stringtranslate.com

Модуляция

Категоризация модуляции сигнала на основе типов данных и несущих

В электронике и телекоммуникациях модуляция — это процесс изменения одного или нескольких свойств периодической формы волны , называемой несущим сигналом , с помощью отдельного сигнала, называемого сигналом модуляции , который обычно содержит информацию для передачи. [1] Например, сигнал модуляции может быть аудиосигналом, представляющим звук с микрофона , видеосигналом, представляющим движущиеся изображения с видеокамеры , или цифровым сигналом, представляющим последовательность двоичных цифр, потоком битов с компьютера.

Эта несущая волна обычно имеет гораздо более высокую частоту , чем сигнал сообщения. Это связано с тем, что непрактично передавать сигналы с низкими частотами. Обычно для приема радиоволны нужна радиоантенна длиной в одну четвертую длины волны. [2] Для низкочастотных радиоволн длина волны измеряется километрами, и строительство такой большой антенны непрактично. В радиосвязи модулированная несущая передается через пространство в виде радиоволны на радиоприемник .

Другая цель модуляции — передача нескольких каналов информации через одну среду связи с использованием частотного уплотнения (FDM). Например, в кабельном телевидении (которое использует FDM) множество сигналов несущих, каждый из которых модулируется отдельным телевизионным каналом , передаются по одному кабелю к клиентам. Поскольку каждый носитель занимает отдельную частоту, каналы не мешают друг другу. На конечном конце сигнал несущей демодулируется для извлечения информации, несущей сигнал модуляции.

Модулятор — это устройство или схема , которая выполняет модуляцию. Демодулятор (иногда детектор ) — это схема, которая выполняет демодуляцию , обратную модуляции. Модем (от mod ulator– dem odulator), используемый в двунаправленной связи, может выполнять обе операции. Нижняя полоса частот , занимаемая сигналом модуляции, называется основной полосой частот , в то время как верхняя полоса частот, занимаемая модулированной несущей, называется полосой пропускания . [ необходима цитата ]

В аналоговой модуляции аналоговый модулирующий сигнал «накладывается» на носитель. Примерами являются амплитудная модуляция (АМ), в которой амплитуда ( сила ) несущей волны изменяется сигналом модуляции, и частотная модуляция (ЧМ), в которой частота несущей волны изменяется сигналом модуляции. Это были самые ранние типы модуляции [ требуется ссылка ] и они используются для передачи аудиосигнала, представляющего звук в радиовещании АМ и ЧМ . Более поздние системы используют цифровую модуляцию , которая накладывает цифровой сигнал, состоящий из последовательности двоичных цифр (битов), битовый поток , на носитель, посредством отображения битов в элементы из дискретного алфавита для передачи. Этот алфавит может состоять из набора действительных или комплексных чисел или последовательностей, таких как колебания разных частот, так называемая модуляция с частотной манипуляцией (ЧМн). Более сложный метод цифровой модуляции, использующий несколько несущих, — ортогональное частотное разделение каналов (OFDM) — применяется в сетях Wi-Fi , цифровых радиостанциях и цифровом кабельном телевидении.

Методы аналоговой модуляции

Низкочастотный сигнал сообщения (вверху) может передаваться с помощью радиоволн AM или FM.
Водопадная диаграмма радиочастоты 146,52 МГц с амплитудной модуляцией синусоидой 1000 Гц. Показаны две сильные боковые полосы на + и - 1 кГц от несущей частоты.
Несущая частота, модулированная синусоидой 1000 Гц. Индекс модуляции был настроен примерно на 2,4, поэтому несущая частота имеет небольшую амплитуду. Несколько сильных боковых полос очевидны; в принципе, бесконечное количество создается в FM, но боковые полосы более высокого порядка имеют незначительную величину.

В аналоговой модуляции модуляция применяется непрерывно в ответ на аналоговый информационный сигнал. Распространенные методы аналоговой модуляции включают:

Методы цифровой модуляции

В цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется дискретным сигналом. Методы цифровой модуляции можно рассматривать как цифро-аналоговое преобразование, а соответствующую демодуляцию или детектирование как аналого-цифровое преобразование. Изменения в несущем сигнале выбираются из конечного числа M альтернативных символов ( алфавит модуляции ).

Схема канала передачи данных 4 бод, 8 бит/с, содержащего произвольно выбранные значения

Простой пример: телефонная линия предназначена для передачи слышимых звуков, например, тонов, а не цифровых битов (нулей и единиц). Однако компьютеры могут общаться по телефонной линии с помощью модемов, которые представляют цифровые биты тонами, называемыми символами. Если есть четыре альтернативных символа (соответствующих музыкальному инструменту, который может генерировать четыре различных тона, по одному за раз), первый символ может представлять последовательность бит 00, второй 01, третий 10 и четвертый 11. Если модем воспроизводит мелодию, состоящую из 1000 тонов в секунду, скорость передачи символов составляет 1000 символов/секунду или 1000 бод . Поскольку каждый тон (т. е. символ) представляет собой сообщение, состоящее из двух цифровых битов в этом примере, скорость передачи бит в два раза превышает скорость передачи символов, т. е. 2000 бит в секунду.

Согласно одному определению цифрового сигнала , [3] модулированный сигнал является цифровым сигналом. Согласно другому определению, модуляция является формой цифро-аналогового преобразования . Большинство учебников рассматривают схемы цифровой модуляции как форму цифровой передачи , синонимичной передаче данных ; очень немногие рассматривают ее как аналоговую передачу .

Фундаментальные методы цифровой модуляции

Наиболее фундаментальные методы цифровой модуляции основаны на манипуляции :

В QAM синфазный сигнал (или I, одним из примеров которого является косинусоидальная волна) и квадратурный фазовый сигнал (или Q, примером которого является синусоида) модулируются по амплитуде с конечным числом амплитуд, а затем суммируются. Это можно рассматривать как двухканальную систему, в которой каждый канал использует ASK. Результирующий сигнал эквивалентен комбинации PSK и ASK.

Во всех вышеперечисленных методах каждой из этих фаз, частот или амплитуд назначается уникальный шаблон двоичных битов . Обычно каждая фаза, частота или амплитуда кодирует равное количество битов. Это количество битов составляет символ , который представлен конкретной фазой, частотой или амплитудой.

Если алфавит состоит из альтернативных символов, каждый символ представляет собой сообщение, состоящее из N бит. Если скорость передачи символов (также известная как скорость передачи в бодах ) составляет символов/секунду (или бод ), скорость передачи данных составляет бит/секунду.

Например, при алфавите, состоящем из 16 альтернативных символов, каждый символ представляет 4 бита. Таким образом, скорость передачи данных в четыре раза превышает скорость передачи данных в бодах.

В случае PSK, ASK или QAM, где несущая частота модулированного сигнала постоянна, алфавит модуляции часто удобно представлять на диаграмме созвездия , показывающей амплитуду сигнала I на оси x и амплитуду сигнала Q на оси y для каждого символа.

Принципы работы модулятора и детектора

PSK и ASK, а иногда также FSK, часто генерируются и детектируются с использованием принципа QAM. Сигналы I и Q могут быть объединены в комплексный сигнал I + jQ (где j — мнимая единица ). Результирующий так называемый эквивалентный сигнал нижних частот или эквивалентный сигнал основной полосы частот является комплексным представлением действительного модулированного физического сигнала (так называемого сигнала полосы пропускания или радиочастотного сигнала ).

Вот общие этапы, используемые модулятором для передачи данных:

  1. Группируйте входящие биты данных в кодовые слова, по одному для каждого передаваемого символа.
  2. Сопоставьте кодовые слова с атрибутами, например, амплитудами сигналов I и Q (эквивалентный низкочастотный сигнал) или значениями частоты или фазы.
  3. Адаптируйте формирование импульсов или какую-либо другую фильтрацию для ограничения полосы пропускания и формирования спектра эквивалентного низкочастотного сигнала, обычно с использованием цифровой обработки сигнала.
  4. Выполнить цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) сигналов I и Q (поскольку сегодня все вышеперечисленное обычно достигается с помощью цифровой обработки сигналов , DSP).
  5. Генерация высокочастотной синусоидальной несущей волны, а также, возможно, косинусной квадратурной составляющей. Выполнение модуляции, например, путем умножения синусоидальной и косинусоидальной волн с сигналами I и Q, в результате чего эквивалентный сигнал нижних частот будет смещен по частоте к модулированному сигналу полосы пропускания или радиочастотному сигналу. Иногда это достигается с помощью технологии DSP, например, прямого цифрового синтеза с использованием таблицы форм волн вместо аналоговой обработки сигнала. В этом случае вышеуказанный шаг ЦАП должен быть выполнен после этого шага.
  6. Усиление и аналоговая полосовая фильтрация для предотвращения гармонических искажений и периодического спектра.

На стороне приемника демодулятор обычно выполняет:

  1. Полосовая фильтрация.
  2. Автоматическая регулировка усиления , АРУ (для компенсации затухания , например замирания ).
  3. Сдвиг частоты радиочастотного сигнала в эквивалентные сигналы I и Q основной полосы частот или в сигнал промежуточной частоты (ПЧ) путем умножения радиочастотного сигнала на частоту синусоидальной и косинусоидальной волн гетеродина (см. принцип супергетеродинного приемника ).
  4. Дискретизация и аналого-цифровое преобразование (АЦП) (иногда до или вместо вышеуказанного пункта, например, с помощью субдискретизации ).
  5. Фильтрация выравнивания, например, согласованный фильтр , компенсация многолучевого распространения, временного разброса, фазовых искажений и частотно-избирательного замирания, чтобы избежать межсимвольных помех и искажения символов.
  6. Обнаружение амплитуд сигналов I и Q или частоты или фазы сигнала ПЧ.
  7. Квантование амплитуд, частот или фаз до ближайших допустимых значений символов.
  8. Отображение квантованных амплитуд, частот или фаз в кодовые слова (группы битов).
  9. Параллельно-последовательное преобразование кодовых слов в поток битов.
  10. Передайте полученный поток битов для дальнейшей обработки, например, удаления любых кодов коррекции ошибок.

Как это свойственно всем цифровым системам связи, проектирование модулятора и демодулятора должно осуществляться одновременно. Схемы цифровой модуляции возможны, поскольку пара передатчик-приемник имеет предварительное знание того, как данные кодируются и представляются в системе связи. Во всех цифровых системах связи и модулятор в передатчике, и демодулятор в приемнике структурированы таким образом, что они выполняют обратные операции.

Асинхронные методы не требуют опорного тактового сигнала приемника, синхронизированного по фазе с несущим сигналом отправителя . В этом случае символы модуляции (а не биты, символы или пакеты данных) передаются асинхронно . Противоположностью является синхронная модуляция .

Список распространенных методов цифровой модуляции

Наиболее распространенными методами цифровой модуляции являются:

MSK и GMSK являются частными случаями непрерывной фазовой модуляции. Действительно, MSK является частным случаем подсемейства CPM, известного как непрерывная фазовая частотная манипуляция (CPFSK), которая определяется прямоугольным частотным импульсом (т. е. линейно возрастающим фазовым импульсом) длительностью в один символ (полная ответная сигнализация).

OFDM основан на идее частотного мультиплексирования (FDM), но мультиплексированные потоки являются частями одного исходного потока. Поток битов разделяется на несколько параллельных потоков данных, каждый из которых передается по своей поднесущей с использованием некоторой традиционной схемы цифровой модуляции. Модулированные поднесущие суммируются для формирования сигнала OFDM. Это разделение и рекомбинация помогают справиться с ухудшениями канала. OFDM рассматривается как метод модуляции, а не как метод мультиплексирования, поскольку он передает один поток битов по одному каналу связи с использованием одной последовательности так называемых символов OFDM. OFDM может быть расширен до метода многопользовательского доступа к каналу в схемах множественного доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA) и множественного доступа с кодовым разделением на несколько несущих (MC-CDMA), что позволяет нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же физическую среду, предоставляя разные поднесущие или распространяя коды разным пользователям.

Из двух видов усилителей мощности ВЧ , усилители переключения ( усилители класса D ) стоят дешевле и потребляют меньше энергии батареи, чем линейные усилители той же выходной мощности. Однако они работают только с сигналами с относительно постоянной амплитудной модуляцией, такими как угловая модуляция (FSK или PSK) и CDMA , но не с QAM и OFDM. Тем не менее, даже несмотря на то, что усилители переключения совершенно не подходят для обычных созвездий QAM, часто принцип модуляции QAM используется для управления усилителями переключения с этими FM и другими формами сигналов, а иногда демодуляторы QAM используются для приема сигналов, выдаваемых этими усилителями переключения.

Автоматическое распознавание цифровой модуляции (ADMR)

Автоматическое распознавание цифровой модуляции в интеллектуальных системах связи является одной из важнейших проблем в программно-определяемом радио и когнитивном радио . Согласно постепенному расширению интеллектуальных приемников, автоматическое распознавание модуляции становится сложной темой в телекоммуникационных системах и компьютерной инженерии. Такие системы имеют множество гражданских и военных приложений. Более того, слепое распознавание типа модуляции является важной проблемой в коммерческих системах, особенно в программно-определяемом радио . Обычно в таких системах есть некоторая дополнительная информация для конфигурации системы, но, учитывая слепые подходы в интеллектуальных приемниках, мы можем уменьшить информационную перегрузку и повысить производительность передачи. Очевидно, что без знания передаваемых данных и многих неизвестных параметров на приемнике, таких как мощность сигнала, несущая частота и фазовые смещения, временная информация и т. д., слепая идентификация модуляции становится довольно сложной. Это становится еще более сложной задачей в реальных сценариях с многолучевым замиранием, частотно-избирательными и изменяющимися во времени каналами. [4]

Существует два основных подхода к автоматическому распознаванию модуляции. Первый подход использует методы, основанные на правдоподобии, для назначения входного сигнала соответствующему классу. Другой недавний подход основан на извлечении признаков.

Цифровая модуляция основной полосы частот

Цифровая модуляция основной полосы частот изменяет характеристики сигнала основной полосы частот, т. е. сигнала без несущей на более высокой частоте.

Это может быть использовано как эквивалентный сигнал для последующего преобразования частоты в несущую частоту или для прямой связи в основной полосе. Оба последних метода включают относительно простые линейные коды , как часто используемые в локальных шинах, и сложные схемы сигнализации основной полосы, такие как используемые в DSL .

Методы импульсной модуляции

Схемы импульсной модуляции направлены на передачу узкополосного аналогового сигнала по аналоговому каналу основной полосы частот в виде двухуровневого сигнала путем модуляции импульсной волны . Некоторые схемы импульсной модуляции также позволяют передавать узкополосный аналоговый сигнал как цифровой сигнал (т. е. как квантованный дискретный по времени сигнал ) с фиксированной скоростью передачи битов, который может передаваться по базовой цифровой системе передачи, например, некоторому линейному коду . Это не схемы модуляции в общепринятом смысле, поскольку они не являются схемами кодирования канала , но их следует рассматривать как схемы кодирования источника , а в некоторых случаях и как методы аналого-цифрового преобразования.

Аналоговые методы
Аналого-цифровые методы

Различные методы модуляции

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Модуляция» .

Ссылки

  1. ^ "Как работает модуляция? | Tait Radio Academy". Tait Radio Academy . 2014-10-22 . Получено 2024-06-17 .
  2. ^ Эррера, Родриго «Род» (23 апреля 2024 г.). «Общие антенны: какая длина антенны мне нужна для какой частоты?». wimo.com . Получено 19 июня 2024 г. .
  3. ^ "Методы модуляции | Основы электроники | ROHM". www.rohm.com . Получено 15.05.2020 .
  4. ^ Добре, Октавия А., Али Абди, Йехескель Бар-Несс и Вэй Су. Communications, IET 1, № 2 (2007): 137–156. (2007). «Обзор методов автоматической классификации модуляции: классические подходы и новые тенденции» (PDF) . IET Communications . 1 (2): 137–156. doi :10.1049/iet-com:20050176.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  5. ^ Лин, Джеймс С. (20 августа 2021 г.). Слуховые эффекты микроволнового излучения . Чикаго: Springer. стр. 326. ISBN 978-3030645434.
  6. ^ Юстесен, Дон (1 марта 1975 г.). «Микроволны и поведение» (PDF) . Американский психолог . Вашингтон, округ Колумбия: Американская психологическая ассоциация. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-09-10 . Получено 5 октября 2021 г.
  7. ^ Юстесен, Дон (1 марта 1975 г.). «Микроволны и поведение». Американский психолог . Том 30, № 3. Вашингтон, округ Колумбия: Американская психологическая ассоциация. стр. 391–401. doi : 10.1037/0003-066x.30.3.391. PMID  1137231. Получено 15 октября 2021 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки