Модуляция - Modulation - Wikipedia

Для использования в других целях см. Модуляция (значения).
Полоса пропускания модуляция
Аналоговая модуляция
Цифровая модуляция
Иерархическая модуляция
Расширенный спектр
Смотрите также

Модуляция используется певцами и другими вокалистами для изменения характеристик своего голоса, например громкости или высоты звука.

Модуляция также является техническим термином, обозначающим умножение исходного сигнала на другой, обычно периодический сигнал.

В электроника и телекоммуникации, модуляция это процесс изменения одного или нескольких свойств периодического форма волны, называется несущий сигнал, с отдельным сигналом, который обычно содержит информацию для передачи. Термин аналоговая или цифровая модуляция используется, когда модулирующий сигнал является аналоговым или цифровым соответственно. В большинстве радиосистем 20 века использовались методы аналоговой модуляции: модуляция частоты (FM) или амплитудная модуляция (AM) для радиопередача. Большинство, если не все, современные системы передачи используют QAM (квадратурную амплитудную модуляцию), которая изменяет амплитуду и фазу (цифрового) несущего сигнала.

В музыкальное производство, модуляция - это процесс постепенного изменения звуковых свойств для воспроизведения ощущения движения и глубины в аудиозаписях. Он предполагает использование исходного сигнала (известного как модулятор) для управления другим сигналом ( перевозчик ) с помощью различных звуковых эффектов и методов синтез.[1]

А модулятор это устройство, которое выполняет модуляцию. А демодулятор (иногда детектор или же демод) - это устройство, выполняющее демодуляция, инверсия модуляции. А модем (из месdulator–демodulator) может выполнять обе операции.

Цель аналоговая модуляция заключается в передаче аналог baseband (или НЧ ) сигнал, например аудиосигнал или телевизионный сигнал, по аналоговому полосе пропускания на другой частоте, например, в ограниченной полосе радиочастот или канале сети кабельного телевидения. Цель цифровая модуляция передать цифровой битовый поток через аналоговый канал связи, например, над телефонная сеть общего пользования (где полосовой фильтр ограничивает частотный диапазон до 300–3400 Гц) или в ограниченном диапазоне радиочастот. Аналоговая и цифровая модуляция упрощают мультиплексирование с частотным разделением (FDM), при котором несколько информационных сигналов нижних частот передаются одновременно по одной и той же общей физической среде с использованием отдельных каналов полосы пропускания (несколько разных несущих частот).

Цель цифровая модуляция основной полосы частот методы, также известные как линейное кодирование, заключается в передаче цифрового битового потока по каналу основной полосы частот, обычно нефильтрованному медному проводу, например последовательная шина или проводной локальная сеть.

Цель импульсная модуляция методы заключается в передаче узкополосный аналоговый сигнал, например, телефонный звонок по широкополосный канал основной полосы частот или, в некоторых схемах, как поток битов поверх другого цифровая передача система.

Методы аналоговой модуляции

Низкочастотный сигнал сообщения (вверху) может передаваться с помощью радиоволн AM или FM.
Сюжет водопада несущей частоты 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. В индекс модуляции был установлен примерно на 2,4, поэтому несущая частота имеет небольшую амплитуду. Видны несколько сильных боковых полос; в принципе в FM создается бесконечное количество полос, но боковые полосы более высокого порядка имеют незначительную величину.

В аналог модуляция, модуляция применяется непрерывно в ответ на аналоговый информационный сигнал. Общие 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 и соответствующее демодуляция или обнаружение как аналого-цифровое преобразование. Изменения несущего сигнала выбираются из конечного числа M альтернативных символов ( алфавит модуляции).

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

Простой пример: Телефонная линия предназначена для передачи звуковых сигналов, 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 битовую последовательность 00, второй 01, третий 10 и четвертый 11. Если модем играет мелодию, состоящую из 1000 тонов в секунду, символьная скорость составляет 1000 символов в секунду, или 1000 бод. Поскольку каждый тональный сигнал (т.е. символ) представляет собой сообщение, состоящее из двух цифровых битов в этом примере, битрейт вдвое больше символьной скорости, то есть 2000 бит в секунду.

Согласно одному определению цифровой сигнал,[2] Модулированный сигнал представляет собой цифровой сигнал. Согласно другому определению, модуляция - это форма цифро-аналоговое преобразование. В большинстве учебников схемы цифровой модуляции рассматриваются как форма цифровая передача, синоним передача данных; очень немногие сочли бы это аналоговая передача.

Основные методы цифровой модуляции

Наиболее фундаментальные методы цифровой модуляции основаны на ввод:

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. Его можно рассматривать как двухканальную систему, каждый канал использует ASK. Результирующий сигнал эквивалентен комбинации PSK и ASK.

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

Если алфавит состоит из альтернативные символы, каждый символ представляет сообщение, состоящее из N биты. Если символьная скорость (также известный как скорость передачи ) является символов в секунду (или бод ), скорость передачи данных равна бит / сек.

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 диаграмма созвездия, показывающий амплитуду сигнала I по оси x и амплитуду сигнала Q по 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 я+jQ (куда j это мнимая единица ). В результате так называемого эквивалентный сигнал lowpass или же эквивалентный сигнал основной полосы частот комплекснозначное представление ценный модулированный физический сигнал (так называемый сигнал полосы пропускания или же RF сигнал ).

Это общие шаги, используемые модулятор для передачи данных:

  1. Сгруппируйте входящие биты данных в кодовые слова, по одному для каждого символа, который будет передан.
  2. Сопоставьте кодовые слова с атрибутами, например, амплитудами сигналов I и Q (эквивалентный сигнал нижних частот) или значениями частоты или фазы.
  3. Адаптировать формирование импульса или некоторая другая фильтрация для ограничения полосы пропускания и формирования спектра 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 цифровая обработка сигналов, DSP).
  5. Сгенерируйте высокочастотный синусоидальный сигнал несущей и, возможно, также квадратурную составляющую 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 же RF сигнал. Иногда это достигается с помощью технологии DSP, например прямой цифровой синтез используя таблица форм сигналов, вместо обработки аналогового сигнала. В этом случае вышеуказанный 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 затухание, Например угасание ).
  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. супергетеродинный приемник принцип).
  4. Выборка и аналого-цифровое преобразование (АЦП) (иногда до или вместо указанной выше точки, например, с помощью недостаточная выборка ).
  5. Фильтрация выравнивания, например, согласованный фильтр, компенсация многолучевого распространения, расширения по времени, фазовых искажений и частотно-избирательного замирания, чтобы избежать межсимвольная интерференция и искажение символа.
  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 полученный битовый поток для дальнейшей обработки, такой как удаление любых кодов с исправлением ошибок.

Как и во всех цифровых системах связи, проектирование модулятора и демодулятора должно выполняться одновременно. Возможны схемы цифровой модуляции, потому что 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 сигнала приемника синхронизации, который является фаза синхронизирована с отправителем несущий сигнал. В этом случае символы модуляции (а не биты, символы или пакеты данных) асинхронно переведен. Напротив синхронная модуляция.

Список распространенных методов цифровой модуляции

Наиболее распространенными методами цифровой модуляции являются:

МСК и ГМСК являются частными случаями непрерывной фазовой модуляции. Действительно, MSK - это частный случай подсемейства CPM, известного как частотная манипуляция с непрерывной фазой (CPFSK), который определяется прямоугольным частотным импульсом (т. Е. Линейно возрастающим фазовым импульсом) длительностью один символ (сигнализация полного отклика).

OFDM основан на идее мультиплексирование 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 для формирования сигнала 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 можно расширить до многопользовательского метод доступа к каналу в множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) и множественный доступ с кодовым разделением каналов на нескольких несущих (MC-CDMA) схемы, позволяющие нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же физическую среду, предоставляя разные поднесущие или коды распространения разным пользователям.

Из двух видов Усилитель мощности RF, коммутирующие усилители (Усилители класса D ) стоят меньше и потребляют меньше энергии аккумулятора, чем линейные усилители такой 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 не подходят для обычных групп 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)

Автоматическое распознавание цифровой модуляции в интеллектуальных системах связи является одним из важнейших вопросов в программно определяемое радио и когнитивное радио. По мере увеличения количества интеллектуальных приемников автоматическое распознавание модуляции становится сложной задачей 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 определяемое 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.[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 меняющимися 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

Основная статья: Код строки

Период, термин цифровая модуляция основной полосы частот (или цифровая передача в основной полосе частот) является синонимом линейные коды. Это методы передачи цифрового битового потока через аналоговый основная полоса канал (a.k.a. НЧ канал) с использованием последовательности импульсов, то есть дискретного количества уровней сигнала, путем прямой модуляции напряжения или тока на кабеле или последовательной шине. Общие примеры: униполярный, невозврат к нулю (NRZ), Манчестер и инверсия альтернативных знаков (AMI) кодировки.[5]

Методы импульсной модуляции

Схемы импульсной модуляции нацелены на передачу узкополосного аналогового сигнала по аналоговому каналу основной полосы частот как двухуровневого сигнала путем модуляции пульсовая волна. 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 данных, которая может передаваться через базовую систему цифровой передачи, например, некоторые линейный код. Это не схемы модуляции в обычном понимании, поскольку они не кодирование каналов схем, но их следует рассматривать как исходное кодирование схемы, а в некоторых случаях методы аналого-цифрового преобразования.

Аналоговые методы над аналоговыми

Аналоговые методы над цифровыми

Разные методы модуляции

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Rory PQ (8 мая 2019 г.). «Что такое модуляция и как она улучшает вашу музыку». Икона Коллектив. Получено 23 августа, 2020.
  2. ^ "Методы модуляции | Основы электроники | ROHM". www.rohm.com. Получено 2020-05-15.
  3. ^ Валипур, М. Хади; Хомаюнпур, М. Мехди; Мералян, М. Амин (2012). «Автоматическое распознавание цифровой модуляции при наличии шума с использованием SVM и PSO». 6-й Международный симпозиум по телекоммуникациям (IST). С. 378–382. Дои:10.1109 / ISTEL.2012.6483016. ISBN  978-1-4673-2073-3. S2CID  9456048.
  4. ^ Добре, Октавия А., Али Абди, Йехескель Бар-Несс и Вей Су. Связь, ИЭПП 1, вып. 2 (2007): 137–156. (2007). «Обзор методик классификации автоматической модуляции: классические подходы и новые тенденции» (PDF). IET Communications. 1 (2): 137–156. Дои:10.1049 / iet-com: 20050176.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Ке-Лин Ду и М. Н. С. Свами (2010). Системы беспроводной связи: от подсистем RF до технологий 4G. Издательство Кембриджского университета. п. 188. ISBN  978-0-521-11403-5.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка