Digitaalinen modulaatio: Amplitudi ja taajuus

Radiotaajuusmodulointi

Vaikka digitaalimodulaatioaaltomuodot perustuvat samoihin käsitteisiin, ne näyttävät aivan erilaisilta kuin analogiset vastineensa.

Vaikka analoginen modulaatio on kaukana sukupuutosta, se ei yksinkertaisesti ole yhteensopiva digitaalisen maailman kanssa. 

Emme enää keskitä pyrkimyksiämme siirtää analogisia aaltomuotoja paikasta toiseen. Pikemminkin haluamme siirtää dataa: langaton verkko, digitalisoidut audiosignaalit, anturimittaukset ja niin edelleen. Digitaalisen datan siirtämiseksi käytämme digitaalista modulaatiota.

Meidän on kuitenkin oltava varovaisia ​​tämän terminologian suhteen. ”Analoginen” ja “digitaalinen” tarkoittavat tässä yhteydessä siirrettävän tiedon tyyppiä, ei todellisten lähetettyjen aaltomuotojen perusominaisuuksia. 

Sekä analoginen että digitaalinen modulaatio käyttävät sujuvasti vaihtelevia signaaleja; ero on siinä, että analogisesti moduloitu signaali demoduloidaan analogiseksi kantataajuuskaistan aaltomuotoksi, kun taas digitaalisesti moduloitu signaali koostuu erillisistä modulaatioyksiköistä, joita kutsutaan symboleiksi, jotka tulkitaan digitaaliseksi datana.

Kolmesta modulaatiotyypistä on olemassa analogisia ja digitaalisia versioita. Aloitetaan amplitudilla ja taajuudella.

Digitaalinen amplitudimodulointi
Tämän tyyppiseen modulaatioon viitataan amplitudinsiirtoavaimena (ASK). Alkeisin tapaus on “on-off-näppäily” (OOK), ja se vastaa melkein suoraan matemaattisia suhteita, joita on käsitelty sivulla, joka on tarkoitettu [[analoginen amplitudimodulaatio]]: Jos käytämme digitaalista signaalia kantataajuuden aaltomuodona, kertomalla kantakaista ja kantoaalto tuottavat moduloidun aaltomuodon, joka on normaali logiikan ollessa korkea ja “pois” logiikan alhainen. Loogisesti korkea amplitudi vastaa modulaatioindeksiä.

Aika-alue
Seuraava kuvaaja osoittaa OOK: n, joka on generoitu käyttämällä 10 MHz: n kantoaaltoa ja 1 MHz: n digitaalista kellosignaalia. Toimimme matemaattisessa valtakunnassa, joten loogisesti korkea amplitudi (ja kantoaallon amplitudi) on yksinkertaisesti ulottumaton “1”; todellisessa piirissä voi olla 1 V: n kantoaallon muoto ja 3.3 V: n looginen signaali.

Olet ehkä huomannut yhden epäjohdonmukaisuuden tämän esimerkin ja [[Amplitudimodulaatio]] -sivulla käsitellyn matemaattisen suhteen välillä: emme siirtäneet kantataajuussignaalia. Jos kyseessä on tyypillinen DC-kytketty digitaalinen aaltomuoto, siirtymistä ylöspäin ei tarvita, koska signaali pysyy y-akselin positiivisessa osassa.

Taajuusalueella
Tässä on vastaava spektri:




Vertaa tätä amplitudimoduloinnin spektriin 1 MHz: n siniaalolla:




Suurin osa spektristä on sama - piikki kantoaaltotaajuudella (fC) ja piikki fC: llä plus kantataajuuden taajuus ja fC miinus kantataajuuden taajuus. 

ASK-spektrissä on kuitenkin myös pienempiä piikkejä, jotka vastaavat 3. ja 5. harmonista: Perustaajuus (fF) on 1 MHz, mikä tarkoittaa, että kolmas harmoninen (f3) on 3 MHz ja 3. harmoninen (f5) on 5 MHz . Joten meillä on piikkejä fC plus / miinus fF, f5 ja f3. Ja itse asiassa, jos laajentaisit juontia, huomaat, että piikit jatkuvat tämän kuvion mukaisesti.

Tämä on täysin järkevää. Neliön aallon Fourier-muunnos koostuu siniaalosta perustaajuudella yhdessä pienentyneiden amplitudien siniaaltoilla parittomilla harmonisilla, ja tämä harmoninen sisältö on se, mitä näemme yllä esitetyssä spektrissä.

Tämä keskustelu johtaa meidät tärkeään käytännön kohtaan: digitaalisiin modulaatiojärjestelmiin liittyvät äkilliset muutokset tuottavat (ei-toivotun) korkeamman taajuuden sisällön. Meidän on pidettävä tämä mielessä, kun tarkastellaan moduloidun signaalin todellista kaistanleveyttä ja sellaisten taajuuksien läsnäoloa, jotka voivat häiritä muita laitteita.

Digitaalinen taajuusmodulointi
Tämän tyyppistä modulaatiota kutsutaan taajuussiirtoavaimeksi (FSK). Tarkoituksiamme varten ei ole tarpeen harkita FSK: n matemaattista ilmaisua; Sen sijaan voimme yksinkertaisesti määritellä, että meillä on taajuus f1, kun kantataajuustieto on logiikkaa 0, ja taajuus f2, kun kantataajuustieto on logiikkaa 1.

Aika-alue
Yksi menetelmä lähetysvalmiiden FSK-aaltomuotojen generoimiseksi on ensin luoda analoginen kantataajuussignaali, joka vaihtaa f1: n ja f2: n välillä digitaalisen datan mukaan. Tässä on esimerkki FSK: n kantataajuuskaistasta, jonka f1 = 1 kHz ja f2 = 3 kHz. Varmistaaksemme, että symboli on sama kesto logiikalle 0 ja logiikalle 1, käytämme yhtä 1 kHz: n jaksoa ja kolmea 3 kHz: n jaksoa.

Kantataajuuskaistan aaltomuoto siirretään sitten (sekoitinta käyttäen) kantoaaltotaajuuteen saakka ja lähetetään. Tämä lähestymistapa on erityisen kätevä ohjelmistojen määrittelemissä radiojärjestelmissä: analoginen kantataajuinen aaltomuoto on matalataajuinen signaali, ja siten se voidaan generoida matemaattisesti ja sitten viedä analogiseen maailmaan DAC: lla. DAC: n käyttäminen suurtaajuisen lähetetyn signaalin luomiseen olisi paljon vaikeampaa.

Käsitteellisemmin suoraviivainen tapa toteuttaa FSK on yksinkertaisesti kaksi kantoaaltosignaalia, joilla on eri taajuudet (f1 ja f2); toinen tai toinen ohjataan ulostuloon binäärisen datan loogisesta tasosta riippuen. 

Tämä johtaa lopulliseen lähetettyyn aaltomuotoon, joka vaihtuu äkillisesti kahden taajuuden välillä, aivan kuten yllä olevalla kantataajuisella FSK-aaltomuodolla paitsi, että ero kahden taajuuden välillä on paljon pienempi suhteessa keskitaajuuteen. Toisin sanoen, jos tarkastelit aika-alueen kuvaajaa, olisi vaikea erottaa f1-osia visuaalisesti f2-osioista, koska ero f1: n ja f2: n välillä on vain pieni osa f1: stä (tai f2: sta).

Taajuusalueella
Tarkastellaan FSK: n vaikutuksia taajuusalueella. Käytämme samaa 10 MHz: n kantoaaltotaajuutta (tai tässä tapauksessa keskimääräistä kantoaaltotaajuutta), ja käytämme poikkeamana ± 1 MHz. (Tämä on epärealistista, mutta sopivaa nykyisiin tarkoituksiin.) Joten lähetetty signaali on 9 MHz logiikalle 0 ja 11 MHz logiikalle 1. Tässä on spektri:

Huomaa, että kantoaaltotaajuudella ei ole energiaa. Tämä ei ole yllättävää, kun otetaan huomioon, että moduloitu signaali ei ole koskaan taajuudella 10 MHz. Se on aina joko 10 MHz miinus 1 MHz tai 10 MHz plus 1 MHz, ja juuri tässä näemme kaksi hallitsevaa piikkiä: 9 MHz ja 11 MHz.

Mutta entä muut taajuudet, jotka ovat tällä spektrillä? FSK-spektrianalyysi ei ole erityisen suoraviivaista. Tiedämme, että taajuuksien välisiin äkillisiin siirtymiin liittyy lisää Fourier-energiaa. 

Osoittautuu, että FSK johtaa sinc-funktiotyyppiseen spektriin kullekin taajuudelle, ts. Yksi on keskitetty f1: lle ja toinen f2: lle. Nämä muodostavat ylimääräiset taajuuspiikit, jotka nähdään kahden hallitsevan piikin molemmin puolin.

Yhteenveto
* Digitaalinen amplitudimodulaatio sisältää kantoaallon amplitudin muuttamisen erillisillä osioilla binaaridatan mukaan.

* Selkein tapa lähestyä digitaalista amplitudimodulaatiota on on-off-näppäin.

* Digitaalisella taajuuden moduloinnilla kantoaallon tai kantataajuuskaistan signaalin taajuutta muutetaan erillisissä osissa binaaridatan mukaan.

* Jos vertaamme digitaalista modulaatiota analogiseen modulaatioon, näemme, että digitaalisen modulaation luomat äkilliset muutokset johtavat lisäenergiaan kantoaallosta kauempana olevilla taajuuksilla.

Jätä viesti 

viestiluettelo