Digitalna modulacija: Amplituda in frekvenca

Modulacija radijske frekvence

Čeprav temeljijo na istih konceptih, so digitalne modulacijske valovne oblike precej drugačne od njihovih analognih.

Čeprav še zdaleč ni izumrla, je analogna modulacija preprosto nezdružljiva z digitalnim svetom. 

Naša prizadevanja se ne osredotočajo več na premikanje analognih valovnih oblik iz enega kraja v drugega. Namesto tega želimo premakniti podatke: brezžično omrežje, digitalizirane zvočne signale, meritve senzorjev itd. Za prenos digitalnih podatkov uporabljamo digitalno modulacijo.

Vendar moramo biti previdni s to terminologijo. "Analogni" in "digitalni" v tem kontekstu se nanašata na vrsto prenesenih informacij, ne pa na osnovne značilnosti dejansko prenesenih valovnih oblik. 

Tako analogna kot digitalna modulacija uporabljata gladko različne signale; razlika je v tem, da je analogno moduliran signal demoduliran v analogno bazno valovno obliko, medtem ko digitalno moduliran signal sestoji iz diskretnih modulacijskih enot, imenovanih simbolov, ki se interpretirajo kot digitalni podatki.

Obstajajo analogne in digitalne različice treh tipov modulacije. Začnimo z amplitudo in frekvenco.

Digitalna amplitudna modulacija
Ta vrsta modulacije se imenuje tipkanje z amplitudnim premikom (ASK). Najosnovnejši primer je "vklopljeno vklapljanje" (OOK) in skoraj neposredno ustreza matematičnemu razmerju, o katerem smo razpravljali na strani [[analogna amplitudna modulacija]]: Če uporabljamo digitalni signal kot valovno obliko osnovnega pasu, se množi bazni pas in nosilec imata za posledico modulirano valovno obliko, ki je normalna za visoko logiko in "izklopljena" za nizko logiko. Logično visoka amplituda ustreza indeksu modulacije.

Časovna domena
Naslednja shema prikazuje OOK, ustvarjen s pomočjo 10 MHz nosilca in 1 MHz digitalnega takta. Tu delujemo v matematičnem področju, zato je logično visoka amplituda (in amplituda nosilca) preprosto brezdimenzijska "1"; v resničnem vezju imate morda 1 V nosilno valovno obliko in 3.3 V logični signal.

Morda ste opazili neko neskladje med tem primerom in matematičnim razmerjem, o katerem smo razpravljali na strani [[Amplitude Modulacija]]: nismo preusmerili signala osnovnega pasu. Če imate opravka z značilnim digitalnim valovnim signalom, povezanim z enosmernim tokom, premik navzgor ni potreben, ker signal ostane v pozitivnem delu osi y.

Frekvenčna domena
Tu je ustrezen spekter:




Primerjajte to s spektrom za amplitudno modulacijo z 1 MHz sinusnim valom:




Večina spektra je enaka - konico pri nosilni frekvenci (fC) in konico pri fC plus osnovno frekvenco in fC minus osnovno frekvenco. 

Vendar ima spekter ASK tudi manjše konice, ki ustrezajo 3. in 5. harmoniki: Temeljna frekvenca (fF) je 1 MHz, kar pomeni, da je 3. harmonika (f3) 3 MHz in 5. harmonika (f5) 5 MHz . Torej imamo trne pri fC plus / minus fF, f3 in f5. In pravzaprav bi, če bi razširili zaplet, videli, da se trni nadaljujejo po tem vzorcu.

To ima popoln smisel. Fourierova preobrazba kvadratnega vala je sestavljena iz sinusnega vala na osnovni frekvenci skupaj s padajočimi amplitudnimi sinusnimi valovi na neparnih harmonikah in ta harmonska vsebina je tisto, kar vidimo v zgornjem spektru.

Ta razprava nas pripelje do pomembne praktične točke: nenadni prehodi, povezani s shemami digitalne modulacije, proizvajajo (nezaželeno) vsebino višjih frekvenc. To moramo upoštevati, če upoštevamo dejansko pasovno širino moduliranega signala in prisotnost frekvenc, ki bi lahko motile druge naprave.

Digitalna frekvenčna modulacija
Ta vrsta modulacije se imenuje frekvenčno premikanje tipkov (FSK). Za naše namene ni treba upoštevati matematičnega izraza FSK; raje lahko preprosto določimo, da bomo imeli frekvenco f1, če so podatki o osnovnem pasu logični 0, in frekvenco f2, če so podatki o osnovnem pasu logični 1.

Časovna domena
Eden od načinov generiranja valovne oblike FSK, ki je pripravljen za prenos, je najprej ustvariti analogni bazni signal, ki preklopi med f1 in f2 glede na digitalne podatke. Tu je primer valovne oblike baznega pasu FSK s f1 = 1 kHz in f2 = 3 kHz. Za zagotovitev, da je simbol enak trajanju za logiko 0 in logiko 1, uporabimo en cikel 1 kHz in tri cikle 3 kHz.

Valovna oblika osnovnega pasu se nato premakne (z mešalnikom) do nosilne frekvence in odda. Ta pristop je še posebej primeren v programsko opredeljenih radijskih sistemih: analogna bazna oblika vala je nizkofrekvenčni signal, zato ga je mogoče generirati matematično in nato v analogno območje vnesti DAC. Uporaba DAC za ustvarjanje visokofrekvenčnega oddanega signala bi bila veliko težja.

Bolj konceptualno preprost način izvajanja FSK je preprosto imeti dva nosilna signala z različnimi frekvencami (f1 in f2); eno ali drugo je preusmerjeno na izhod, odvisno od logične ravni binarnih podatkov. 

Posledica tega je končna oddana valovna oblika, ki se naglo preklopi med dvema frekvencama, podobno kot v zgornjem pasu FSK valovna oblika zgoraj, le da je razlika med dvema frekvencama precej manjša glede na povprečno frekvenco. Z drugimi besedami, če bi gledali zaplet časovne domene, bi bilo težko vizualno razlikovati odseke f1 od odsekov f2, ker je razlika med f1 in f2 le majhen del f1 (ali f2).

Frekvenčna domena
Poglejmo učinke FSK v frekvenčni domeni. Uporabili bomo svojo isto 10 MHz nosilno frekvenco (ali povprečno nosilno frekvenco v tem primeru), kot odstopanje pa bomo uporabili ± 1 MHz. (To je nerealno, vendar je za naše trenutne namene priročno.) Torej bo oddani signal 9 MHz za logiko 0 in 11 MHz za logiko 1. Tu je spekter:

Upoštevajte, da na "nosilni frekvenci" ni energije. To ni presenetljivo, če upoštevamo, da modulirani signal ni nikoli na 10 MHz. Vedno je pri 10 MHz minus 1 MHz ali 10 MHz plus 1 MHz in prav tu vidimo dva prevladujoča trna: 9 MHz in 11 MHz.

Kaj pa ostale frekvence, prisotne v tem spektru? No, spektralna analiza FSK ni posebej enostavna. Vemo, da bo nastala dodatna Fourierjeva energija, povezana z nenadnimi prehodi med frekvencami. 

Izkazalo se je, da ima FSK za vsak frekvenco tip spektralne funkcije, tj. Ena je osredotočena na f1, druga pa na f2. Ti so posledica dodatnih frekvenčnih konic, vidnih na obeh straneh obeh prevladujočih konic.

Povzetek
* Digitalna amplitudna modulacija vključuje spreminjanje amplitude nosilnega vala v diskretnih odsekih glede na binarne podatke.

* Najbolj preprost pristop k digitalni amplitudni modulaciji je vklopljeno vklapljanje.

* Z digitalno frekvenčno modulacijo se frekvenca nosilnega ali osnovnega pasu spreminja v diskretnih odsekih glede na binarne podatke.

* Če digitalno modulacijo primerjamo z analogno modulacijo, vidimo, da nenadni prehodi, ustvarjeni z digitalno modulacijo, povzročijo dodatno energijo na frekvencah, ki so bolj od nosilca.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo