Modulation

Kategorisierung für die Signalmodulation basierend auf Daten und Trägertypen

Im Elektronik und Telekommunikation, Modulation ist der Prozess der Variation einer oder mehrerer Eigenschaften einer periodischen Eigenschaften Wellenform, genannt Trägersignal, mit einem separaten Signal namens das Modulationssignal Das enthält typischerweise Informationen, die übertragen werden sollen. Zum Beispiel könnte das Modulationssignal ein sein Audiosignal Repräsentation Klang von einem Mikrofon, a Videosignal Bewegungsbilder von a darstellen Videokamera, oder ein Digitalsignal eine Abfolge von binären Ziffern darstellen, a Bitstream von einem Computer. Der Träger ist höher in Frequenz als das Modulationssignal. Im Funkkommunikation Der modulierte Träger wird als Raum als Raum übertragen Radiowelle zu einem Funkempfänger. Ein weiterer Zweck besteht darin, mehrere Informationskanäle über ein einzelnes Kommunikationsmedium zu übertragen Frequenz-Division-Multiplexing (FDM). Zum Beispiel in Kabelfernsehen Dies verwendet FDM, viele Trägersignale, die jeweils mit einem anderen moduliert werden Fernsehkanal, werden durch ein einzelnes Kabel an Kunden transportiert. Da jeder Träger eine andere Frequenz einnimmt, stören sich die Kanäle nicht gegenseitig. Am Zielende ist das Trägersignal demoduliert Extrahieren Sie das Signal für das Lagermodulationsmodulationsmodulationsmittel.

A Modulator ist ein Gerät oder Schaltkreis Das führt eine Modulation durch. EIN Demodulator (manchmal Detektor) ist eine Schaltung, die funktioniert Demodulationdie Umkehrung der Modulation. EIN Modem (aus MODulator -DemOdulator), der in der bidirektionalen Kommunikation verwendet wird, kann beide Vorgänge ausführen. Das Frequenzband, das vom Modulationssignal besetzt ist Basisband, während das vom modulierte Träger besetzte höhere Frequenzband als die genannt wird Passband.

Im Analoge Modulation ein Analog Das Modulationssignal ist am Träger beeindruckt. Beispiele sind Amplitudenmodulation (AM), in dem die Amplitude (Stärke) der Trägerwelle wird durch das Modulationssignal variiert, und Frequenzmodulation (Fm), in dem die Frequenz der Trägerwelle wird durch das Modulationssignal variiert. Dies waren die frühesten Arten der Modulation und werden verwendet, um eine zu übertragen Audiosignal Klang darstellen, in AM und FM Radio Übertragung. Neuere Systeme verwenden Digitale Modulationdas beeindruckt a Digitalsignal bestehend aus einer Sequenz von Binär-Zahlen (Bits), a Bitstreamauf dem Träger, indem Bits zu Elementen aus einem diskreten Alphabet übertragen werden. Dieses Alphabet kann aus einer Reihe realer oder komplexer Zahlen oder Sequenzen bestehen, wie Oszillationen unterschiedlicher Frequenzen, sogenannte, sogenannte Oszillationen Frequenzverschiebungsschlüsselung (FSK) Modulation. Eine kompliziertere Methode für digitale Modulationen, die mehrere Träger verwendet, orthogonales Frequenz-Division-Multiplexing (OFDM) wird in verwendet W-lan Netzwerke, digitales Radio Stationen und digitales Kabelfernsehen.

Analoge Modulationsmethoden

Ein Niederfrequenz-Meldungssignal (oben) kann von einer AM- oder FM-Funkwelle getragen werden.
Wasserfalldiagramm eines 146,52 MHz -Funkträgers mit Amplitudenmodulation durch 1000 Hz Sinus. Es werden zwei starke Seitenbänder bei + und - 1 kHz aus der Trägerfrequenz gezeigt.
Ein Träger, Frequenz, moduliert durch eine Sinus von 1.000 Hz. Das Modulationsgrad wurde auf etwa 2,4 eingestellt, sodass die Trägerfrequenz eine geringe Amplitude hat. Mehrere starke Seitenbänder sind offensichtlich; Im Prinzip wird eine unendliche Zahl in FM erzeugt, aber die Seitenbänder höherer Ordnung sind von vernachlässigbarer Größe.

Im Analog Modulation wird die Modulation als Reaktion auf das analoge Informationssignal kontinuierlich angewendet. Häufige analoge Modulationstechniken umfassen:

Digitale Modulationsmethoden

Im Digital Modulation, ein analoges Trägersignal wird durch ein diskretes Signal moduliert. Digitale Modulationsmethoden können als Digital-Analog-Konvertierung und entsprechend betrachtet werden Demodulation oder Erkennung als Analog-Digital-Umwandlung. Die Änderungen im Trägersignal werden aus einer begrenzten Anzahl von m alternativen Symbolen ausgewählt (die Modulation Alphabet).

Schema von 4 Baud, 8 -Bit/s -Datenverbindung, die willkürlich ausgewählte Werte enthalten

Ein einfaches Beispiel: Eine Telefonleitung ist für die Übertragung von Audible Sounds konzipiert, z. B. Töne und nicht digitale Bits (Nullen und Eins). Computer können jedoch über eine Telefonleitung mittels Modems kommunizieren, die die digitalen Bits durch Töne darstellen, die als Symbole bezeichnet werden. Wenn es vier alternative Symbole gibt (entsprechend einem Musikinstrument, das vier verschiedene Töne nacheinander erzeugen kann), kann das erste Symbol die Bitsequenz 00, die zweite 01, die dritte 10 und das vierte 11 darstellen. Wenn das Modem spielt eine Melodie, die aus 1000 Tönen pro Sekunde besteht, die Symbolrate ist 1000 Symbole/Sekunde oder 1000 Baud. Da jeder Ton (d. H. Symbol) eine Nachricht darstellt, die aus zwei digitalen Bits in diesem Beispiel besteht, die, die, die Bitrate ist doppelt so symbolrate, d. H. 2000 Bit pro Sekunde.

Nach einer Definition von Digitalsignal,[1] Das modulierte Signal ist ein digitales Signal. Nach einer anderen Definition ist die Modulation eine Form von Digital-Analog-Konvertierung. Die meisten Lehrbücher würden digitale Modulationsschemata als eine Form von betrachten Digitale Übertragung, synonym zu Datenübertragung; Sehr wenige würden es als als betrachten Analogübertragung.

Grundlegende Methoden für digitale Modulationen

Die grundlegendsten digitalen Modulationstechniken basieren auf Klopfen:

In QAM sind ein In-Phasen-Signal (oder I mit einem Beispiel für eine Kosinuswellenform) und ein Quadraturphasensignal (oder Q, wobei ein Beispiel eine Sinuswelle ist) Amplitude mit einer endlichen Anzahl von Amplituden moduliert und dann summiert. Es kann als Zweikanalsystem angesehen werden, jeder Kanal mit Ask. Das resultierende Signal entspricht einer Kombination aus PSK und ASC.

In allen oben genannten Methoden wird jeder dieser Phasen, Frequenzen oder Amplituden ein einzigartiges Muster von zugewiesen binär Bits. Normalerweise codiert jede Phase, Frequenz oder Amplitude eine gleiche Anzahl von Bits. Diese Anzahl der Bits umfasst die Symbol Das wird durch die jeweilige Phase, Frequenz oder Amplitude dargestellt.

Wenn das Alphabet besteht aus Alternative Symbole repräsentiert jedes Symbol eine Nachricht aus N Bits. Wenn die Symbolrate (auch bekannt als die Baudrate) ist Symbole/Sekunde (oder Baud), die Datenrate ist Bit/Sekunde.

Beispielsweise repräsentiert jedes Symbol mit einem Alphabet, das aus 16 alternativen Symbolen besteht, 4 Bit. Somit beträgt die Datenrate die vierfache Baudrate.

Bei PSK, Ask oder QAM, wobei die Trägerfrequenz des modulierten Signals konstant ist, wird das Modulationalphabet häufig bequem auf einem Sternungsdiagrammmit der Amplitude des I-Signals an der x-Achse und der Amplitude des Q-Signals an der y-Achse für jedes Symbol.

Modulator- und Detektorprinzipien des Betriebs

PSK und Fragen und manchmal auch FSK werden häufig unter Verwendung des Prinzips von QAM erzeugt und erkannt. Die I- und Q -Signale können zu a kombiniert werden komplex bewertet Signal I+JQ (wo j ist der imaginäre Einheit). Die resultierenden sogenannten äquivalentes Tiefpasssignal oder Äquivalentes Basisbandsignal ist eine komplex bewertete Darstellung der echt bewertet moduliertes physikalisches Signal (das sogenannte Passband -Signal oder RF -Signal).

Dies sind die allgemeinen Schritte, die von der verwendet werden Modulator Daten übertragen:

  1. Gruppieren Sie die eingehenden Datenbits in Codewors, eines für jedes Symbol, das übertragen wird.
  2. Zeichnen Sie die Codewörter auf Attribute ab, z. B. Amplituden der I- und Q -Signale (das äquivalente niedrige Passsignal) oder Frequenz- oder Phasenwerte.
  3. Sich anpassen Pulsformung oder eine andere Filterung, um die Bandbreite zu begrenzen und das Spektrum des äquivalenten niedrigen Passsignals zu bilden, typischerweise unter Verwendung der digitalen Signalverarbeitung.
  4. Durchführen Sie eine digitale bis analoge Konvertierung (DAC) der I- und Q -Signale digitale Signalverarbeitung, DSP).
  5. Erzeugen Sie eine Hochfrequenz-Sinus-Trägerwellenform und möglicherweise auch eine Cosinus-Quadratur-Komponente. Führen Sie die Modulation durch, beispielsweise durch Multiplizieren der Sinus- und Cosinus -Wellenform mit den I- und Q -Signalen, was dazu führt Passband -Signal oder RF -Signal. Manchmal wird dies zum Beispiel mit der DSP -Technologie erreicht Direkte digitale Synthese Verwenden einer Wellenformtabelle anstelle einer analogen Signalverarbeitung. In diesem Fall sollte der obige DAC -Schritt nach diesem Schritt durchgeführt werden.
  6. Verstärkung und analoge Bandpassfilterung zur Vermeidung harmonischer Verzerrungen und periodisches Spektrum.

Auf der Empfängerseite die Demodulator führt normalerweise aus:

  1. Bandpassfilterung.
  2. Automatische gewinn Kontrolle, AGC (um zu kompensieren Dämpfung, zum Beispiel Fading).
  3. Frequenzwechsel des HF -Signals auf die äquivalenten Basisband -I- und Q -Signale oder zu einem Zwischenfrequenzsignal (IF), indem das HF Superheterodyne -Empfänger Prinzip).
  4. Abtast- und Analog-zu-Digital-Umwandlung (ADC) (manchmal vor oder anstelle des oben genannten Punkts, zum Beispiel mittels Unterabtastung).
  5. Ausgleichsfilterung beispielsweise a Matched Filter, Kompensation für die Ausbreitung von Multipathien, Zeitverbreitung, Phasenverzerrung und Frequenz -selektives Verblassen, um sie zu vermeiden Intersymbol -Interferenz und Symbolverzerrung.
  6. Nachweis der Amplituden der I- und Q -Signale oder der Frequenz oder Phase des IF -Signals.
  7. Quantisierung der Amplituden, Frequenzen oder Phasen zu den nächsten zulässigen Symbolwerten.
  8. Zuordnung der quantisierten Amplituden, Frequenzen oder Phasen zu Codewörtern (Bitgruppen).
  9. Parallel-zu-serielle Konvertierung der Codewörter in einen Bitstrom.
  10. Geben Sie den resultierenden Bitstrom für die weitere Verarbeitung ein, z. B. die Entfernung von fehlerkorrigierenden Codes.

Wie für alle digitalen Kommunikationssysteme üblich, muss das Design des Modulators und des Demodulators gleichzeitig durchgeführt werden. Digitale Modulationsschemata sind möglich, da das Sender-Empfänger-Paar Vorkenntnisse darüber gibt, wie Daten codiert und im Kommunikationssystem dargestellt werden. In allen digitalen Kommunikationssystemen sind sowohl der Modulator am Sender als auch der Demodulator am Empfänger so strukturiert, dass sie umgekehrte Vorgänge ausführen.

Asynchrone Methoden erfordern kein Referenz -Taktsignal des Empfängers, nämlich Phase synchronisiert mit dem Absender Trägersignal. In diesem Fall sind Modulationssymbole (anstelle von Bits, Zeichen oder Datenpaketen) asynchron übertragen. Das Gegenteil ist Synchronmodulation.

Liste der gemeinsamen digitalen Modulationstechniken

Die häufigsten digitalen Modulationstechniken sind:

MSK und Gmsk sind besondere Fälle von kontinuierlicher Phasenmodulation. In der Tat ist MSK ein besonderer Fall der Unterfamilie von CPM, bekannt als als Frequenzverschiebungs-Taste für kontinuierliche Phasen (CPFSK), das durch einen rechteckigen Frequenzimpuls (d. H. Ein linear erhöhter Phasenimpuls) der Einsymbol-Zeit-Dauer (Gesamtantwortsignal) definiert ist.

OFDM basiert auf der Idee von Frequenz-Division-Multiplexing (FDM), aber die Multiplex -Streams sind alle Teile eines einzelnen Originalstroms. Der Bitstrom wird in mehrere parallele Datenströme aufgeteilt, die jeweils über einen eigenen Unterträger unter Verwendung eines herkömmlichen digitalen Modulationsschemas übertragen werden. Die modulierten Unterträger werden summiert, um ein OFDM-Signal zu bilden. Diese Dividierung und Rekombination hilft beim Umgang mit Kanalbehinderungen. OFDM wird eher als Modulationstechnik als als Multiplex-Technik angesehen, da es einen Bitstrom über einen Kommunikationskanal über eine Sequenz sogenannter OFDM-Symbole überträgt. OFDM kann auf Multi-User ausgedehnt werden Kanalzugriffsmethode in dem Orthogonale Frequenz-Division-Mehrfachzugriff (Ofdma) und Multi-Carrier-Code-Division Multiple-Zugriff (MC-CDMA) Schemata, mit denen mehrere Benutzer dasselbe physische Medium teilen können, indem verschiedene Benutzer unterschiedliche Unterträger verleihen oder Codes verbreiten.

Der beiden Arten von HF -Leistungsverstärker, Verstärker wechseln (Verstärker der Klasse D) kosten weniger und verbrauchen weniger Batteriestrom als lineare Verstärker der gleichen Ausgangsleistung. Sie arbeiten jedoch nur mit relativ konstanten Amplitudenmodulationssignalen wie Winkelmodulation (FSK oder PSK) und CDMA, aber nicht mit QAM und OFDM. Obwohl das Schaltenverstärker für normale QAM -Konstellationen völlig ungeeignet sind, werden häufig das QAM -Modulationsprinzip verwendet, um Schaltverstärker mit diesen FM und anderen Wellenformen zu treiben, und manchmal werden QAM -Demodulatoren verwendet, um die von diesen Switching -Verstärkern ausgegebenen Signalen zu empfangen.

Automatische Erkennung digitaler Modulationsanerkennung (ADMR)

Die automatische Erkennung digitaler Modulation in intelligenten Kommunikationssystemen ist eines der wichtigsten Probleme in Software-definiertes Radio und Kognitiver Radio. Laut inkrementeller Weite intelligenter Empfänger wird die automatische Modulationserkennung zu einem herausfordernden Thema in Telekommunikationssystemen und Computertechnik. Solche Systeme haben viele zivile und militärische Anwendungen. Darüber hinaus ist die Erkennung von Modulationstypen des Blindes ein wichtiges Problem in kommerziellen Systemen, insbesondere in Software-definiertes Radio. Normalerweise gibt es in solchen Systemen einige zusätzliche Informationen für die Systemkonfiguration. In Anbetracht der blinden Ansätze in intelligenten Empfängern können wir jedoch die Überlastung des Informationen reduzieren und die Übertragungsleistung erhöhen. Offensichtlich wird ohne Kenntnis der übertragenen Daten und viele unbekannte Parameter am Empfänger wie der Signalleistung, der Trägerfrequenz und der Phase -Offsets, der Timing -Informationen usw. ziemlich schwierig erschwert. Dies wird in realen Szenarien mit Multipath-Verblassen, frequenzselektiven und zeitlich variierenden Kanälen noch schwieriger.[2]

Es gibt zwei Hauptansätze zur automatischen Modulationserkennung. Der erste Ansatz verwendet Wahrscheinlichkeitsbasierte Methoden, um einer ordnungsgemäßen Klasse ein Eingangssignal zuzuweisen. Ein weiterer neuer Ansatz basiert auf der Feature -Extraktion.

Digitale Basisbandmodulation

Die digitale Basisbandmodulation verändert die Eigenschaften eines Basisbandsignals, d. H. Eine ohne Träger bei höherer Frequenz.

Dies kann als äquivalentes Signal verwendet werden, um später zu sein frequenzkonvertiert zu einer Trägerfrequenz oder zur direkten Kommunikation im Basisband. Die letzteren Methoden beinhalten beide relativ einfach Zeilencodes, wie oft in lokalen Bussen und komplizierte Basisband -Signalschemata wie verwendet in verwendet DSL.

Impulsmodulationsmethoden

Impulsmodulationsschemata zielen darauf ab, ein schmalbandiges analoges Signal über einen analogen Basenbandkanal als zweistufiges Signal durch Modulation a zu übertragen Pulswelle. Einige Impulsmodulationsschemata ermöglichen es auch, dass das schmalbandige analoge Signal als digitales Signal übertragen wird (d. H. Als a quantisiert diskretes Signal) mit einem festen Bitrate, der beispielsweise über ein über ein zugrunde liegendes digitales Übertragungssystem übertragen werden kann Zeilencode. Dies sind keine Modulationsschemata im herkömmlichen Sinne, da dies nicht der Fall ist Kanalcodierung Pläne, sollten aber als als betrachtet werden Quellcodierung Schemata und in einigen Fällen Analog-Digital-Konvertierungstechniken.

Analog-Over-Analog-Methoden
Analog-über-digitale Methoden

Verschiedene Modulationstechniken

Siehe auch

Verweise

  1. ^ "Modulationsmethoden | Grundlagen der Elektronik | Rohm". www.rohm.com. Abgerufen 2020-05-15.
  2. ^ Dobre, Octavia A., Ali Abdi, Yeheskel Bar-Ness und Wei Su. Kommunikation, Iet 1, nein. 2 (2007): 137–156. (2007). "Übersicht über automatische Modulation Klassifizierungstechniken: Klassische Ansätze und neue Trends" (PDF). IET -Kommunikation. 1 (2): 137–156. doi:10.1049/IET-COM: 20050176.{{}}: Cs1 montiert: Mehrfachnamen: Autorenliste (Link)
  3. ^ Lin, James C. (20. August 2021). Hörauswirkungen von Mikrowellenstrahlung. Chicago: Springer. p. 326. ISBN 978-3030645434.
  4. ^ Justesen, Don (1. März 1975). "Mikrowellen und Verhalten" (PDF). Amerikanischer Psychologe. Washington, D.C.: American Psychological Association. Archiviert von das Original (PDF) Am 2016-09-10. Abgerufen 5. Oktober, 2021.
  5. ^ Justesen, Don (1. März 1975). "Mikrowellen und Verhalten". Amerikanischer Psychologe. Vol. 30, nein. 3. Washington, D.C.: American Psychological Association. S. 391–401. doi:10.1037 // 0003-066x.30.3.391. PMID 1137231. Abgerufen 15. Oktober, 2021.

Weitere Lektüre

Externe Links