Модуляция

Эта статья может быть слишком технической, чтобы ее могло понять большинство читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технические детали. ( Февраль 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В электронике и телекоммуникациях , модуляция представляет собой процесс изменения одного или более свойств периодического сигнала , называемый сигналом несущего , с отдельным сигналом называется сигнал модуляции , который обычно содержит информацию, подлежащую передаче. 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. Несущая выше по частоте, чем сигнал модуляции. Цель модуляции - передать информацию на несущей, которая используется для передачи информации в другое место. В радиосвязи модулированная несущая передается через пространство в виде радиоволны к радиоприемнику . Другой целью является передача нескольких каналов информации через единую среду связи с использованием мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM). Например, в кабельном телевидении, использующем FDM, многие несущие сигналы передают разные телевизионные каналы.доставляются к клиентам по одному кабелю. Поскольку каждая несущая занимает разную частоту, каналы не мешают друг другу. На стороне назначения сигнал несущей демодулируется для извлечения сигнала модуляции, несущего информацию.

Модулятор представляет собой устройство или схема , которая выполняет модуляцию. Демодулятор (иногда детектор ) представляет собой схему , которая выполняет демодуляции , обратный модуляции. Модем (от мес dulator- дем odulator), используемый в двунаправленной связи, может выполнять обе операции. Полоса частот, занимаемая сигналом модуляции, называется полосой модулирующих сигналов , а полоса более высоких частот, занимаемая модулированной несущей, называется полосой пропускания .

В аналоговой модуляции аналогового сигнала модуляции впечатление на носителе. Примерами являются амплитудная модуляция (AM), при которой амплитуда (сила) несущей волны изменяется сигналом модуляции, и частотная модуляция (FM), при которой частота несущей волны изменяется сигналом модуляции. Это были самые ранние типы модуляции, которые использовались для передачи звукового сигнала, представляющего звук, в радиовещании AM и FM . В более современных системах используется цифровая модуляция , при которой создается цифровой сигнал, состоящий из последовательностидвоичные цифры (биты), поток битов на носителе. При модуляции с частотной манипуляцией (FSK), используемой в компьютерных шинах и телеметрии , несущий сигнал периодически сдвигается между двумя частотами, которые представляют две двоичные цифры. В цифровой модуляции основной полосы частот ( линейное кодирование ) используется для передачи данных в кабелях последовательной компьютерной шины и проводных компьютерных сетях LAN, таких как Ethernet., напряжение на линии переключается между двумя амплитудами (уровнями напряжения), представляющими две двоичные цифры, 0 и 1, а несущая (тактовая) частота комбинируется с данными. Более сложный метод цифровой модуляции, который использует несколько несущих, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), используется в сетях WiFi , цифровых радиостанциях и передаче цифрового кабельного телевидения.

В музыкальном производстве термин «модуляция» имеет другое значение: это процесс постепенного изменения звуковых свойств с целью воспроизведения ощущения движения и глубины в аудиозаписях. Он включает использование источника сигнала (известного как модулятор) для управления другим сигналом ( несущей ) с помощью различных звуковых эффектов и методов синтеза . ^[1] Для певцов и других вокалистов модуляция означает изменение характеристик их голосов во время выступления, таких как громкость или высота звука.

Методы аналоговой модуляции [ править ]

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

• Амплитудная модуляция (AM) (здесь амплитуда несущего сигнала варьируется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Двухполосная модуляция (DSB)
    • Двухполосная модуляция с несущей (DSB-WC) (используется в диапазоне радиовещания AM)
    • Двухполосная передача с подавленной несущей (DSB-SC)
    • Двухполосная передача с пониженной несущей (DSB-RC)
  • Однополосная модуляция (SSB или SSB-AM)
    • Однополосная модуляция с несущей (SSB-WC)
    • Однополосная модуляция с подавленной несущей (SSB-SC)
  • Остаточная модуляция боковой полосы (VSB или VSB-AM)
  • Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
• Угловая модуляция , которая является примерно постоянной огибающей.
  • Частотная модуляция (FM) (здесь частота несущего сигнала варьируется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Фазовая модуляция (ФМ) (здесь фазовый сдвиг несущего сигнала варьируется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Транспозиционная модуляция (TM), при которой перегиб формы волны изменяется, в результате чего получается сигнал, в котором каждая четверть цикла транспонируется в процессе модуляции. TM - это псевдоаналоговая модуляция (AM). Если несущая AM также несет фазу переменной фазы f (). TM - это f (AM, ǿ)

Методы цифровой модуляции [ править ]

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

Простой пример: телефонная линия предназначена для передачи звуковых сигналов, например тонов, а не цифровых битов (нулей и единиц). Однако компьютеры могут связываться 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 битовую последовательность 00, второй 01, третий 10 и четвертый 11. Если модем проигрывает мелодию, состоящую из 1000 тонов в секунду, скорость передачи 1000 символов в секунду или 1000 бод . Поскольку каждый тональный сигнал (т. Е. Символ) представляет сообщение, состоящее из двух цифровых битов в этом примере, скорость передачи битов вдвое больше символьной скорости, т. е. 2000 бит в секунду.

Согласно одному определению цифрового сигнала , ^[2] 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 , синонимичной передаче данных ; очень немногие сочтут это аналоговой передачей .

Основные методы цифровой модуляции [ править ]

Наиболее фундаментальные методы цифровой модуляции основаны на манипуляции :

• PSK (фазовая манипуляция) : используется конечное количество фаз.
• FSK (частотная манипуляция) : используется конечное количество частот.
• ASK (амплитудно-сдвиговая манипуляция) : используется конечное число амплитуд.
• QAM (квадратурная амплитудная модуляция) : используется как минимум две фазы и как минимум две амплитуды.

В QAM синфазный сигнал (или I, в одном примере - косинусоидальный сигнал) и квадратурный фазовый сигнал (или Q, в примере является синусоидальной волной) модулируются по амплитуде конечным числом амплитуд, а затем суммируются. Это можно рассматривать как двухканальную систему, каждый канал использует ASK. Результирующий сигнал эквивалентен комбинации PSK и ASK.

Во всех вышеупомянутых методах каждой из этих фаз, частот или амплитуд назначается уникальный набор 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 сообщение, состоящее из N битов. Если скорость передачи символов (также известная как скорость передачи ) составляет символов в секунду (или бод ), скорость передачи данных равна битам в секунду.${\ Displaystyle M = 2 ^ {N}}$${\ displaystyle f_ {S}}$${\ displaystyle Nf_ {S}}$

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 , показывая амплитуду I-сигнала по оси x и амплитуду сигнал Q по оси ординат для каждого символа.

Принципы работы модулятора и детектора [ править ]

PSK и ASK, а иногда и FSK, часто генерируются и обнаруживаются 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 модулированного физического сигнала с действительными значениями (так называемого сигнала полосы пропускания или радиочастотного сигнала ).

Это общие шаги, используемые модулятором для передачи данных:

1. Сгруппируйте 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 сигнал нижних частот) или значениями частоты или фазы.
3. Адаптируйте формирование импульса или другую фильтрацию, чтобы ограничить полосу пропускания и сформировать спектр эквивалентного сигнала нижних частот, обычно с использованием цифровой обработки сигнала.
4. Выполните цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) сигналов I и Q (поскольку сегодня все вышеперечисленное обычно достигается с помощью цифровой обработки сигналов , DSP).
5. Сгенерируйте высокочастотный синусоидальный сигнал несущей и, возможно, квадратурный компонент косинуса. Выполните модуляцию, например, умножив синусоидальный и косинусоидальный сигналы на сигналы I и Q, в результате чего эквивалентный сигнал нижних частот будет сдвинут по частоте на модулированный сигнал полосы пропускания или радиочастотный сигнал . Иногда это достигается с помощью технологии DSP, например прямого цифрового синтеза с использованием таблицы форм сигналов , вместо обработки аналогового сигнала. В этом случае вышеупомянутый шаг DAC 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 , AGC (для компенсации затухания , например замирания ).
3. Сдвиг частоты радиочастотного сигнала на эквивалентные сигналы I и Q основной полосы частот или на сигнал промежуточной частоты (ПЧ) путем умножения радиочастотного сигнала на синусоидальную волну гетеродина и частоту косинусоидальной волны (см. Принцип супергетеродинного приемника ).
4. Выборка и аналого-цифровое преобразование (АЦП) (иногда до или вместо указанной выше точки, например, посредством недостаточной дискретизации ).
5. Уравнивающая фильтрация, например, согласованный фильтр , компенсация многолучевого распространения, расширение по времени, фазовое искажение и частотно-избирательное замирание, 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 разрешенных 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, такой как удаление любых кодов с исправлением ошибок.

Как и во всех цифровых системах связи, конструкция модулятора и демодулятора должна выполняться одновременно. Возможны схемы цифровой модуляции, поскольку пара передатчик-приемник заранее знает, как данные кодируются и представляются в системе связи. Во всех цифровых системах связи и модулятор в передатчике, и демодулятор в приемнике устроены так, что они выполняют обратные операции.

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

Список распространенных методов цифровой модуляции [ править ]

Наиболее распространенными методами цифровой модуляции являются:

• Фазовая манипуляция (PSK)
  • Двоичный PSK (BPSK), используя M = 2 символа
  • Квадратурный PSK (QPSK), используя M = 4 символа
  • 8PSK, используя M = 8 символов
  • 16PSK, используя M = 16 символов
  • Дифференциальный PSK (DPSK)
  • Дифференциальная QPSK (DQPSK)
  • Смещение QPSK ( OQPSK )
  • π / 4 – QPSK
• Частотная манипуляция (FSK)
  • Звуковая частотная манипуляция (AFSK)
  • Многочастотная манипуляция сдвигом (M-ary FSK или MFSK)
  • Двухтональный многочастотный (DTMF)
• Амплитудная манипуляция (ASK)
• On-off keying (OOK), наиболее распространенная форма запроса
  • M-арная остаточная модуляция боковой полосы , например 8VSB
• Квадратурная амплитудная модуляция (QAM), комбинация PSK и ASK
  • Полярная модуляция, такая как QAM, комбинация PSK и ASK ^{[ необходима ссылка ]}
• Методы непрерывной фазовой модуляции (CPM)
  • Манипуляция с минимальной сменой (MSK)
  • Гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (GMSK)
  • Непрерывная фазовая частотная манипуляция (CPFSK)
• Модуляция с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
  • Дискретный многотональный (DMT), включая адаптивную модуляцию и битовую загрузку
• Вейвлет-модуляция
• Модуляция с решетчатым кодом (TCM), также известная как модуляция с решетчатым кодом
• Методы расширенного спектра
  • Расширенный спектр прямой последовательности (DSSS)
  • Расширенный спектр щебета (CSS) в соответствии с IEEE 802.15.4a CSS использует псевдостохастическое кодирование
  • Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS) применяет специальную схему для освобождения канала.

MSK и GMSK - частные случаи 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 нарастающим фазовым импульсом) длительностью в один символ (общая ответная сигнализация).

OFDM основан на идее мультиплексирования с частотным разделением (FDM), но мультиплексированные потоки являются частями единого исходного потока. Битовый поток разделяется на несколько параллельных потоков данных, каждый из которых передается по собственной поднесущей с использованием некоторой традиционной схемы цифровой модуляции. Модулированные поднесущие суммируются, чтобы сформировать сигнал OFDM. Это разделение и рекомбинация помогает справиться с нарушениями канала. OFDM рассматривается как метод модуляции, а не как метод мультиплексирования, поскольку он передает один битовый поток по одному каналу связи с использованием одной последовательности так называемых символов OFDM. OFDM может быть расширен до метода доступа к многопользовательскому каналу в системе множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) исхемы множественного доступа с кодовым разделением каналов с несколькими несущими (MC-CDMA), позволяющие нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же физическую среду, предоставляя разные поднесущие или коды расширения разным пользователям.

Из двух видов усилителя мощности РЧ , коммутации усилителей ( класса D усилители ) стоимость меньше и использовать меньше энергии , чем линейные усилители той же выходной мощности. Однако они работают только с сигналами с относительно постоянной амплитудой модуляции, 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 непригодны для обычных комбинаций QAM, часто принцип модуляции QAM используется для управления переключающими усилителями с этими FM и другими формами сигналов, а иногда демодуляторы QAM используются для приема сигналов, выдаваемых этими переключающими усилителями.

Автоматическое распознавание цифровой модуляции (ADMR) [ править ]

Автоматическое распознавание цифровой модуляции в интеллектуальных системах связи - одна из наиболее важных проблем в программно-конфигурируемом радио и когнитивном радио . По мере увеличения количества интеллектуальных приемников автоматическое распознавание модуляции становится сложной темой в телекоммуникационных системах и компьютерной инженерии. Такие системы имеют множество гражданских и военных применений. Более того, слепое распознавание типа модуляции является важной проблемой в коммерческих системах, особенно в программно-конфигурируемой радиосвязи . 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. ^[3]Очевидно, что без знания передаваемых данных и многих неизвестных параметров в приемнике, таких как мощность сигнала, несущая частота и смещения фазы, информация о синхронизации и т. Д., Слепая идентификация модуляции становится довольно сложной. Это становится еще более сложной задачей в реальных сценариях с замираниями из-за многолучевого распространения, частотно-избирательными и изменяющимися во времени каналами. ^[4]

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

Цифровая модуляция основной полосы частот или линейное кодирование [ править ]

Термин цифровая модуляция основной полосы частот (или цифровая передача основной полосы частот) является синонимом линейных кодов . Это методы передачи цифрового битового потока по аналоговому каналу основной полосы частот (также известному как канал нижних частот ) с использованием последовательности импульсов, то есть дискретного числа уровней сигнала, путем прямой модуляции напряжения или тока в кабеле или последовательной шине. Распространенными примерами являются униполярное кодирование , кодирование без возврата к нулю (NRZ), манчестерское и альтернативное кодирование с инверсией знаков (AMI). ^[5]

Методы импульсной модуляции [ править ]

Схемы импульсной модуляции нацелены на передачу узкополосного аналогового сигнала по аналоговому каналу основной полосы частот как двухуровневого сигнала путем модуляции пульсовой волны . Некоторые схемы импульсной модуляции также позволяют передавать узкополосный аналоговый сигнал как цифровой сигнал (т. Е. Как квантованный сигнал с дискретным временем ) с фиксированной скоростью передачи, который может передаваться по базовой системе цифровой передачи, например, по некоторой линии код . Это не схемы модуляции в общепринятом смысле, поскольку они не являются схемами кодирования каналов , но должны рассматриваться как схемы кодирования источника , а в некоторых случаях методы аналого-цифрового преобразования.

Аналоговые методы по сравнению с аналоговыми

• Амплитудно-импульсная модуляция (ПАМ)
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и глубинно-импульсная модуляция (ШИМ)
• Позиционно-импульсная модуляция (PPM)

Аналоговые методы над цифровыми

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

Разные методы модуляции [ править ]

• Использование двухпозиционной манипуляции для передачи кода Морзе на радиочастотах известно как режим непрерывной волны (CW).
• Адаптивная модуляция
• Пространственная модуляция - это метод, при котором сигналы модулируются в воздушном пространстве, например, в системах посадки по приборам .

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме модуляции .

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Множители и модуляторы Analog Dialogue, июнь 2013 г.

Внешние ссылки [ править ]

• Интерактивная презентация soft-demapping для AWGN-канала в веб-демонстрации Института телекоммуникаций Штутгартского университета
• Модем (модуляция и демодуляция)
• CodSim 2.0: Виртуальная лаборатория с открытым исходным кодом для модели передачи цифровых данных, факультет компьютерной архитектуры, Университет Малаги. Имитирует кодирование цифровых линий и цифровую модуляцию. Написано в HTML для любого веб-браузера.