Цифрова модулация: амплитуда и честота

Радиочестотна модулация

Макар и базирани на едни и същи концепции, цифровите модулационни вълни изглеждат доста по-различно от техните аналогови колеги.

Макар и далеч от изчезнала, аналоговата модулация е просто несъвместима с дигиталния свят. 

Вече не фокусираме усилията си върху преместване на аналогови форми на вълната от едно място на друго. По-скоро искаме да преместим данни: безжична мрежа, цифровизирани аудио сигнали, измервания на сензори и т.н. За прехвърляне на цифрови данни използваме цифрова модулация.

Трябва да сме внимателни с тази терминология. „Аналогов“ и „цифров“ в този контекст се отнасят до вида на предаваната информация, а не до основните характеристики на действително предаваните вълнови форми. 

И аналоговата, и цифровата модулация използват плавно вариращи сигнали; разликата е, че аналогово модулиран сигнал се демодулира в аналогова основна вълнова форма, докато цифрово модулиран сигнал се състои от дискретни модулационни единици, наречени символи, които се интерпретират като цифрови данни.

Има аналогови и цифрови версии на трите типа модулация. Нека започнем с амплитуда и честота.

Цифрова амплитудна модулация
Този тип модулация се нарича амплитудно клавишно изместване (ASK). Най-основният случай е „включване-изключване“ (OOK) и съответства почти директно на математическото отношение, обсъдено в страницата, посветена на [[аналогова амплитудна модулация]]: Ако използваме цифров сигнал като основна вълнова форма, умножаваща се базовата лента и носачът водят до модулирана форма на вълната, която е нормална за логиката висока и „изключена“ за ниско логика. Логично високата амплитуда съответства на индекса на модулация.

Домейн във времето
Следващият график показва OOK, генериран с използване на 10 MHz носител и 1 MHz цифров часовник сигнал. Ние оперираме в математическата област тук, така че амплитудата с висока логика (и амплитудата на носителя) е просто безразмерна „1”; в реална верига може да имате 1 V носеща форма на вълната и 3.3 V логически сигнал.

Може би сте забелязали едно несъответствие между този пример и математическото отношение, обсъдено на страницата [[Модулация на амплитудата]]: не сме изместили сигнала на основната лента. Ако имате работа с типична цифрова форма на вълна, свързана с DC, не е необходимо изместване нагоре, тъй като сигналът остава в положителната част на оста y.

Честотен домейн
Ето съответния спектър:




Сравнете това със спектъра за амплитудна модулация с 1 MHz синусова вълна:




По-голямата част от спектъра е същият - шип при носещата честота (fC) и шип при fC плюс честотната лента и fC минус честотата на основната лента. 

Въпреки това, ASK спектърът има и по-малки шипове, които съответстват на 3-тата и 5-тата хармоника: Основната честота (fF) е 1 MHz, което означава, че 3-тата хармоника (f3) е 3 MHz, а 5-тата хармоника (f5) е 5 MHz , Така че имаме шипове при fC плюс / минус fF, f3 и f5. И всъщност, ако разширите сюжета, щяхте да видите, че шиповете продължават според този модел.

Това има идеален смисъл. Трансформацията на Фурие на квадратна вълна се състои от синусоидална вълна с основна честота заедно с намаляваща амплитудна синусоида при нечетни хармоници и това хармонично съдържание е това, което виждаме в показания по-горе спектър.

Тази дискусия ни води до важен практически момент: резките преходи, свързани с схемите за цифрова модулация, произвеждат (нежелателно) съдържание с по-висока честота. Трябва да имаме това предвид, когато вземем предвид действителната широчина на честотната лента на модулирания сигнал и наличието на честоти, които биха могли да пречат на други устройства.

Цифрова модулация на честотата
Този тип модулация се нарича клавиатура с изместване на честотата (FSK). За нашите цели не е необходимо да се разглежда математически израз на FSK; по-скоро можем просто да определим, че ще имаме честота f1, когато данните за основната лента са логика 0 и честота f2, когато данните за базовата лента са логика 1.

Домейн във времето
Един от методите за генериране на сигнала FSK за готовност за предаване е първо да се създаде аналогов базов сигнал, който превключва между f1 и f2 според цифровите данни. Ето пример за форма на вълна на основата на FSK с f1 = 1 kHz и f2 = 3 kHz. За да гарантираме, че символът е еднакъв за продължителността на логиката 0 и логиката 1, използваме един цикъл от 1 kHz и три цикъла от 3 kHz.

След това основната вълнова форма се измества (използвайки миксер) до носещата честота и се предава. Този подход е особено удобен в софтуерно дефинираните радиосистеми: аналоговата базова вълна е нискочестотен сигнал и по този начин може да се генерира математически, след това да се въведе в аналоговата област от ЦАП. Използването на ЦАП за създаване на високочестотен предаван сигнал би било много по-трудно.

По-концептуално по-лесен начин за изпълнение на FSK е просто да има два носещи сигнала с различни честоти (f1 и f2); едното или другото се пренасочва към изхода в зависимост от логическото ниво на двоичните данни. 

Това води до окончателна предавана форма на вълната, която рязко се превключва между две честоти, подобно на основната честотна вълна FSK по-горе, освен че разликата между двете честоти е много по-малка спрямо средната честота. С други думи, ако разглеждате график във времева област, би било трудно визуално да разграничите f1 секциите от f2 секциите, защото разликата между f1 и f2 е само малка част от f1 (или f2).

Честотен домейн
Нека да разгледаме ефектите на FSK в честотната област. Ще използваме същата ни 10 MHz носеща честота (или средна носеща честота в този случай) и ще използваме ± 1 MHz като отклонение. (Това е нереалистично, но удобно за настоящите ни цели.) Така че предаваният сигнал ще бъде 9 MHz за логика 0 и 11 MHz за логика 1. Ето го спектърът:

Обърнете внимание, че няма енергия на „носещата честота“. Това не е изненадващо, като се има предвид, че модулираният сигнал никога не е на 10 MHz. Винаги е на 10 MHz минус 1 MHz или 10 MHz плюс 1 MHz и точно там виждаме двата доминиращи шипа: 9 MHz и 11 MHz.

Но какво ще кажете за другите честоти, присъстващи в този спектър? Е, спектралният анализ на FSK не е особено лек. Знаем, че ще има допълнителна енергия на Фурие, свързана с резките преходи между честотите. 

Оказва се, че FSK води до синхронно функционален тип спектър за всяка честота, т.е. едната е центрирана на f1, а другата е центрирана на f2. Те представляват допълнителните честотни шипове, наблюдавани от двете страни на двата доминиращи шипа.

Oбобщение
* Цифровата амплитудна модулация включва промяна на амплитудата на носещата вълна в дискретни секции според бинарните данни.

* Най-прямият подход за цифрова амплитудна модулация е клавишът за изключване.

* При цифрова честотна модулация честотата на носещ или базов сигнал се променя в отделни секции според бинарните данни.

* Ако сравним цифровата модулация с аналоговата модулация, виждаме, че рязките преходи, създадени от цифровата модулация, водят до допълнителна енергия на честоти, по-отдалечени от носителя.

Остави съобщение 

Списък на ЛС