Modulasjon - Modulation

Kategorisering for signalmodulasjon basert på data og operatortyper

I elektronikk og telekommunikasjon er modulasjon prosessen med å variere en eller flere egenskaper til en periodisk bølgeform , kalt bærersignalet , med et eget signal kalt modulasjonssignalet som vanligvis inneholder informasjon som skal overføres. For eksempel kan modulasjonssignalet være et lydsignal som representerer lyd fra en mikrofon , et videosignal som representerer bevegelige bilder fra et videokamera , eller et digitalt signal som representerer en sekvens av binære sifre, en bitstrøm fra en datamaskin. Bæreren er høyere i frekvens enn modulasjonssignalet. Formålet med modulering er å imponere informasjonen om bærerbølgen, som brukes til å transportere informasjonen til et annet sted. I radiokommunikasjon overføres den modulerte bæreren gjennom rommet som en radiobølge til en radiomottaker . Et annet formål er å overføre flere informasjonskanaler gjennom et enkelt kommunikasjonsmedium ved å bruke frekvensdelingsmultiplexering (FDM). For eksempel i kabel -TV som bruker FDM, transporteres mange bæresignaler som bærer forskjellige TV -kanaler gjennom en enkelt kabel til kunder. Siden hver operatør opptar en annen frekvens, forstyrrer ikke kanalene hverandre. Ved destinasjonsenden demoduleres bæresignalet for å trekke ut informasjonsbærende modulasjonssignal.

En modulator er en enhet eller krets som utfører modulering. En demodulator (noen ganger detektor ) er en krets som utfører demodulering , invers av modulering. Et modem (fra mo dulator- dem odulator), som brukes i toveis kommunikasjon kan utføre begge operasjoner. Frekvensbåndet som opptas av modulasjonssignalet kalles basisbåndet , mens det høyere frekvensbåndet som opptar den modulerte bæreren kalles passbåndet .

Ved analog modulasjon blir et analogt modulasjonssignal imponert på bæreren. Eksempler er amplitudemodulasjon (AM) der amplituden (styrken) til bærebølgen varieres av modulasjonssignalet og frekvensmodulasjon (FM) der frekvensen til bærebølgen varieres av modulasjonssignalet. Dette var de tidligste typene modulasjon, og brukes til å overføre et lydsignal som representerer lyd, i AM- og FM -radiosendinger . Nyere systemer bruker digital modulasjon , som imponerer et digitalt signal som består av en sekvens av binære sifre (bits), en bitstrøm , på bæreren. I frekvensskift -tasting (FSK) modulasjon, brukt i databusser og telemetri , skiftes bæresignalet periodisk mellom to frekvenser som representerer de to binære sifrene. I digital basebåndsmodulering ( linjekoding ) som brukes til å overføre data i serielle databusskabler og kablet LAN -datanettverk som Ethernet , byttes spenningen på linjen mellom to amplituder (spenningsnivåer) som representerer de to binære sifrene, 0 og 1, og bærefrekvensen (klokke) kombineres med dataene. En mer komplisert digital modulasjonsmetode som bruker flere bærere, ortogonal frekvensdelingsmultiplexering (OFDM), brukes i WiFi -nettverk, digitale radiostasjoner og digital kabel -TV -overføring.

I musikkproduksjon har begrepet modulasjon en annen betydning: det er prosessen med gradvis å endre lydegenskaper for å gjengi en følelse av bevegelse og dybde i lydopptak. Det innebærer bruk av et kildesignal (kjent som en modulator) for å kontrollere et annet signal (en bærer ) gjennom en rekke lydeffekter og syntesemetoder . Med sangere og andre vokalister betyr modulasjon å endre karakteristikkene til stemmene deres under en forestilling, for eksempel lydstyrke eller tonehøyde.

Analoge moduleringsmetoder

Et lavfrekvent meldingssignal (øverst) kan overføres av en AM- eller FM-radiobølge.
Fossplott av en 146,52 MHz radiobærer, med amplitudemodulasjon av en 1000 Hz sinusoid. To sterke sidebånd på + og - 1 kHz fra bærefrekvensen vises.
En bærer, frekvensmodulert av en 1000 Hz sinusformet. Den modulasjonsindeks som er blitt justert til om lag 2,4, slik at bærefrekvensen har liten amplitude. Flere sterke sidebånd er tydelige; i prinsippet produseres et uendelig antall i FM, men sidebåndene av høyere orden er av ubetydelig størrelse.

I analog modulasjon brukes modulasjonen kontinuerlig som svar på det analoge informasjonssignalet. Vanlige analoge moduleringsteknikker inkluderer:

Digitale modulasjonsmetoder

I digital modulasjon moduleres et analogt bæresignal av et diskret signal. Digitale modulasjonsmetoder kan betraktes som digital-til-analog-konvertering og den tilsvarende demodulering eller deteksjon som analog-til-digital-konvertering. Endringene i bæresignalet er valgt fra et begrenset antall M alternative symboler ( modulasjonsalfabetet ).

Skjematisk av 4 baud, 8 bit/s datalink som inneholder vilkårlig valgte verdier.

Et enkelt eksempel: En telefonlinje er designet for å overføre hørbare lyder, for eksempel toner, og ikke digitale biter (nuller og ener). Datamaskiner kan imidlertid kommunisere over en telefonlinje ved hjelp av modemer, som representerer de digitale bitene med toner, kalt symboler. Hvis det er fire alternative symboler (tilsvarende et musikkinstrument som kan generere fire forskjellige toner, en om gangen), kan det første symbolet representere bitsekvensen 00, den andre 01, den tredje 10 og den fjerde 11. Hvis modemet spiller en melodi som består av 1000 toner per sekund, symbolhastigheten er 1000 symboler/sekund eller 1000 baud . Siden hver tone (dvs. symbol) representerer en melding som består av to digitale biter i dette eksemplet, er bithastigheten to ganger symbolhastigheten, dvs. 2000 biter per sekund.

I følge en definisjon av digitalt signal er det modulerte signalet et digitalt signal. I følge en annen definisjon er modulasjonen en form for digital-til-analog konvertering . De fleste lærebøker vil vurdere digitale moduleringsordninger som en form for digital overføring , synonymt med dataoverføring ; svært få vil betrakte det som analog overføring .

Grunnleggende digitale moduleringsmetoder

De mest grunnleggende digitale modulasjonsteknikkene er basert på nøkkelen :

I QAM blir et in-fasesignal (eller I, med ett eksempel en cosinusbølgeform) og et kvadraturfasesignal (eller Q, med et eksempel en sinusbølge) amplituden modulert med et begrenset antall amplituder og deretter summert. Det kan sees på som et to-kanals system, hver kanal bruker ASK. Det resulterende signalet tilsvarer en kombinasjon av PSK og ASK.

I alle de ovennevnte metodene er hver av disse fasene, frekvensene eller amplituden tildelt et unikt mønster av binære biter . Vanligvis koder hver fase, frekvens eller amplitude like mange biter. Dette antall biter omfatter symbolet som er representert ved den bestemte fasen, frekvensen eller amplituden.

Hvis alfabetet består av alternative symboler, representerer hvert symbol en melding som består av N bits. Hvis symbolhastigheten (også kjent som baudhastigheten ) er symboler/sekund (eller baud ), er datahastigheten bit/sekund.

For eksempel, med et alfabet som består av 16 alternative symboler, representerer hvert symbol 4 biter. Dermed er datahastigheten fire ganger baudhastigheten.

Når det gjelder PSK, ASK eller QAM, hvor bærefrekvensen til det modulerte signalet er konstant, er modulasjonsalfabetet ofte praktisk representert på et konstellasjonsdiagram , som viser amplituden til I-signalet ved x-aksen og amplituden til Q-signalet på y-aksen, for hvert symbol.

Modulator og detektor prinsipper for drift

PSK og ASK, og noen ganger også FSK, genereres og oppdages ofte ved hjelp av QAM -prinsippet. I- og Q-signaler kan kombineres til et kompleksverdi -signal I + jQ (der j er den imaginære enhet ). Det resulterende såkalte ekvivalente lavpass-signalet eller tilsvarende basebåndsignal er en kompleks verdifull representasjon av det reelt verdifulle modulerte fysiske signalet (det såkalte passbåndsignalet eller RF-signalet ).

Dette er de generelle trinnene som modulatoren bruker for å overføre data:

  1. Grupper de innkommende databitene i kodeord, en for hvert symbol som skal overføres.
  2. Kartlegg kodeordene til attributter, for eksempel amplituder til I- og Q -signalene (tilsvarende lavpass -signal), eller frekvens- eller faseverdier.
  3. Tilpass pulsforming eller annen filtrering for å begrense båndbredden og danne spekteret til det tilsvarende lavpass -signalet, vanligvis ved bruk av digital signalbehandling.
  4. Utfør digital til analog konvertering (DAC) av I- og Q -signalene (siden i dag er alt det ovennevnte normalt oppnådd ved bruk av digital signalbehandling , DSP).
  5. Generer en høyfrekvent sinusbærerbølgeform, og kanskje også en cosinus kvadraturkomponent. Utfør modulasjonen, for eksempel ved å multiplisere sinus- og cosinusbølgeformen med I- og Q -signalene, noe som resulterer i at det ekvivalente lavpass -signalet blir frekvensforskyvet til det modulerte passbåndsignalet eller RF -signalet . Noen ganger oppnås dette ved hjelp av DSP -teknologi, for eksempel direkte digital syntese ved hjelp av en bølgeformtabell , i stedet for analog signalbehandling. I så fall bør ovennevnte DAC -trinn utføres etter dette trinnet.
  6. Forsterkning og analog båndpassfiltrering for å unngå harmonisk forvrengning og periodisk spekter.

På mottakersiden utfører demodulatoren vanligvis:

  1. Båndpass -filtrering.
  2. Automatisk forsterkningskontroll , AGC (for å kompensere for demping , for eksempel fading ).
  3. Frekvensforskyvning av RF -signalet til de tilsvarende basebånd I- og Q -signalene, eller til et mellomfrekvenssignal (IF), ved å multiplisere RF -signalet med en lokal oscillator sinusbølge og cosinusbølgefrekvens (se superheterodynemottakerprinsippet ).
  4. Prøvetaking og analog-til-digital konvertering (ADC) (noen ganger før eller i stedet for punktet ovenfor, for eksempel ved hjelp av undersampling ).
  5. Utjevningsfiltrering, for eksempel et matchet filter , kompensasjon for flerveisforplantning, tidsspredning, faseforvrengning og frekvensselektiv fading, for å unngå intersymbolinterferens og symbolforvrengning.
  6. Påvisning av amplituder til I- og Q -signalene, eller frekvensen eller fasen til IF -signalet.
  7. Kvantisering av amplituder, frekvenser eller faser til nærmeste tillatte symbolverdier.
  8. Kartlegging av kvantiserte amplituder, frekvenser eller faser til kodeord (bitgrupper).
  9. Parallell-til-serie konvertering av kodeordene til en bitstrøm.
  10. Gi den resulterende bitstrømmen videre for videre behandling, for eksempel fjerning av feilkorrigerende koder.

Som det er vanlig for alle digitale kommunikasjonssystemer, må design av både modulator og demodulator gjøres samtidig. Digitale modulasjonsordninger er mulige fordi sender-mottaker-paret har forkunnskaper om hvordan data er kodet og representert i kommunikasjonssystemet. I alle digitale kommunikasjonssystemer er både modulatoren på senderen og demodulatoren på mottakeren strukturert slik at de utfører omvendte operasjoner.

Asynkrone metoder krever ikke et mottakerreferanseklocksignal som er fasesynkronisert med senderens bærersignal . I dette tilfellet overføres modulasjonssymboler (i stedet for biter, tegn eller datapakker) asynkront . Det motsatte er synkron modulasjon .

Liste over vanlige digitale modulasjonsteknikker

De vanligste digitale modulasjonsteknikkene er:

MSK og GMSK er spesielle tilfeller av kontinuerlig fasemodulering. Faktisk er MSK et spesielt tilfelle av underfamilien til CPM kjent som kontinuerlig fase-frekvensskift-tasting (CPFSK) som er definert av en rektangulær frekvenspuls (dvs. en lineært økende fasepuls) med ett symbol-tidsvarighet (totalt responssignalering).

OFDM er basert på ideen om frekvensdivisjonsmultiplexering (FDM), men de multipleksede strømmer er alle deler av en enkelt originalstrøm. Bitstrømmen er delt inn i flere parallelle datastrømmer, hver overført over sin egen underbærer ved hjelp av noen konvensjonelle digitale moduleringsopplegg. De modulerte underbærerne summeres for å danne et OFDM-signal. Denne delingen og rekombinasjonen hjelper til med å håndtere funksjonshemmede kanaler. OFDM blir sett på som en modulasjonsteknikk i stedet for en multiplex-teknikk siden den overfører en bitstrøm over en kommunikasjonskanal ved bruk av en sekvens av såkalte OFDM-symboler. OFDM kan utvides til flerbrukerkanalaksess-metode i ortogonalt, frekvensdelt multippelaksess (OFDMA) og multi-carrier kodedelt multippelaksess (MC-CDMA) ordninger, som tillater flere brukere å dele det samme fysiske medium ved å gi forskjellig underbærere eller spre koder til forskjellige brukere.

Av de to typer RF-effektforsterker , koblingsforsterkerne ( klasse D forsterkere ) kostnadene mindre og bruker mindre strøm enn lineære forsterkere for samme utgangseffekt. Imidlertid fungerer de bare med relativt konstant amplitude-modulasjonssignaler som vinkelmodulering (FSK eller PSK) og CDMA , men ikke med QAM og OFDM. Likevel, selv om bytteforsterkere er helt uegnet for normale QAM -konstellasjoner, brukes ofte QAM -modulasjonsprinsippet for å drive koblingsforsterkere med disse FM og andre bølgeformer, og noen ganger brukes QAM -demodulatorer for å motta signalene som disse koblingsforsterkerne sender ut.

Automatisk digital modulasjonsgjenkjenning (ADMR)

Automatisk digital modulasjonsgjenkjenning i intelligente kommunikasjonssystemer er et av de viktigste problemene innen programvaredefinert radio og kognitiv radio . I henhold til gradvis omfang av intelligente mottakere, blir automatisk modulasjonsgjenkjenning et utfordrende tema i telekommunikasjonssystemer og datateknikk. Slike systemer har mange sivile og militære anvendelser. Videre er blindgjenkjenning av modulasjonstype et viktig problem i kommersielle systemer, spesielt i programvaredefinert radio . Vanligvis i slike systemer er det litt ekstra informasjon for systemkonfigurasjon, men med tanke på blinde tilnærminger i intelligente mottakere kan vi redusere informasjonsoverbelastning og øke overføringsytelsen. Uten å ha kjennskap til de overførte dataene og mange ukjente parametere ved mottakeren, for eksempel signaleffekt, bærefrekvens og faseforskyvninger, tidsinformasjon osv., Blir blind identifisering av modulasjonen ganske vanskelig. Dette blir enda mer utfordrende i virkelige scenarier med flerveisfading, frekvensselektive og tidsvarierende kanaler.

Det er to hovedmetoder for automatisk modulasjonsgjenkjenning. Den første tilnærmingen bruker sannsynlighetsbaserte metoder for å tilordne et inngangssignal til en riktig klasse. En annen nylig tilnærming er basert på funksjonsekstraksjon.

Digital basebåndsmodulering eller linjekoding

Begrepet digital basebåndsmodulering (eller digital basebåndsoverføring) er synonymt med linjekoder . Dette er metoder for å overføre en digital bitstrøm over en analog basebandkanal (alias lavpasskanal ) ved hjelp av et pulstog, dvs. et diskret antall signalnivåer, ved direkte å modulere spenningen eller strømmen på en kabel eller seriell buss. Vanlige eksempler er unipolar , non-return-to-zero (NRZ), Manchester og alternative mark inversion (AMI) kodinger.

Pulsmoduleringsmetoder

Pulsmoduleringsordninger tar sikte på å overføre et smalbånds analogt signal over en analog basebåndskanal som et to-nivå signal ved å modulere en pulsbølge . Noen pulsmoduleringsordninger tillater også at det smale bånds analoge signalet overføres som et digitalt signal (dvs. som et kvantisert diskret tidssignal ) med en fast bithastighet, som kan overføres over et underliggende digitalt overføringssystem, for eksempel en linje kode . Dette er ikke modulasjonsordninger i konvensjonell forstand siden de ikke er kanalkodingsordninger , men bør betraktes som kildekodingsordninger , og i noen tilfeller analog-til-digital konverteringsteknikker.

Analog-over-analoge metoder

Analog-over-digitale metoder

Diverse moduleringsteknikker

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker