Podstawy technik modulowania

„Konwersja cyfrowo-analogowa to proces zmiany jednej z charakterystyk sygnału analogowego na podstawie informacji zawartych w danych cyfrowych. Fala sinusoidalna jest definiowana przez trzy cechy: amplitudę, częstotliwość i fazę. Kiedy zmienimy dowolną z tych cech, tworzymy inną wersję tej fali. Zmieniając jedną cechę prostego sygnału elektrycznego, możemy go wykorzystać do przedstawienia danych cyfrowych. ----- FMUSER"


Istnieją trzy mechanizmy modulowania danych cyfrowych w sygnał analogowy: kluczowanie przesunięcia amplitudy (ZAPYTAĆ), kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK) i kluczowanie z przesunięciem fazowym (PSK). Ponadto istnieje czwarty (i lepszy) mechanizm, który łączy zmianę zarówno amplitudy, jak i fazy, tzw kwadraturowa modulacja amplitudy (QAM).

przepustowość
Wymagana szerokość pasma dla analogowej transmisji danych cyfrowych jest proporcjonalna do prędkości sygnału, z wyjątkiem FSK, w którym należy dodać różnicę między sygnałami nośnymi.

Zobacz także: >> Porównanie 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM 128-QAM, 256-QAM 

Sygnał przewoźnika
W transmisji analogowej urządzenie wysyłające wytwarza sygnał o wysokiej częstotliwości, który działa jako podstawa dla sygnału informacyjnego. Ten sygnał bazowy nazywa się sygnałem nośnym lub częstotliwością nośną. Urządzenie odbiorcze jest dostrojone do częstotliwości sygnału nośnego, którego oczekuje od nadawcy. Informacje cyfrowe następnie zmieniają sygnał nośny, modyfikując jedną lub więcej jego charakterystyk (amplituda, częstotliwość lub faza). Ten rodzaj modyfikacji nazywa się modulacja (Shift Keying).

1. Kluczowanie przesunięcia amplitudy:
W kluczowaniu z przesunięciem amplitudy amplituda sygnału nośnego jest zmieniana w celu utworzenia elementów sygnału. Zarówno częstotliwość, jak i faza pozostają stałe podczas zmiany amplitudy.

Binarne ZADANIE (BASK)
ZAPYTAJ jest zwykle implementowany przy użyciu tylko dwóch poziomów. Jest to określane jako binarne kluczowanie z przesunięciem amplitudy lub kluczowanie on-off (OOK). Szczytowa amplituda jednego poziomu sygnału wynosi 0; drugi jest taki sam jak amplituda częstotliwości nośnej. Poniższy rysunek przedstawia koncepcyjny widok binarnego ZADANIA.

 

Zobacz także: >> Jaka jest różnica między AM a FM? 

Realizacja:
Jeżeli dane cyfrowe są prezentowane jako jednobiegunowy sygnał cyfrowy NRZ o wysokim napięciu 1 V i niskim napięciu 0 V, implementacja może zostać osiągnięta poprzez pomnożenie sygnału cyfrowego NRZ przez sygnał nośny pochodzący z oscylatora, który jest przedstawiony na poniższym rysunku. Gdy amplituda sygnału NRZ wynosi 1, amplituda częstotliwości nośnej jest utrzymywana; gdy amplituda sygnału NRZ wynosi 0, amplituda częstotliwości nośnej wynosi zero.




Przepustowość dla ZAPYTAJ:
Sygnał nośny jest tylko jedną prostą falą sinusoidalną, ale proces modulacji wytwarza nieokresowy złożony sygnał. Ten sygnał ma ciągły zestaw częstotliwości. Jak się spodziewamy, szerokość pasma jest proporcjonalna do prędkości sygnału (szybkość transmisji).

Jednak zwykle występuje inny czynnik, zwany d, który zależy od procesu modulacji i filtrowania. Wartość d wynosi od 0 do 

●Oznacza to, że szerokość pasma może być wyrażona w sposób pokazany na rysunku, gdzie S to szybkość sygnału, a B to szerokość pasma.

Wzór pokazuje, że wymagana szerokość pasma ma minimalną wartość S i maksymalną wartość 2S. Najważniejszym punktem jest tutaj lokalizacja przepustowości. Środek pasma to miejsce, w którym znajduje się częstotliwość nośna. Oznacza to, że jeśli mamy dostępny kanał pasmowoprzepustowy, możemy wybrać nasz fc, aby modulowany sygnał zajmował tę szerokość pasma. Jest to w rzeczywistości najważniejsza zaleta konwersji cyfrowo-analogowej.

Zobacz także: >>Co to jest QAM: modulacja kwadraturowa amplitudy 

2. Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości

W kluczowaniu z przesunięciem częstotliwości częstotliwość sygnału nośnego jest zmieniana w celu przedstawienia danych. Częstotliwość modulowanego sygnału jest stała przez czas trwania jednego elementu sygnału, ale zmienia się dla następnego elementu sygnału, jeśli element danych ulegnie zmianie. Zarówno amplituda szczytowa, jak i faza pozostają stałe dla wszystkich elementów sygnału.

Binarny FSK (BFSK)
Jednym ze sposobów myślenia o binarnym FSK (lub BFSK) jest rozważenie dwóch częstotliwości nośnych. Na poniższym rysunku wybraliśmy dwie częstotliwości nośne f1 i f2. Używamy pierwszego przewoźnika, jeśli elementem danych jest 0; używamy drugiego, jeśli elementem danych jest 1.




Powyższy rysunek pokazuje, że środek jednego pasma to f1, a środek drugiego to f2. Zarówno f1, jak i f2 znajdują się w odległości ∆f od punktu środkowego między dwoma pasmami. Różnica między dwiema częstotliwościami wynosi 2∆f.

Zobacz także: >> Modulator i demodulator QAM  

Realizacja:
Istnieją dwie implementacje BFSK: niespójne i spójne. W niespójnym BFSK może wystąpić nieciągłość w fazie, gdy jeden element sygnałowy kończy się, a zaczyna następny. W spójnym BFSK faza przebiega przez granicę dwóch elementów sygnałowych. Niespójny BFSK można wdrożyć, traktując BFSK jako dwie modulacje ASK i stosując dwie częstotliwości nośne. Koherentny BFSK można wdrożyć za pomocą jednego oscylatora sterowanego napięciem (VCO), który zmienia częstotliwość zgodnie z napięciem wejściowym.

Poniższy rysunek pokazuje uproszczony pomysł drugiego wdrożenia. Wejście do oscylatora to jednobiegunowy sygnał NRZ. Kiedy amplituda NRZ wynosi zero, oscylator utrzymuje swoją regularną częstotliwość; gdy amplituda jest dodatnia, częstotliwość jest zwiększana.

Przepustowość dla BFSK:

Powyższy rysunek pokazuje szerokość pasma FSK. Znów sygnały nośne są tylko prostymi falami sinusoidalnymi, ale modulacja tworzy nieokresowy złożony sygnał o ciągłych częstotliwościach. Możemy myśleć o FSK jako o dwóch sygnałach ASK, każdy z własną częstotliwością nośną f1 i f2. Jeżeli różnica między dwiema częstotliwościami wynosi 2∆f, to wymagana szerokość pasma wynosi

3. Kluczowanie przesunięcia fazowego:
W kluczowaniu z przesunięciem fazowym faza nośnej jest zmieniana, aby reprezentować dwa lub więcej różnych elementów sygnału. Zarówno amplituda szczytowa, jak i częstotliwość pozostają stałe wraz ze zmianą fazy.

Binarny PSK (BPSK):
Najprostszym PSK jest binarny PSK, w którym mamy tylko dwa elementy sygnałowe, jeden z fazą 0 °, a drugi z fazą 180 °. Poniższy rysunek przedstawia koncepcyjny widok PSK. Binarny PSK jest tak prosty, jak binarny ZAPYTAJ, z jedną wielką zaletą - jest mniej podatny na szumy. W ASK kryterium wykrywania bitów jest amplituda sygnału. Ale w PSK jest to faza. Hałas może zmienić amplitudę łatwiej niż może zmienić fazę. Innymi słowy, PSK jest mniej podatny na szum niż ASK. PSK jest lepszy od FSK, ponieważ nie potrzebujemy dwóch sygnałów nośnych.

Pasmowidth:
Przepustowość jest taka sama jak w przypadku binarnego ASK, ale mniejsza niż w przypadku BFSK. Pasmo nie jest marnowane na rozdzielenie dwóch sygnałów nośnych.

Zobacz także: >>512 QAM vs 1024 QAM vs 2048 QAM vs 4096 rodzajów modulacji QAM

Realizacja:
Wdrożenie BPSK jest tak proste, jak w przypadku ASK. Powodem jest to, że element sygnałowy z fazą 180 ° może być postrzegany jako uzupełnienie elementu sygnałowego z fazą 0 °. To daje nam wskazówkę, jak wdrożyć BPSK. Używamy polarnego sygnału NRZ zamiast jednobiegunowego sygnału NRZ, jak pokazano na poniższym rysunku. Polarny sygnał NRZ jest mnożony przez częstotliwość nośną. 1 bit (napięcie dodatnie) jest reprezentowany przez fazę rozpoczynającą się od 0 °, a 0 bit (napięcie ujemne) jest reprezentowany przez fazę rozpoczynającą się od 180 °.

 

4. Modulacja kwadraturowej amplitudy (QAM)
PSK jest ograniczony zdolnością sprzętu do rozróżniania niewielkich różnic fazowych. Ten czynnik ogranicza jego potencjalną przepływność. Do tej pory zmienialiśmy tylko jedną z trzech charakterystyk fali sinusoidalnej na raz; ale co jeśli zmienimy dwa? Dlaczego nie połączyć ASK i PSK? Pomysł zastosowania dwóch nośnych, jednej w fazie i drugiej kwadratury, z różnymi poziomami amplitud dla każdego nośnika, stanowi koncepcję modulacji kwadraturowej amplitudy (QAM).

Możliwe warianty modulacji QAM są liczne. Poniższy rysunek pokazuje niektóre z tych schematów. Na poniższym rysunku część a pokazuje najprostszy schemat 4-QAM (cztery różne typy elementów sygnału) z wykorzystaniem jednobiegunowego sygnału NRZ do modulowania każdej nośnej. Jest to ten sam mechanizm, którego użyliśmy dla ZAPYTAĆ (OOK). Część b pokazuje kolejną 4-QAM z użyciem polarnego NRZ, ale jest to dokładnie to samo co QPSK. Część c pokazuje kolejną modulację QAM-4, w której zastosowaliśmy sygnał z dwoma dodatnimi poziomami do modulacji każdego z dwóch nośnych. Wreszcie, Część d pokazuje konstelację 16-QAM sygnału z ośmioma poziomami, czterema dodatnimi i czterema ujemnymi.

Zobacz również: >>Jaka jest różnica między „dB”, „dBm” i „dBi”? 
                                >>Jak ręcznie ładować / dodawać listy odtwarzania IPTV M3U / M3U8 na obsługiwanych urządzeniach
                                >>Co to jest VSWR: współczynnik napięcia fali stojącej

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów