoje zakresy, służby ratunkowe swoje, prywatni nadawcy czy krótkofalowcy swoje, itd.

Dzięki odpowiedniemu doborowi modulacji można również zwiększyć odporność sygnału użytecznego/informacji na zakłócenia. Chyba mało kto jest zainteresowany przekazywaniem informacji przez „głuchy telefon”, raczej zależy nam na wierności i poufności transmisji.

Przechodząc do konkretów, zaczynamy krótki (i niekompletny) przegląd modulacji.

Na początek najbardziej podstawowy podział modulacji: analogowe i cyfrowe. Różnica między nimi wydaje się intuicyjna, ale dla kronikarskiego obowiązku: modulacje analogowe to takie, gdzie sygnał modulujący (informacja) jest w formie analogowej, lub jak inni powiedzą ciągłej. Najczęściej jest to nasz głos, a w zasadzie fala dźwiękowa, która w mikrofonie zamieniana jest na „prąd”. W modulacjach cyfrowych sygnał modulujący jest w postaci dyskretnej, czyli przyjmuje tylko określone wartości, w dużym uproszczeniu wartości „0” lub „1”, choć dla inżyniera jest to raczej „-5V” lub +5V”.

Weźmy więc na początek na warsztat modulacje analogowe. Zaliczamy do nich modulacje amplitudy (AM), częstotliwości (FM) oraz fazy (PM). O co tu chodzi? Zacznijmy od rozłożenia na czynniki pierwsze częstotliwości nośnej, które jest niczym innym, jak pojedynczym tonem, czyli sinusoidą o określonej częstotliwości. Taka nośna ma dwa podstawowe parametry: amplitudę i częstotliwość. Można jeszcze taką sinusoidę przesuwać w czasie (lub z matematycznego punktu widzenia zmieniać jej fazę o określony kąt). Trochę się rozjaśniło? Modulacje analogowe zmieniają jeden (w najprostszej implementacji) z parametrów sygnału nośnej.

AM, czyli amplitude modulation, jedna z najprostszych metod modulacji. Krótko mówiąc sygnał wiadomości nakładamy na falę nośną (sygnał sinusoidalny o określonej częstotliwości i amplitudzie). W efekcie otrzymujemy sygnał, w którym amplituda zmienia się w rytm zmian sygnału użytecznego. Po stronie odbiorczej patrzymy, jak się zmienia amplituda sygnału, czyli jego obwiednia i wyciągamy w ten sposób naszą informację.

ZALETY:

- prostota z punktu widzenia konstruowania układów nadawczych jak i odbiorczych, co znaczy, że jest tanio (a to bardzo ważny parametr);

- znakomicie radzi sobie na niższych częstotliwościach radiowych, przez co jest powszechnie używania na zakresie KF.

WADY:

- AM jest trochę jak byczek, co przez miesiąc robił tylko motyle na siłowni, teraz strasznie się rozpycha i zajmuje stosunkowo dużo miejsca w widmie częstotliwości (więcej od FM czy modulacji cyfrowych). W zatłoczonym obecnie eterze to bardzo słaba własność;

- w zakresie KF jest sporo szumów i trzasków, które potrafią skutecznie obniżyć jakość sygnałów AM.

AM jednak można nadal znaleźć na pasmie 535 do 1705 kHz, gdzie nadają coraz bardziej egzotyczne stacje radiowe, w komunikacji lotniczej (kontrola ruchu lotniczego) czy w paśmie krótkofalarskim.

FM, czyli frequency modulation, to technika, w której częstotliwość fali nośnej jest zmieniana w takt zmian sygnału użytecznego (wiadomości). W efekcie w sygnale wyjściowym ciągłej zmianie ulega częstotliwość. Pozostałe dwa (amplituda i faza) pozostają niezmienne. Po stronie odbiorczej szukamy zmian tej częstotliwości i odtwarzamy w ten sposób przesyłaną informację.

ZALETY:

- lepsza jakość oraz większa odporność na szumy i zakłócenia w porównaniu z AM;

- mniej rozpycha się w widmie częstotliwości, przez co jest bardziej wydajne od AM;

- układy FM w porównaniu do AM są mniej zachłanne na energię. Czyli mniej się grzeją, czyli mogą być mniejsze.

WADY:

- obwody FM są o wiele bardziej złożone od AM, przez co są droższe w realizacji;

- FM jest wykorzystywana na wyższych częstotliwościach, przez co mają mniejszy zasięg od AM.

Modulacja FM to nie tylko dobrze nam znane stacje radiowe z zakresu 88 do 108 MHz, ale również wszelkiej maści radiostacje profesjonalne czy amatorskie, mikrofony czy interkomy bezprzewodowe.

PM, czyli phase modulation, jak już zapewne się domyślacie, to przypadek, gdy sygnał użyteczny (informacja) zmienia w fali nośnej jego fazę, a amplituda i częstotliwość pozostają niezmienione. Tu do zrozumienia trzeba przypomnieć sobie funkcję sinus ze szkoły. Układy PM powodują niejako przesunięcie funkcji sinus w inne miejsce jego przebiegu powodując „rozjechanie się” fazy sygnału. Po stronie odbiorczej demodulator wyszukuje właśnie tych różnic między fazą wzorca (fali nośnej) a odebranym sygnałem.

ZALETY: - bardzo dobra redukcja szumów i zakłóceń, bo w naturze mało co potrafi przesuwać fazę sygnału;

WADY: - obwody PM są dość mocno złożone, przez co na ich realizację wydajemy całkiem sporo kasy.

PM matematycznie jest bardzo podobna do FM, ale droższa w realizacji, przez co o wiele częściej można spotkać modulacje FM w przedmiotach, z którymi stykamy się na co dzień. Ma ona jednak zastosowanie np. w komunikacji „satelitarnej”. Stanowi też podstawę dla wielu modulacji cyfrowych.

Część 2, czyli cyfra

To teraz słów kilka o modulacjach cyfrowych. W najprostszym przypadku mamy sytuację, gdy analogowy sygnał (fala nośna) jest modulowana przez sygnał dyskretny, czyli przyjmujący z góry ustalone wartości, nie koniecznie „0” i „1”. Często mamy przypadek, gdy sygnał analogowy, np. ludzka mowa, jest na samym początku poddawany ucyfrowieniu (i może to być robione na wiele sposobów), by potem w takiej formie dyskretnej wykorzystać go w dalszym procesie modulacji.

Modulacje cyfrowe są z reguły o wiele droższe w realizacji, niż analogowe, ale oferują za to niesamowite parametry sygnałów oraz możliwość korekcji błędów, co w przypadku modulacji analogowych jest niewykonalne. Dzięki modulacjom cyfrowym możemy przepchnąć więcej informacji przez pasmo, mamy większą odporność na szumy oraz możemy zabezpieczać informację przed ciekawskimi z kocią mordą.

Jako pierwszy przykład modulacji cyfrowej jednak przekornie podam kluczowanie amplitudy, popularnie nazywane kluczem lub titawą, a fachowo oznaczany jako A1A. Tak moi drodzy, najstarsza z modulacji, jest pierwszą na świecie modulacją cyfrową. W najprostszej implementacji układ nadawczy wygląda tak: generator częstotliwości sinusoidalnej + klucz, który po zwarciu przepuszcza sygnał sinus, a po rozwarciu nie przepuszcza nic, czyli mamy nadawane dwie wartości: „1” lub „0”. Jeszcze prościej jest po stronie odbiorczej: demodulatorem jest człowiek ze zdolnością odróżniania dźwięku od ciszy. Wydajność takiego sposobu nadawania nie jest może imponująca, ale modulacja ta ma jedną zasadniczą zaletę: cholernie trudno jest ją zakłócić, a to z tego powodu, że cała moc nadajnika idzie w jedną, cieniutką szpileczkę i jedyne, co jest w stanie zniszczyć taki sygnał w eterze to pioruny lub inna radiostacja nadająca kluczem na tej samej częstotliwości.

Ten prosty system rozwinął się z czasem i powstały dwie gałęzie coraz bardziej skomplikowanych modulacji cyfrowych, podobnie jak w analogu bazujących na zmianie częstotliwości lub fazy.

W przypadku zmian częstotliwości, fachowo nazywanej kluczowaniem częstotliwości lub FSK (Frequency Shift Keying), mamy do czynienia w najprostszym przypadku z techniką, w której wykorzystuje się dwie różne częstotliwości reprezentujące dwa stany sygnału dyskretnego, czyli przysłowiowe „0” (nie mylić z ziobro) to jest F₁, a „1” to F₂. Układ modulatora w zależności od sygnału użytecznego wysyła do nadajnika zamiennie F₁ lub F₂.