Signály použité pro přenos informace – modulace, rozdělení modulací, příklady zařízení využívající modulaci

Signál - je fyzikální veličina která nese informaci.

Signály – spojité (analogové)
– diskrétní (digitální)

Nosná fyzikální veličina

• Napět
• Proud

Modulace

Modulace je proces, při kterém dochází k ovlivňováni některého parametru nosného signálu v závislosti na okamžité hodnotě modulačního signálu.

Modulační rovnice:

Potřebujeme-li přenášet dvojková data po signálových vodičích, můžeme obě možné hodnoty, 0 a 1, reprezentovat pomocí úrovní napětí na vodiči - např. podle obr. 4.1 a/ jednou nulovou a jednou nenulovou úrovní, či podle obr. 4.1. b/ jednou zápornou a jednou nezápornou úrovní. Používají se ovšem i složitější způsoby vyjádření logických hodnot pomocí úrovní napětí - příkladem může být tzv. kód Manchester II (viz obr. 4.1. c/), který se používá u lokálních sítí Ethernet, a zajišťuje určitý minimální počet změn přenášeného signálu i v případě, že má být přenášena delší posloupnost bitů stejné hodnoty (např. dlouhá řada nul). Všechny tyto způsoby přenosu jsou souhrnně označovány jako přenosy v základním pásmu - baseband transmissions.

Alternativou k přenosu v základním pásmu je přenos v přeloženém pásmu - broadband transmission při kterém je přenášen takový signál, který se daným přenosovým médiem šíří nejlépe (s nejmenšími ztrátami). Typicky jde o pravidelně se měnící signál sinusového průběhu (tzv. harmonický signál), který ukazuje obrázek 4.2 a/. Užitečná informace se pak přenáší prostřednictvím změn v průběhu tohoto signálu. Lze si představit, že harmonický signál je jakýmsi nosičem (proto se mu také říká nosný signál resp. nosná, anglicky carrier), a užitečná informace se na něj 'nanáší' postupem označovaným jako modulace - modulation.

Existují různé možnosti modulace nosného signálu:

• amplitudová modulace - amplitude modulation (AM), při které jsou jednotlivé logické hodnoty vyjádřeny různými hodnotami amplitudy (rozkmitu) harmonického signálu - viz obr. 4.2. b/. Amplitudová modulace se pro přenos dat po elektrických vedeních nebo rádiových kanálech používá pouze výjimečně, protože má malou odolnost vůči rušení. Používá se na optických spojích, kde jsou jiné způsoby modulace hůře realizovatelné a na koaxiálních kabelech lokálních sítí.
• frekvenční modulace - frequency modulation (FM), při které jsou jednotlivé logické hodnoty vyjádřeny různými frekvencemi (kmitočty) harmonického signálu - viz obr. 4.2 c/. Frekvenční modulace(Kmitočtová Modulace)  je široce používána pro přenos dat po telefonních spojích a pro přenos dat radiovými kanály. Je málo citlivá na amplitudové zkreslení i na rušivé signály. Její nevýhodou je těší potřebná šířka pásma ve srovnání s AM.
• fázová modulace - phase modulation (PM), při které jsou jednotlivé logické hodnoty vyjádřeny různou fází (posunutím) harmonického signálu - viz obr. 4.2 d/. Fázová modulace využívá velice dobře šířky přiděleného kmitočtového pásma a je používání pro přenos dat po telefonních kanálech rychlostmi 2 400 bit/s a 4 800 bit/s

Impulsní modulace

Jako nosní signál je možné také použít posloupnost impulsů. Při modulaci takového signálu mluvíme o impulsové modulaci. V posloupnosti můžeme měnit výšku impulsů (VIM – výšková impulsová modulace), frekvenci impulsů (FIM – frekvenční impulsová modulace), šířku impulsů (ŠIM – šířková impulsová modulace) a polohu (fázi) impulsů (PIM – polohová (fázová) impulsová modulace). Dále existuje pulsní kódová modulace PCM, kde se modulace provádí tak, že se modulační funkce vzorkuje a vzorky jsou pak zakódovány do binárního kódu (pomocí A/Č převodníku). Je dokonce možné používat dvou nebo tří typů modulaci současně v jedné posloupnosti impulsů tak, že všechny typy jsou navzájem prakticky nezávislé(např. současně výškovou a šířkovou impulsovou modulaci apod.)

Nosný signál, používaný při přenosech v přeloženém pásmu, je vždy analogovým signálem (analog signal), tedy signálem, který může nabývat spojité množiny různých hodnot, tj. měnit se spojitě. Příkladem může být právě harmonický signál dle obr. 4.2. Naproti tomu číslicový, diskrétní signál - digital signal může nabývat jen konečně mnoha různých hodnot (např. jen dvou, jako na obrázku 4.1.) a mění se skokem.

Modulací vzniká z analogového nosného signálu opět analogový signál. Musí však být možné u něho rozlišit potřebný počet navzájem různých stavů, které mohou reprezentovat diskrétní logické hodnoty. Pokud modulací vznikají jen dva navzájem rozlišitelné stavy nosného signálu (jako např. při fázové modulaci posunutím signálu o 0 stupňů a o 180 stupňů), jde o modulaci tzv. dvoustavovou, která nese pouze jednobitovou informaci, neboť dva rozlišitelné stavy nosného signálu mohou reprezentovat zase jen dvě diskrétní logické hodnoty. Používá se však i modulace s větším počtem navzájem rozlišitelných stavů nosného signálu. Např. při čtyřstavové fázové modulaci s posunutím fáze nosného signálu o 0, 90, 180 a 270 stupňů může jeden stav nosného signálu reprezentovat jednu ze čtyř možných logických hodnot, a tedy nést dvoubitovou informaci. V praxi se jednotlivé způsoby modulace navzájem kombinují - např. v telefonních modemech pro vyšší přenosové rychlosti se kombinuje fázová modulace s modulací amplitudovou. Cílem je totiž zvětšit počet rozlišitelných stavů nosného signálu, který tak může nést vícebitovou informaci.

Pomocí analogové modulace je možné přenášet jedním přenosovým kanálem několik informací na různých nosných kmitočtech. Takovým přenosovým kanálem může být třeba permanentní telefonní vedení nebo koaxiální kabel nebo prostor mezi vysílačem a přijímačem. Jednotlivé informace jsou přitom odděleny od sebe tím, že je přenášíme na různých nosných kmitočtech a přijímač si svým selektivním zesilovačem ”vybere” jen jednu z mnoha. Situaci, kdy po jednom přenosovém kanálu přenášíme několik informací v různých frekvenčních pásmech říkáme frekvenční multiplex (angl. frequency division multiplexing, FDM). Existuje ale ještě jedna metoda jak do jednoho přenosového kanálu ”vtěsnat” několik různých informací, a tou je časový multiplex (time division multiplexing, TDM). Při této metodě je přenosu jedné informace po přenosovém mediu vyhrazena určitá krátká doba, během níž má zdroj signálu plnou šířku pásma přenosového kanálu (media). Po ní se na medium připne zdroj další informace a ta se přenáší rovněž jen po stejně krátkou dobu. Takto pokračujeme až vyčerpáme všechny zdroje informací a poté přijde řada opět na zdroj první informace. Na přijímací straně musíme jen vědět, kdy se začalo vysílat a jak dlouhá doba je vyhrazena pro jeden zdroj informace a můžeme pak jednotlivé informace po řadě přebírat. Časový multiplexer, tj. přístroj provádějící časově multiplexovaný přenos, si můžeme představit jako po skocích rotující jednopólový přepínač, který připíná po řadě jednotlivé zdroje informací na přenosové medium. Obdobně bychom si mohli představit demultiplexer na přijímací straně (synchronizaci bychom si mohli představit jako společnou osu přepínače na vysílací a na přijímací straně). Informace z jednoho zdroje je tedy po vedení vysílána jen po krátkou, předem definovanou dobu. Po tuto dobu je vhodnější přenášenou informaci zakódovat jinak než pomocí popsaných postupů, proto se užívá zakódování do tvaru krátkých impulsů a těmto způsobům modulace se říká impulsní modulace (pulse modulation, PM).