Digital modulation: Amplitude og frekvens

Radiofrekvensmodulation

Selvom de er baseret på de samme koncepter, ser digital-modulationsbølgeformer ganske forskellige ud fra deres analoge modstykker.

Selvom langt fra udryddet er analog modulation simpelthen uforenelig med en digital verden. 

Vi fokuserer ikke længere vores bestræbelser på at flytte analoge bølgeformer fra et sted til et andet. Snarere vil vi flytte data: trådløst netværk, digitaliserede lydsignaler, sensormålinger og så videre. For at overføre digitale data bruger vi digital modulation.

Vi skal dog være forsigtige med denne terminologi. "Analog" og "digital" i denne sammenhæng refererer til den type information, der overføres, ikke til de grundlæggende egenskaber for de faktiske transmitterede bølgeformer. 

Både analog og digital modulation bruger glat varierende signaler; forskellen er, at et analogmoduleret signal demoduleres til en analog basebandbølgeform, hvorimod et digitalt moduleret signal består af diskrete modulationsenheder, kaldet symboler, der fortolkes som digitale data.

Der er analoge og digitale versioner af de tre modulationstyper. Lad os starte med amplitude og frekvens.

Digital amplitude modulation
Denne type modulation kaldes amplitude shift keying (ASK). Det mest grundlæggende tilfælde er "on-off keying" (OOK), og det svarer næsten direkte til det matematiske forhold, der er diskuteret på siden dedikeret til [[analog amplitude modulation]]: Hvis vi bruger et digitalt signal som basisbølgeform, multipliceres basebåndet og bæreren resulterer i en moduleret bølgeform, der er normal for høj logik og "slukket" for lav logik. Den logiske-høje amplitude svarer til modulationsindekset.

Tidsdomæne
Følgende plot viser OOK genereret ved hjælp af en 10 MHz bærer og et 1 MHz digitalt kloksignal. Vi arbejder her i det matematiske område, så den logiske høje amplitude (og bæreamplituden) er simpelthen dimensionløs "1"; i et reelt kredsløb har du muligvis en 1 V bærebølgeform og et 3.3 V logisk signal.

Du har muligvis bemærket en inkonsekvens mellem dette eksempel og det matematiske forhold, der er diskuteret på siden [[Amplitude Modulation]]: vi ændrede ikke basebandsignalet. Hvis du har at gøre med en typisk DC-koblet digital bølgeform, er det ikke nødvendigt at skifte opad, fordi signalet forbliver i den positive del af y-aksen.

Frekvensdomæne
Her er det tilsvarende spektrum:




Sammenlign dette med spektret for amplitudemodulation med en 1 MHz sinusbølge:




Det meste af spektret er det samme - en spids ved bærefrekvensen (fC) og en spids ved fC plus basebåndfrekvensen og fC minus basebåndfrekvensen. 

ASK-spektret har dog også mindre spidser, der svarer til 3. og 5. harmoni: Den grundlæggende frekvens (fF) er 1 MHz, hvilket betyder, at den 3. harmoniske (f3) er 3 MHz, og den 5. harmoniske (f5) er 5 MHz . Så vi har pigge på fC plus / minus fF, f3 og f5. Og faktisk, hvis du skulle udvide komplottet, ville du se, at piggene fortsætter i henhold til dette mønster.

Dette giver perfekt mening. En Fourier-transformation af en kvadratbølge består af en sinusbølge ved den grundlæggende frekvens sammen med sinusbølger med faldende amplitude ved de ulige harmonier, og dette harmoniske indhold er det, vi ser i spektret vist ovenfor.

Denne diskussion fører os til et vigtigt praktisk punkt: pludselige overgange i forbindelse med digitale modulationsskemaer producerer (uønsket) højere frekvensindhold. Vi skal huske dette, når vi overvejer den faktiske båndbredde for det modulerede signal og tilstedeværelsen af ​​frekvenser, der kan forstyrre andre enheder.

Digital frekvensmodulation
Denne type modulation kaldes frekvensforskydningsnøgle (FSK). Til vores formål er det ikke nødvendigt at overveje et matematisk udtryk for FSK; snarere kan vi ganske enkelt specificere, at vi vil have frekvens f1, når basisbånddataene er logik 0 og frekvens f2, når basisbånddataene er logik 1.

Tidsdomæne
En metode til at generere den klar-til-transmission FSK-bølgeform er først at oprette et analogt baseband-signal, der skifter mellem f1 og f2 i henhold til de digitale data. Her er et eksempel på en FSK basebandbølgeform med f1 = 1 kHz og f2 = 3 kHz. For at sikre, at et symbol er den samme varighed for logik 0 og logik 1, bruger vi en 1 kHz cyklus og tre 3 kHz cyklusser.

Basebandbølgeformen skiftes derefter (ved hjælp af en mixer) op til bærefrekvensen og transmitteres. Denne fremgangsmåde er især praktisk i softwaredefinerede radiosystemer: den analoge basebandbølgeform er et lavfrekvenssignal, og det kan således genereres matematisk og derefter introduceres i det analoge område med en DAC. Brug af en DAC til at skabe det højfrekvente transmitterede signal ville være meget vanskeligere.

En mere konceptuelt ligefrem måde at implementere FSK er blot at have to bæresignaler med forskellige frekvenser (f1 og f2); det ene eller det andet dirigeres til output afhængigt af det logiske niveau for de binære data. 

Dette resulterer i en endelig transmitteret bølgeform, der skifter brat mellem to frekvenser, ligesom basisbåndets FSK-bølgeform ovenfor, bortset fra at forskellen mellem de to frekvenser er meget mindre i forhold til gennemsnitsfrekvensen. Med andre ord, hvis du kiggede på et tidsdomæne-plot, ville det være vanskeligt visuelt at differentiere f1-sektionerne fra f2-sektionerne, fordi forskellen mellem f1 og f2 kun er en lille brøkdel af f1 (eller f2).

Frekvensdomæne
Lad os se på virkningerne af FSK i frekvensområdet. Vi bruger vores samme 10 MHz bærefrekvens (eller gennemsnitlig bærefrekvens i dette tilfælde), og vi bruger ± 1 MHz som afvigelse. (Dette er urealistisk, men praktisk til vores aktuelle formål.) Så det transmitterede signal vil være 9 MHz for logik 0 og 11 MHz for logik 1. Her er spektret:

Bemærk, at der ikke er energi ved "bærefrekvensen." Dette er ikke overraskende, i betragtning af at det modulerede signal aldrig er på 10 MHz. Det er altid på enten 10 MHz minus 1 MHz eller 10 MHz plus 1 MHz, og det er netop her, vi ser de to dominerende pigge: 9 MHz og 11 MHz.

Men hvad med de andre frekvenser, der findes i dette spektrum? Nå, FSK-spektralanalyse er ikke særlig ligetil. Vi ved, at der vil være yderligere Fourier-energi forbundet med de pludselige overgange mellem frekvenser. 

Det viser sig, at FSK resulterer i en sinc-funktionstype spektrum for hver frekvens, dvs. at den ene er centreret på f1 og den anden er centreret på f2. Disse tegner sig for de ekstra frekvensspidser, der ses på hver side af de to dominerende pigge.

Resumé
* Digital amplitude-modulation involverer at variere amplituden af ​​en bærebølge i diskrete sektioner i henhold til binære data.

* Den mest ligefremme tilgang til digital amplitude-modulation er on-off-nøgle.

* Ved digital frekvensmodulering varieres en bærer eller et basebands signal frekvens i diskrete sektioner i henhold til binære data.

* Hvis vi sammenligner digital modulation med analog modulation, ser vi, at de pludselige overgange, der er oprettet ved digital modulation, resulterer i yderligere energi ved frekvenser længere fra bæreren.

Læg en besked 

Message List