Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция
![]()
|
Беспроводная передача данных. |
Вид модулирующего сигнала: | |
аналоговый | ![]() |
| ![]() |
цифровой | ![]() |
Рис. 10.3. Виды модуляции и манипуляции
Способ передачи цифровых сигналов с помощью модуляции аналоговой несущей называется цифровой модуляцией или манипуляцией, и обозначается соответственно: АМН – амплитудная манипуляция, ЧМН – частотная манипуляция, ФМН – фазовая манипуляция.
Процесс извлечения информационного сообщения из модулированного сигнала – демодуляция.
Амплитудная, частотная и фазовая манипуляция. Простейшим методом цифровой модуляции является амплитудная манипуляция – АМН (анг. Amplitude Shift Keying – ASK), при которой двоичный информационный сигнал непосредственно модулирует аналоговую несущую. АМН аналогична обычной амплитудной модуляции, за исключением того, что при АМН возможны только два значения амплитуды на выходе (высокий и низкий уровень сигнала). Иногда амплитудную манипуляцию называют цифровой амплитудной модуляцией – ЦАМ (анг. Digital Amplitude Modulation – DAM). Выражение для амплитудной манипуляции имеет вид
![](325043_html_dadc59c9de12c1ce.gif)
где
![](325043_html_1ed07eaf2afe4532.gif)
![](325043_html_7a4171765db03972.gif)
А – амплитуда немодулированного несущего сигнала, В;
![](325043_html_55810f4ab240d569.gif)
В выражении ( 10 .1) модулирующий сигнал
![](325043_html_7a4171765db03972.gif)
–1Всоответствует логическому 0. Поэтому при логической 1 на входе
![](325043_html_807019d8065998b2.gif)
![](325043_html_42f51a89b25248c7.gif)
а при логическом 0 на входе
![](325043_html_3a6961d913295f6f.gif)
![](325043_html_3cc0ac86c10ada00.gif)
Таким образом, модулированный сигнал
![](325043_html_1ed07eaf2afe4532.gif)
![](325043_html_a9859950355011a7.gif)
На рис. 10 .4 показана форма сигнала на входе и выходе модулятора АМН. Из рисунка видно, что каждому изменению во входном потоке двоичных данных соответствует одно изменение в форме сигнала АМН, и длительность одного бита равна длительности одного аналогового сигнального элемента. Важно заметить, что пока двоичный сигнал на входе имеет высокий уровень, сигнал на выходе – постоянной амплитуды и частоты. При низком уровне сигнала на входе несущая частота выключена.
![](325043_html_c60945c14588737.gif)
Рис. 10.4. Сигнал на входе и выходе модулятора АМН
Использование амплитудно-модулированной аналоговой несущей для передачи цифровой информации является относительно низкокачественным, дешевым типом цифровой модуляции. Поэтому такая модуляция применяется редко и исключительно для низкоскоростных каналов связи.
Также помимо рассмотренного вида амплитудной цифровой модуляции, когда логическая 1 представлена наличием несущей, а логический 0 – ее отсутствием, возможны варианты АМН, когда логическая 1 представляется более высоким уровнем сигнала, чем логический 0, например(рис. 10 .5):
Логическая 1 = 1 В;
Логический 0 = 0,5 В.
![](325043_html_367169ffbdab8864.gif)
Рис. 10.5. Пример амплитудной манипуляции
Частотная манипуляция – ЧМН (англ. Frequency Shift Keying – FSK) это еще один относительно простой малопроизводительный тип цифровой модуляции, а также форма угловой модуляции с постоянной амплитудой, аналогичная стандартной частотной модуляции ЧМ, за исключением того, что модулирующий сигнал является двоичным и изменяется между двумя дискретными уровнями напряжения, а не непрерывно, как аналоговый сигнал. Поэтому иногда ЧМН называют двоичной (бинарной) ЧМН (англ. Binary Frequency Shift Keying – BFSK). Общее выражение для ЧМН имеет следующий вид
![](325043_html_a1d9e194ea21cae2.gif)
где
![](325043_html_985c0b603439e20.gif)
![](325043_html_ef8564b2b00ea120.gif)
![](325043_html_33cf654919b58a98.gif)
![](325043_html_bb0def4d5e3a3345.gif)
![](325043_html_7a4171765db03972.gif)
Из уравнения ( 10 .2) видно, что максимальный сдвиг несущей частоты
![](325043_html_bb0def4d5e3a3345.gif)
![](325043_html_7a4171765db03972.gif)
![](325043_html_807019d8065998b2.gif)
![](325043_html_d39721a1efd8f048.gif)
Если на входе логический 0, то
![](325043_html_3a6961d913295f6f.gif)
![](325043_html_e53ff750e8ef6e17.gif)
Как показано на рис. 10 .6, при ЧМН средняя частота
![](325043_html_33cf654919b58a98.gif)
![](325043_html_7baa05854cc0b5bc.gif)
![](325043_html_e4757b7d9a9cfea.gif)
![](325043_html_bb0def4d5e3a3345.gif)
![](325043_html_dbd3ef4d3fb1afa7.gif)
Девиация частоты при ЧМН определяется как разность между частотой пробела или знака и несущей частотой или как половина разности частот знака и пробела. Отклонение частоты выражается математически как
![](325043_html_b69336669e6a27e6.gif)
![](325043_html_8a81c84e70593e79.gif)
Рис. 10.6. Представление ЧМН-сигнала в частотной области
На рис. 10 .7, а показан двоичный сигнал на выходе модулятора ЧМН во временной области. Как видно, при изменении двоичного сигнала на входе частота ЧМН-сигнала на выходе смещается от значения знака
![](325043_html_7baa05854cc0b5bc.gif)
![](325043_html_e4757b7d9a9cfea.gif)
![](325043_html_43030e45269d4c23.gif)
а
Входной сигнал | Выходной сигнал |
0 | ![]() |
1 | ![]() |
б
Рис. 10.7. Сигнал ЧМН во временной области (а) и таблица истинности (б)
Как видно из рисунка, при смене значения с логической 1 на логический 0 или наоборот происходит скачок фазы сигнала на выходе ЧМН. Такого недостатка лишена частотная манипуляция с непрерывной фазой ЧМН-НФ
(англ. ContinuousPhaseFrequencyShiftKeying – CP-FSK). Отличительной особенность ЧМН-НФ является синхронизация выходного сигнала со скоростью входного потока бит, частоты знака
![](325043_html_7baa05854cc0b5bc.gif)
![](325043_html_e4757b7d9a9cfea.gif)
При использовании ЧМН-НФ вместо обычной ЧМН, снижается вероятность битовых ошибок в процессе передачи сигнала. Основной недостаток ЧМН-НФ заключается в том, что при такой модуляции требуется специальная схема синхронизации.
![](325043_html_3e61ce59accdcbeb.gif)
Рис. 10.8. Сигнал ЧМН-НФ во временной области
Схема передатчика и приемника ЧМН. На рис. 10 .9 показана упрощенная схема модулятора (передатчика) ЧМН на основе генератора, управляемого напряжением (ГУН). Средняя частота
![](325043_html_e4757b7d9a9cfea.gif)
![](325043_html_7baa05854cc0b5bc.gif)
![](325043_html_e4757b7d9a9cfea.gif)
![](325043_html_bb0def4d5e3a3345.gif)
![](325043_html_c941949e8ac0c848.gif)
Рис. 10.9. Упрощенная схема передатчика ЧМН
Демодуляция ЧМН сигнала довольна проста, упрощенная схема приемника (демодулятора) представлена на рис. 10 .10. Входной сигнал ЧМН через делитель мощности одновременно подается на входы двух полосовых фильтров (ПФ), каждый из которых пропускает только частоту знака
![](325043_html_7baa05854cc0b5bc.gif)
![](325043_html_e4757b7d9a9cfea.gif)
![](325043_html_a0d2969f90a19d0b.gif)
Рис. 10.10. Упрощенная схема приемника ЧМН
Фазовая манипуляция – ФМН (англ. Phase-Shift Keying – PSK) представляет еще один вид угловой модуляции с постоянной амплитудой. Она аналогична обычной фазовой модуляции, за исключением того, что при ФМН на вход модулятора поступает двоичный цифровой сигнал, а число возможных фаз на выходе ограничено. Перед модуляцией несущего сигнала входная двоичная информация кодируется по группам бит. Количество возможных выходных состояний определяется уравнением
![](325043_html_215847e604f695da.gif)
где N – количество бит в группе, M – количество возможных выходных состояний.
Простейшая форма ФМН – это двоичная фазовая манипуляция ДФМН или ФМ2 (англ. BinaryPhaseShiftKeying – BPSK), при
![](325043_html_b8e396990cff1c2e.gif)
![](325043_html_b73ed06be26be99f.gif)
![](325043_html_3af8e4244c27783c.gif)
Рис. 10.11. Сигнал ФМ2 во временной области
Аналогичным образом можно получить более сложные формы фазовой манипуляции: квадратурная фазовая манипуляция (англ. Quadrature Phase Shift Keying – QPSK) или ФМ4; восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK) или ФМ8 и другие формы более высокого порядка. Общим для них будет принцип группировки выходных бит
![](325043_html_215847e604f695da.gif)
Для удобства сигнал ФМН можно представить в виде двухмерной точечной диаграммы на комплексной плоскости, точками на которой являются все возможные варианты выходного сигнала, представленные в геометрической форме. Иногда такие диаграммы называют сигнальными созвездиями
(рис. 10 .12).
![](325043_html_4233eff479a70455.gif)
Рис. 10.12. Сигнальные созвездия ФМ2, ФМ4 и ФМ8
Таким образом, на диаграмме отмечаются все значения, которые может принимать двоичный сигнал на выходе для выбранной схемы манипуляции как точки на комплексной плоскости.