Модуляция

Эта статья о методе запечатления данных на носителе, используемом в связи и электротехнике. Чтобы узнать о других значениях, см. Модуляция (значения) .

Категоризация модуляции сигнала на основе типов данных и несущих.

В электронике и телекоммуникациях сигналом модуляция — это процесс изменения одного или нескольких свойств периодического сигнала , называемого несущим сигналом , с помощью отдельного сигнала, называемого модуляции , который обычно содержит информацию, подлежащую передаче. Например, сигнал модуляции может быть аудиосигналом , представляющим звук из микрофона , видеосигналом , представляющим движущиеся изображения с видеокамеры , или цифровым сигналом, представляющим последовательность двоичных цифр, битовый поток с компьютера.

Эта несущая волна обычно имеет гораздо более высокую частоту , чем сигнал сообщения. Это связано с тем, что передавать сигналы с низкими частотами нецелесообразно. Обычно для приема радиоволн необходима радиоантенна длиной в четверть длины волны. Длина волны низкочастотных радиоволн измеряется километрами, и строительство такой большой антенны непрактично. В радиосвязи модулированная несущая передается через пространство в виде радиоволны к радиоприемнику .

Другой целью модуляции является передача нескольких каналов информации через одну среду связи с использованием мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM). Например, в кабельном телевидении (которое использует FDM) множество несущих сигналов, каждый из которых модулируется отдельным телевизионным каналом , передаются клиентам по одному кабелю. Поскольку каждая несущая занимает разную частоту, каналы не мешают друг другу. На стороне назначения сигнал несущей демодулируется для извлечения информационного сигнала модуляции.

Модулятор — это устройство или схема , выполняющая модуляцию. Демодулятор . (иногда детектор ) — это схема, выполняющая демодуляцию , обратную модуляции Модем – (от модулятор ), используемый при двунаправленной демодулятор связи, может выполнять обе операции. Полоса нижних частот, занимаемая сигналом модуляции, называется основной полосой частот , а полоса более высоких частот, занимаемая модулированной несущей, называется полосой пропускания .

При аналоговой модуляции сигнал аналоговой модуляции «отпечатывается» на несущей. Примерами являются амплитудная модуляция (АМ), при которой амплитуда (сила) несущей волны изменяется с помощью сигнала модуляции, и частотная модуляция (ЧМ), при которой частота несущей волны изменяется с помощью сигнала модуляции. Это были самые ранние типы модуляции. и используются для передачи аудиосигнала AM и FM , представляющего звук в радиовещании . Более поздние системы используют цифровую модуляцию , которая передает цифровой сигнал , состоящий из последовательности двоичных цифр (битов), битового потока , на несущую, посредством сопоставления битов с элементами дискретного алфавита, подлежащими передаче. Этот алфавит может состоять из набора действительных или комплексных чисел или последовательностей, подобных колебаниям разных частот, так называемой частотной манипуляции (FSK) модуляции. Более сложный метод цифровой модуляции, в котором используются несколько несущих, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), используется в Wi-Fi сетях , цифровых радиостанциях и передаче цифрового кабельного телевидения.

Методы аналоговой модуляции

Низкочастотный сигнал сообщения (вверху) может передаваться радиоволной AM или FM.

Водопадный график несущей радиочастоты 146,52 МГц с амплитудной модуляцией синусоиды 1000 Гц. Показаны две сильные боковые полосы на уровне + и - 1 кГц от несущей частоты.

Несущая, частота которой модулируется синусоидой частотой 1000 Гц. Индекс модуляции был скорректирован примерно до 2,4, поэтому несущая частота имеет небольшую амплитуду. Видны несколько сильных боковых полос; в принципе, в FM создается бесконечное количество, но боковые полосы более высокого порядка имеют незначительную величину.

При аналоговой модуляции модуляция применяется непрерывно в ответ на аналоговый информационный сигнал. Общие методы аналоговой модуляции включают:

• Амплитудная модуляция (АМ) (здесь амплитуда несущего сигнала изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Двухполосная модуляция (DSB)
    • Двухполосная модуляция с несущей (DSB-WC) (используется в диапазоне радиовещания AM)
    • Двухполосная передача с подавлением несущей (DSB-SC)
    • Двухполосная передача с уменьшенной несущей (DSB-RC)
  • Однополосная модуляция (SSB или SSB-AM)
    • Однополосная модуляция с несущей (SSB-WC)
    • Однополосная модуляция с подавлением несущей (SSB-SC)
  • Рудиментарная модуляция боковой полосы (VSB или VSB-AM)
  • Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
• Угловая модуляция , которая представляет собой приблизительно постоянную огибающую.
  • Частотная модуляция (ЧМ) (здесь частота несущего сигнала изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Фазовая модуляция (ФМ) (здесь фазовый сдвиг несущего сигнала изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Транспозиционная модуляция (ТМ), при которой изгиб формы сигнала изменяется, в результате чего получается сигнал, в котором каждая четверть цикла транспонируется в процессе модуляции. ТМ – это псевдоаналоговая модуляция (АМ). Если несущая AM также несет фазовую переменную фазу f(Ͽ). ТМ — это f(AM,Ͽ)

Методы цифровой модуляции

При цифровой модуляции аналоговый сигнал несущей модулируется дискретным сигналом. Методы цифровой модуляции можно рассматривать как цифро-аналоговое преобразование, а соответствующую демодуляцию или обнаружение — как аналого-цифровое преобразование. Изменения несущего сигнала выбираются из конечного числа M альтернативных символов ( алфавит модуляции ).

Схема канала передачи данных со скоростью 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 разных тона, по одному за раз), первый символ может представлять собой битовую последовательность 00, второй 01, третий 10 и четвертый 11. Если модем воспроизводит мелодию, состоящую из 1000 тонов в секунду, скорость передачи символов 1000 символов в секунду или 1000 бод . Поскольку в этом примере каждый тон (т. е. символ) представляет сообщение, состоящее из двух цифровых битов, скорость передачи данных в два раза превышает скорость передачи символов, т. е. 2000 бит в секунду.

Согласно одному из определений цифрового сигнала , модулированный сигнал представляет собой цифровой сигнал. Согласно другому определению, модуляция — это форма цифро-аналогового преобразования . В большинстве учебников схемы цифровой модуляции рассматриваются как форма цифровой передачи , синоним передачи данных ; очень немногие будут рассматривать это как аналоговую передачу .

Фундаментальные методы цифровой модуляции

Наиболее фундаментальные методы цифровой модуляции основаны на манипуляции :

• PSK (фазовая манипуляция) : используется конечное число фаз.
• FSK (частотная манипуляция) : используется конечное число частот.
• ASK (амплитудно-сдвиговая манипуляция) : используется конечное число амплитуд.
• QAM (квадратурная амплитудная модуляция) : используется конечное число не менее двух фаз и не менее двух амплитуд.

В QAM синфазный сигнал (или I, в одном примере представляет собой косинусоидальный сигнал) и квадратурный фазовый сигнал (или Q, в примере, представляющий собой синусоидальный сигнал) модулируются по амплитуде с помощью конечного числа амплитуд, а затем суммируются. Ее 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 присваивается уникальный шаблон двоичных битов . Обычно каждая фаза, частота или амплитуда кодируют одинаковое количество битов. Это количество битов содержит символ , который представлен конкретной фазой, частотой или амплитудой.

Если алфавит состоит из $M=2^{N}$ альтернативные символы, каждый символ представляет собой сообщение, состоящее из N битов. Если скорость передачи символов (также известная как скорость передачи данных ) $f_{S}$ символов/секунду (или бод ), скорость передачи данных $Nf_{S}$ бит/секунда.

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

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

Принципы работы модулятора и детектора

PSK и ASK, а иногда и FSK, часто генерируются и обнаруживаются с использованием принципа QAM. Сигналы I и Q можно объединить в комплексный сигнал I + jQ (где j — мнимая единица измерения ). Результирующий так называемый эквивалентный сигнал нижних частот или эквивалентный сигнал основной полосы частот представляет собой комплексное представление модулированного физического сигнала с действительным знаком (так называемый сигнал полосы пропускания или радиочастотный сигнал ).

Это общие шаги, используемые модулятором для передачи данных:

1. Сгруппируйте биты входящих данных в кодовые слова, по одному на каждый передаваемый символ.
2. Сопоставьте кодовые слова с атрибутами, например, амплитудами сигналов I и Q (эквивалентный сигнал нижних частот) или значениями частоты или фазы.
3. Адаптируйте формирование импульсов или какую-либо другую фильтрацию, чтобы ограничить полосу пропускания и сформировать спектр эквивалентного сигнала нижних частот, обычно с использованием цифровой обработки сигнала.
4. Выполните цифро-аналоговое преобразование (DAC) сигналов I и Q (поскольку сегодня все вышеперечисленное обычно достигается с помощью цифровой обработки сигналов , DSP).
5. Сгенерируйте высокочастотный синусоидальный сигнал несущей и, возможно, также квадратурный компонент косинуса. Выполните модуляцию, например, умножив синусоидальную и косинусоидальную форму сигнала на сигналы I и Q, в результате чего эквивалентный сигнал нижних частот будет сдвинут по частоте в модулированный сигнал полосы пропускания или радиочастотный сигнал . Иногда это достигается с помощью технологии DSP, например, прямого цифрового синтеза с использованием таблицы формы сигнала вместо аналоговой обработки сигнала. В этом случае описанный выше шаг DAC следует выполнить 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 затухания ).
3. Сдвиг частоты радиочастотного сигнала в эквивалентные модулирующие сигналы I и Q или в сигнал промежуточной частоты (ПЧ) путем умножения радиочастотного сигнала на синусоидальную и косинусоидальную частоту гетеродина (см. принцип супергетеродинного приемника ).
4. Дискретизация и аналого-цифровое преобразование (АЦП) (иногда до или вместо указанного выше пункта, например, посредством субдискретизации ).
5. Выравнивающая фильтрация, например, согласованный фильтр , компенсация многолучевого распространения, временного расширения, фазовых искажений и частотно-избирательного замирания, чтобы избежать межсимвольных помех и искажений 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 битовый поток.
10. Передайте результирующий битовый поток для дальнейшей обработки, например удаления любых кодов, исправляющих ошибки.

Как это характерно для всех цифровых систем связи, проектирование модулятора и демодулятора должно выполняться одновременно. Схемы цифровой модуляции возможны, поскольку пара передатчик-приемник заранее знает, как данные кодируются и представляются в системе связи. Во всех системах цифровой связи модулятор передатчика и демодулятор приемника устроены таким образом, что они выполняют обратные операции.

Асинхронные методы не требуют опорного тактового сигнала приемника, синхронизированного по фазе отправителя с несущим сигналом . 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:

• Фазовая манипуляция (PSK)
  • Двоичная PSK (BPSK), с использованием символов M=2.
  • Квадратурная PSK (QPSK) с использованием символов M = 4.
  • 8PSK, с использованием символов M=8
  • 16PSK, с использованием символов M=16.
  • Дифференциальный ПСК (ДПСК)
  • Дифференциальный QPSK (DQPSK)
  • Смещение QPSK ( OQPSK )
  • π/4 – QPSK
• Частотная манипуляция (FSK)
  • Частотная манипуляция звука (AFSK)
  • Многочастотная манипуляция (M-ary FSK или MFSK)
  • Двухтональный многочастотный (DTMF)
• Амплитудно-сдвиговая манипуляция (ASK)
• Включительно-выключенная манипуляция (OOK), наиболее распространенная форма ASK.
  • M-арная модуляция боковой полосы , например 8VSB
• Квадратурная амплитудная модуляция (QAM), комбинация PSK и ASK.
  • Полярная модуляция, такая как QAM, комбинация PSK и ASK.
• непрерывной фазовой модуляции Методы (CPM)
  • Манипуляция с минимальным сдвигом (MSK)
  • Гауссова манипуляция с минимальным сдвигом (GMSK)
  • Непрерывно-фазовая частотная манипуляция (CPFSK)
• Модуляция с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
  • Дискретный многотональный режим (DMT), включая адаптивную модуляцию и побитовую загрузку.
• Вейвлет-модуляция
• Решетчатая кодированная модуляция (TCM), также известная как решетчатая модуляция.
• расширения спектра Методы
  • Расширение спектра прямой последовательности (DSSS)
  • Расширенный спектр чирпа (CSS) в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4a CSS использует псевдостохастическое кодирование.
  • Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS) применяет специальную схему освобождения канала.

MSK и GMSK являются частными случаями непрерывной фазовой модуляции. Действительно, MSK является частным случаем подсемейства CPM, известного как частотная манипуляция с непрерывной фазой (CPFSK), которая определяется импульсом прямоугольной частоты (т.е. линейно возрастающим фазовым импульсом) длительностью в один символ ( сигнализация общего ответа).

OFDM основан на идее частотного мультиплексирования (FDM), но все мультиплексированные потоки являются частями одного исходного потока. Битовый поток 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 деление и рекомбинация помогают справиться с нарушениями канала. OFDM рассматривается как метод модуляции, а не как метод мультиплексирования, поскольку он передает один поток битов по одному каналу связи, используя одну последовательность так называемых символов OFDM. многопользовательского OFDM может быть расширен до метода доступа к каналу в схемах множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) и множественного доступа с кодовым разделением каналов и несколькими несущими (MC-CDMA), что позволяет нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же физическую среду, предоставляя разные поднесущие или распространение кодов между разными пользователями.

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

Автоматическое распознавание цифровой модуляции (ADMR)

Автоматическое распознавание цифровой модуляции в интеллектуальных системах связи является одной из важнейших проблем программно-определяемой радиосвязи и когнитивного радио . В связи с растущим распространением интеллектуальных приемников автоматическое распознавание модуляции становится сложной темой в телекоммуникационных системах и компьютерной технике. Такие системы имеют множество гражданских и военных применений. Более того, слепое распознавание типа модуляции является важной проблемой в коммерческих системах, особенно в программно-определяемой радиосвязи . Обычно в таких системах имеется некоторая дополнительная информация для настройки 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 в приемнике, таких как мощность сигнала, несущая частота и сдвиг фазы, информация о синхронизации и т. д., слепая идентификация модуляции становится довольно сложной. Это становится еще более сложной задачей в реальных сценариях с многолучевым замиранием, частотно-селективными и изменяющимися во времени каналами.

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

Цифровая модуляция основной полосы частот

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

Его можно использовать в качестве эквивалентного сигнала для последующего преобразования частоты в несущую частоту или для прямой связи в основной полосе частот. Последние методы включают как относительно простые линейные коды , которые часто используются в местных шинах, так и сложные схемы передачи сигналов основной полосы частот, например, 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 пульсовой волны . Некоторые схемы импульсной модуляции также позволяют передавать узкополосный аналоговый сигнал в виде цифрового сигнала (т. е. как квантованного сигнала с дискретным временем ) с фиксированной скоростью передачи данных, который можно передавать по базовой цифровой системе передачи, например, по какой-либо линии связи. код . Это не схемы модуляции в обычном смысле, поскольку они не являются схемами канального кодирования , но их следует рассматривать как схемы исходного кодирования и, в некоторых случаях, методы аналого-цифрового преобразования.

Аналого-аналоговые методы

• Амплитудно-импульсная модуляция (ПАМ)
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и глубинно-импульсная модуляция (ШИМ)
• Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
• Импульсно-позиционная модуляция (PPM)

Аналого-цифровые методы

• Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)
  • Дифференциальный PCM (DPCM)
    • Адаптивный DPCM (ADPCM)
• Дельта-модуляция (DM или Δ-модуляция)
  • Дельта-сигма модуляция (ΣΔ)
  • Дельта-модуляция с бесступенчатым наклоном (CVSDM), также называемая адаптивной дельта-модуляцией (ADM)
• Плотно-импульсная модуляция (PDM)

Различные методы модуляции

• Использование двухпозиционной манипуляции для передачи кода Морзе на радиочастотах известно как работа в непрерывном режиме (CW).
• Адаптивная модуляция
• Пространственная модуляция — это метод, при котором сигналы модулируются в воздушном пространстве, например, тот, который используется в системах посадки по приборам .
• был Слуховой эффект микроволнового излучения импульсно модулирован звуковыми волнами, чтобы вызвать понятные произнесенные числа.

См. также

• Методы доступа к каналу
• Кодирование канала
• Кодек
• Канал связи
• Демодуляция
• Электрический резонанс
• Гетеродин
• Код линии
• Модем
• Порядок модуляции
• Нейромодуляция
• РЧ модулятор
• Кольцевая модуляция
• Телекоммуникации
• Виды радиоизлучений

Дальнейшее чтение

• «Умножители и модуляторы» , июнь 2013 г. Аналоговый диалог

Внешние ссылки

• Интерактивная презентация программного демаппинга для AWGN-канала в веб-демо Института телекоммуникаций Штутгартского университета
• Модем (модуляция и демодуляция)
• CodSim 2.0: Виртуальная лаборатория с открытым исходным кодом для моделей передачи цифровых данных. Кафедра компьютерной архитектуры, Университет Малаги. Имитирует кодирование цифровых линий и цифровые модуляции. Написано в HTML для любого веб-браузера.