Digitalna modulacija: Amplituda i frekvencija

Modulacija radio frekvencije

Iako se temelje na istim konceptima, digitalni modulacijski valovi izgledaju sasvim drugačije od njihovih analognih kolega.

Iako je daleko od izumrlog, analogna modulacija jednostavno je nespojiva s digitalnim svijetom. 

Više se ne fokusiramo na premještanje analognih valnih oblika s jednog mjesta na drugo. Umjesto toga, želimo premjestiti podatke: bežično umrežavanje, digitalizirani audio signali, senzorska mjerenja i tako dalje. Za prijenos digitalnih podataka koristimo digitalnu modulaciju.

Moramo biti oprezni s ovom terminologijom. "Analogni" i "digitalni" u ovom se kontekstu odnose na vrstu informacija koje se prenose, a ne na osnovne karakteristike stvarnih prenesenih valnih oblika. 

I analogna i digitalna modulacija koriste glatko različite signale; Razlika je u tome što je analogno-modulirani signal demoduliran u analogni valni oblik opsega, dok se digitalno moduliran signal sastoji od diskretnih modulacijskih jedinica, nazvanih simboli, koje se interpretiraju kao digitalni podaci.

Postoje analogne i digitalne verzije tri vrste modulacije. Počnimo s amplitudom i učestalošću.

Digitalna amplitudna modulacija
Ova vrsta modulacije naziva se tipkom pomicanja amplitude (ASK). Najosnovniji slučaj je "uključeno isključivanje" (OOK) i gotovo izravno odgovara matematičkom odnosu o kojem se govori na stranici [[analogna amplitudna modulacija]]: Ako digitalni signal koristimo kao bazni valni oblik, množeći se osnovni pojas i nosač rezultiraju moduliranim valnim oblikom koji je normalan za logiku visok, a "isključen" za nisko logiku. Logično velika amplituda odgovara indeksu modulacije.

Vremenska domena
Sljedeća shema prikazuje OOK generiran korištenjem nosača od 10 MHz i signala digitalnog takta od 1 MHz. Ovdje djelujemo u matematičkom carstvu, tako da je logično visoka amplituda (i amplituda nosača) jednostavno bezdimenzijska "1"; u stvarnom krugu možda imate 1 V nosač valnog oblika i 3.3 V logički signal.

Možda ste primijetili jednu nedosljednost između ovog primjera i matematičkog odnosa raspravljenog na stranici [[Amplitude Modulacija]]: nismo prebacili signal opsega. Ako se bavite tipičnim digitalnim valnim oblikom spajanim na istosmjernu struju, nije potrebno pomicanje prema gore jer signal ostaje u pozitivnom dijelu osi y.

Frekvencijska domena
Evo odgovarajućeg spektra:




Usporedite ovo s spektrom za amplitudnu modulaciju sa sinusnim valom od 1 MHz:




Većina spektra je ista - šiljak na frekvenciji nosača (fC) i šiljak na fC plus osnovna frekvencija i fC minus osnovna frekvencija. 

Međutim, ASK spektar također ima manje šiljke koji odgovaraju 3. i 5. harmoniki: Temeljna frekvencija (fF) je 1 MHz, što znači da je 3. harmonika (f3) 3 MHz, a 5. harmonika (f5) 5 MHz , Dakle, imamo šiljke na fC plus / minus fF, f3 i f5. I zapravo, ako biste proširili zaplet, vidjeli biste da se šiljci nastavljaju prema ovom obrascu.

Ovo ima savršen smisao. Fourierova transformacija kvadratnog vala sastoji se od sinusnog vala na osnovnoj frekvenciji zajedno s sinusnim valovima opadajuće amplitude na neparnim harmonikama, a taj je harmonični sadržaj ono što vidimo u gornjem spektru.

Ova rasprava vodi nas do važne praktične točke: nagli prijelazi povezani sa shemama digitalne modulacije proizvode (nepoželjne) sadržaje više frekvencije. To moramo imati na umu kada uzmemo u obzir stvarnu širinu pojasa moduliranog signala i prisutnost frekvencija koje bi mogle ometati ostale uređaje.

Digitalna frekvencijska modulacija
Ova vrsta modulacije naziva se frekvencijsko pomicanje tipki (FSK). U naše svrhe nije potrebno uzeti u obzir matematički izraz FSK; radije možemo jednostavno odrediti da ćemo imati frekvenciju f1 kada su podaci o opsegu logički 0, a frekvencija f2 kada su podaci o osnovnom pojasu logika 1.

Vremenska domena
Jedna metoda generiranja valnog oblika spremnog za prijenos FSK je prvo stvoriti analogni bazni signal koji se prebacuje između f1 i f2 prema digitalnim podacima. Evo primjera oblika valnog opsega FSK s f1 = 1 kHz i f2 = 3 kHz. Da bismo osigurali da je simbol jednak trajanju za logiku 0 i logiku 1, koristimo jedan ciklus od 1 kHz i tri ciklusa od 3 kHz.

Oblik valnog opsega tada se pomiče (pomoću miksera) do frekvencije nosača i prenosi. Ovaj je pristup posebno koristan u softversko definiranim radio sustavima: analogni valni oblik opsega je niskofrekventni signal i stoga ga se može generirati matematički i zatim DAC uvesti u analogno područje. Upotreba DAC-a za stvaranje visokofrekventnog signala bila bi mnogo teža.

Koncepcijski jednostavniji način implementacije FSK-a je jednostavno imati dva nosača signala s različitim frekvencijama (f1 i f2); jedan ili drugi se preusmjerava na izlaz ovisno o logičkoj razini binarnih podataka. 

Rezultat je konačni preneseni valni oblik koji se naglo prebacuje između dvije frekvencije, slično kao gornji valni oblik FSK gornjeg opsega, osim što je razlika između dvije frekvencije mnogo manja u odnosu na prosječnu frekvenciju. Drugim riječima, ako gledate grafikon vremenske domene, bilo bi teško vizualno razlikovati f1 odjeljke od f2 odjeljaka jer je razlika između f1 i f2 samo mali dio f1 (ili f2).

Frekvencijska domena
Pogledajmo učinke FSK-a u frekvencijskoj domeni. Koristit ćemo našu istu 10 MHz nosivu frekvenciju (ili prosječnu nosivu frekvenciju u ovom slučaju), a upotrijebit ćemo ± 1 MHz kao odstupanje. (To je nerealno, ali pogodno za naše trenutne svrhe.) Dakle, odašiljani signal će biti 9 MHz za logiku 0 i 11 MHz za logiku 1. Ovdje je spektar:

Imajte na umu da na "nosačkoj frekvenciji" nema energije. To ne čudi s obzirom da modulirani signal nikada nije na 10 MHz. Uvijek je na 10 MHz minus 1 MHz ili 10 MHz plus 1 MHz, a upravo tu vidimo dva dominantna šiljaka: 9 MHz i 11 MHz.

Ali što je s ostalim frekvencijama prisutnima u ovom spektru? Pa, FSK spektralna analiza nije osobito jednostavna. Znamo da će biti dodatna Fourierova energija povezana s naglim prijelazima između frekvencija. 

Ispada da FSK rezultira sinc-funkcijskim tipom spektra za svaku frekvenciju, tj. Jedan je usredotočen na f1, a drugi u f2. One se odnose na dodatne frekvencije uboda koji su vidljivi na obje strane dvaju dominantnih šiljaka.

rezime
* Digitalna amplitudna modulacija uključuje promjenu amplitude prijenosnog vala u diskretnim odjeljcima prema binarnim podacima.

* Najjednostavniji pristup digitalnoj amplitudnoj modulaciji je isključivanje.

* S digitalnom modulacijom frekvencije, frekvencija nosača ili osnovnog pojasa varira u zasebnim odjeljcima prema binarnim podacima.

* Usporedimo li digitalnu modulaciju s analognom modulacijom, vidimo da nagli prijelazi stvoreni digitalnom modulacijom rezultiraju dodatnom energijom na frekvencijama udaljenim od nositelja.

Ostavite poruku 

Lista Poruka