Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция

• Название: Беспроводная передача данных. Цифровая модуляция
• Дата: 06.01.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: 11212609_Lekzia_keying.docx
• Тип: Документы; #325043

1. Беспроводная передача данных.
   Цифровая модуляция.

План:

1. Принципы беспроводной передачи данных.

2. Цифровая модуляция.

3. Амплитудная, частотная и фазовая манипуляция.

1. Принципы беспроводной передачи данных. Упрощенная схема беспроводной передачи данных представлена на рис. 10 .1.

Рис. 10.1. Упрощенная схема беспроводной передачи данных

Аналоговый или цифровой низкочастотный сигнал поступает на вход передатчика в виде электромагнитного колебания (тока или напряжения), где он модулируется с помощью высокочастотного несущего сигнала, усиливается, затем с помощью антенны преобразуется в электромагнитную волну (радиоволну) и излучается в пространстве. На стороне приемника происходит обратное преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал, с помощью демодулятора выделяется полезный информационный сигнал и передается получателю информации.

2. Цифровая модуляция. В большинстве случаев информационные сигналы непрактично или невозможно передавать в их исходном виде по стандартным беспроводным передающим средам, поэтому часто в качестве передающего сигнала используется высокочастотный аналоговый сигнал, называемый несущей, который модулируется информационным сигналом.

Модуляция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).



Рис. 10.2. Пример модуляции

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Таким образом, модуляция представляет собой процесс наложения информационного колебания поверх заведомо известной несущей с целью получения нового, модулированного сигнала (рис. 10 .2).

В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают: амплитудную модуляцию (АМ), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ), (рис. 10 .3).

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.

3. 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

(10.1)

где

– сигнал амплитудной манипуляции;

– цифровой информационный (модулирующий) сигнал, В;

А – амплитуда немодулированного несущего сигнала, В;

– круговая (угловая) частота аналогового несущего сигнала, рад/c.

В выражении ( 10 .1) модулирующий сигнал представляет собой нормированный двоичный сигнал, в котором +1В соответствует логической 1, а
–1Всоответствует логическому 0. Поэтому при логической 1 на входе выражение ( 10 .1) приводится к виду

а при логическом 0 на входе уравнение ( 10 .1) принимает вид

.

Таким образом, модулированный сигнал равен либо , либо 0. Поэтому несущая либо «включена, либо «выключена», из-за чего амплитудную манипуляцию иногда обозначают термином on – off («включил — выключил»).

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.



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.



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

(10.2)

где

– сигнал двоичной ЧМН;

– максимальная амплитуда аналогового несущего сигнала, В;

– средняя частота аналогового несущего сигнала, Гц;

– максимальное изменение (сдвиг) частоты аналоговой несущей, Гц;

– двоичный входной (модулирующий) сигнал, В.

Из уравнения ( 10 .2) видно, что максимальный сдвиг несущей частоты пропорционален амплитуде двоичного входного сигнала и направление сдвига определяется его полярностью. Модулирующий сигнал представляется в нормированной двоичной форме, где логической 1 соответствует +1В, а логическому 0 соответствует –1В. Тогда, если на входе логическая 1, то , а уравнение ( 10 .2) приобретает вид

.

Если на входе логический 0, то , и выражение ( 10 .2) приобретает вид

.

Как показано на рис. 10 .6, при ЧМН средняя частота несущего сигнала сдвигается (отклоняется) вверх и вниз по частотному диапазону в соответствии со значениями двоичного входного сигнала. При переходе входного двоичного сигнала от логического 0 в логическую 1 и наоборот выходная частота изменяется между двумя частотами: знаку (логической 1) соответствует частота , а пробелу (логическому 0) — частота . Частота знака и частота пробела удалены от несущей частоты на одинаковую величину отклонения (девиацию) , а между собой разнесены на величину .

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

.


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 к частоте пробела . Таблица истинности (рис. 10 .7, б) показывает возможные комбинации входов и выходов для данного типа цифровой модуляции.


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 и пробела выбираются таким образом, чтобы они отличались от средней частоты на величину, точно равную половине скорости бит. Это обеспечивает сглаженный переход фазы аналогового сигнала на выходе при переходе от логического 0 к логической 1 или наоборот. На рис. 10 .8 показан сигнал ЧМН-НФ.

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.



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 выбирается равной среднему значению частот и . Отклонение частоты – это произведение максимального положительного или отрицательного напряжения двоичного сигнала на чувствительность отклонения ГУН. Если максимальное напряжение для логической 1 такое же, как для логического 0, то величина отклонения частоты будет одинаковой как для 1, так и для 0.



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 или частоту пробела . Затем ПФ подают пропущенные сигналы на выпрямитель, который формирует постоянный ток, после чего в компараторе сравнивается мощность выпрямленных сигналов. В зависимости от того мощность какого сигнала оказывается больше, приемник детектирует логический 0 или логическую 1. Такой тип детектирования ЧМН называется некогерентным детектированием, так как в процесс демодуляции не включен сигнал, синхронизированный с входящим ЧМН-сигналом по фазе или частоте либо по обоим этим параметрам.



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

,

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 и , т.е. для несущей возможны две фазы: одна представляет логическую 1, а вторая – логический 0. Когда входной цифровой сигнал изменяет состояние (с 1 в 0 или наоборот), фаза выходной несущей частоты сдвигается на 180.



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 и введение взаимно-однозначного соответствия между множеством выходных значений Mи множеством сдвига фаз модулированного сигнала, в котором значения фаз отличаются на одинаковую величину.

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).



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.