Grundlagen der Modulationstechniken

"Bei der Digital-Analog-Umwandlung wird eine der Eigenschaften eines analogen Signals basierend auf den Informationen in digitalen Daten geändert. Eine Sinuswelle wird durch drei Eigenschaften definiert: Amplitude, Frequenz und Phase. Wenn wir eine dieser Eigenschaften ändern, erstellen wir eine andere Version dieser Welle. Indem wir also eine Eigenschaft eines einfachen elektrischen Signals ändern, können wir es zur Darstellung digitaler Daten verwenden. ----- FMUSER"


Es gibt drei Mechanismen zum Modulieren digitaler Daten in ein analoges Signal: Amplitudenumtastung (ASK), Frequenzumtastung (FSK) und Phasenumtastung (FSK)PSK). Darüber hinaus gibt es einen vierten (und besseren) Mechanismus, der das Ändern von Amplitude und Phase kombiniert Quadraturamplitudenmodulation (QAM).

Bandbreite
Die erforderliche Bandbreite für die analoge Übertragung digitaler Daten ist proportional zur Signalrate, mit Ausnahme von FSK, bei dem die Differenz zwischen den Trägersignalen addiert werden muss.

Siehe auch: >> Vergleich von 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM 

Trägersignal
Bei der analogen Übertragung erzeugt das sendende Gerät ein Hochfrequenzsignal, das als Basis für das Informationssignal dient. Dieses Basissignal wird als Trägersignal oder Trägerfrequenz bezeichnet. Das Empfangsgerät ist auf die Frequenz des Trägersignals abgestimmt, die es vom Sender erwartet. Digitale Informationen ändern dann das Trägersignal, indem sie eine oder mehrere ihrer Eigenschaften (Amplitude, Frequenz oder Phase) ändern. Diese Art der Modifikation wird genannt Modulation (Umschalttaste).

1. Amplitudenumtastung:
Bei der Amplitudenumtastung wird die Amplitude des Trägersignals variiert, um Signalelemente zu erzeugen. Sowohl Frequenz als auch Phase bleiben konstant, während sich die Amplitude ändert.

Binäre ASK (BASK)
ASK wird normalerweise nur mit zwei Ebenen implementiert. Dies wird als binäre Amplitudenumtastung oder Ein-Aus-Taste (OOK) bezeichnet. Die Spitzenamplitude eines Signalpegels beträgt 0; die andere ist die gleiche wie die Amplitude der Trägerfrequenz. Die folgende Abbildung gibt eine konzeptionelle Ansicht der binären ASKS.

 

Siehe auch: >> Was ist der Unterschied zwischen AM und FM? 

Implementierung:
Wenn digitale Daten als unipolares digitales NRZ-Signal mit einer hohen Spannung von 1 V und einer niedrigen Spannung von 0 V dargestellt werden, kann die Implementierung durch Multiplizieren des digitalen NRZ-Signals mit dem Trägersignal eines Oszillators erreicht werden, der in der folgenden Abbildung dargestellt ist. Wenn die Amplitude des NRZ-Signals 1 ist, wird die Amplitude der Trägerfrequenz gehalten; Wenn die Amplitude des NRZ-Signals 0 ist, ist die Amplitude der Trägerfrequenz Null.




Bandbreite für ASK:
Das Trägersignal ist nur eine einfache Sinuswelle, aber der Modulationsprozess erzeugt ein nichtperiodisches zusammengesetztes Signal. Dieses Signal hat einen kontinuierlichen Satz von Frequenzen. Wie erwartet ist die Bandbreite proportional zur Signalrate (Baudrate).

Normalerweise ist jedoch ein anderer Faktor beteiligt, der als d bezeichnet wird und vom Modulations- und Filterprozess abhängt. Der Wert von d liegt zwischen 0 und 

●Dies bedeutet, dass die Bandbreite wie gezeigt ausgedrückt werden kann, wobei S die Signalrate und B die Bandbreite ist.

Die Formel zeigt, dass die erforderliche Bandbreite einen minimalen Wert von S und einen maximalen Wert von 2S hat. Der wichtigste Punkt hierbei ist der Ort der Bandbreite. In der Mitte der Bandbreite befindet sich fc die Trägerfrequenz. Das heißt, wenn wir einen Bandpasskanal zur Verfügung haben, können wir unseren fc so wählen, dass das modulierte Signal diese Bandbreite belegt. Dies ist in der Tat der wichtigste Vorteil der Digital-Analog-Wandlung.

Siehe auch: >>Was ist QAM: Quadraturamplitudenmodulation 

2. Frequenzumtastung

Bei der Frequenzumtastung wird die Frequenz des Trägersignals variiert, um Daten darzustellen. Die Frequenz des modulierten Signals ist für die Dauer eines Signalelements konstant, ändert sich jedoch für das nächste Signalelement, wenn sich das Datenelement ändert. Sowohl die Spitzenamplitude als auch die Phase bleiben für alle Signalelemente konstant.

Binäre FSK (BFSK)
Eine Möglichkeit, über binäre FSK (oder BFSK) nachzudenken, besteht darin, zwei Trägerfrequenzen zu berücksichtigen. In der folgenden Abbildung haben wir zwei Trägerfrequenzen f1 und f2 ausgewählt. Wir verwenden den ersten Träger, wenn das Datenelement 0 ist; Wir verwenden die zweite, wenn das Datenelement 1 ist.




Die obige Abbildung zeigt, dass die Mitte einer Bandbreite f1 und die Mitte der anderen f2 ist. Sowohl f1 als auch f2 sind ∆f vom Mittelpunkt zwischen den beiden Bändern entfernt. Die Differenz zwischen den beiden Frequenzen beträgt 2∆f.

Siehe auch: >> QAM Modulator & Demodulator  

Implementierung:
Es gibt zwei Implementierungen von BFSK: nicht kohärent und kohärent. Bei nicht kohärentem BFSK kann es zu einer Diskontinuität in der Phase kommen, wenn ein Signalelement endet und das nächste beginnt. Bei kohärentem BFSK setzt sich die Phase durch die Grenze zweier Signalelemente fort. Nicht kohärentes BFSK kann implementiert werden, indem BFSK als zwei ASK-Modulationen behandelt und zwei Trägerfrequenzen verwendet werden. Kohärentes BFSK kann mithilfe eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) implementiert werden, der seine Frequenz entsprechend der Eingangsspannung ändert.

Die folgende Abbildung zeigt die vereinfachte Idee hinter der zweiten Implementierung. Der Eingang zum Oszillator ist das unipolare NRZ-Signal. Wenn die Amplitude von NRZ Null ist, behält der Oszillator seine reguläre Frequenz bei; Wenn die Amplitude positiv ist, wird die Frequenz erhöht.

Bandbreite für BFSK:

Die obige Abbildung zeigt die Bandbreite von FSK. Wiederum sind die Trägersignale nur einfache Sinuswellen, aber die Modulation erzeugt ein nichtperiodisches zusammengesetztes Signal mit kontinuierlichen Frequenzen. Wir können uns FSK als zwei ASK-Signale mit jeweils einer eigenen Trägerfrequenz f1 und f2 vorstellen. Wenn die Differenz zwischen den beiden Frequenzen 2∆f beträgt, beträgt die erforderliche Bandbreite

3. Phasenumtastung:
Bei der Phasenumtastung wird die Phase des Trägers variiert, um zwei oder mehr verschiedene Signalelemente darzustellen. Sowohl die Spitzenamplitude als auch die Frequenz bleiben konstant, wenn sich die Phase ändert.

Binäre PSK (BPSK):
Die einfachste PSK ist die binäre PSK, bei der wir nur zwei Signalelemente haben, eines mit einer Phase von 0 ° und das andere mit einer Phase von 180 °. Die folgende Abbildung gibt eine konzeptionelle Ansicht von PSK. Binäres PSK ist so einfach wie binäres ASK mit einem großen Vorteil: Es ist weniger anfällig für Rauschen. In ASK ist das Kriterium für die Biterkennung die Amplitude des Signals. Aber in PSK ist es die Phase. Rauschen kann die Amplitude leichter ändern als die Phase. Mit anderen Worten, PSK ist weniger anfällig für Rauschen als ASK. PSK ist FSK überlegen, da wir keine zwei Trägersignale benötigen.

BandBreite:
Die Bandbreite ist dieselbe wie bei binärer ASK, jedoch geringer als bei BFSK. Für die Trennung von zwei Trägersignalen wird keine Bandbreite verschwendet.

Siehe auch: >>512 QAM vs 1024 QAM vs 2048 QAM vs 4096 QAM Modulationstypen

Implementierung:
Die Implementierung von BPSK ist so einfach wie die für ASK. Der Grund ist, dass das Signalelement mit der Phase 180 ° als Komplement des Signalelements mit der Phase 0 ° angesehen werden kann. Dies gibt uns einen Hinweis auf die Implementierung von BPSK. Wir verwenden ein polares NRZ-Signal anstelle eines unipolaren NRZ-Signals, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Das polare NRZ-Signal wird mit der Trägerfrequenz multipliziert. Das 1-Bit (positive Spannung) wird durch eine Phase dargestellt, die bei 0 ° beginnt, das 0-Bit (negative Spannung) wird durch eine Phase dargestellt, die bei 180 ° beginnt.

 

4. Quadraturamplitudenmodulation (QAM)
PSK ist durch die Fähigkeit der Ausrüstung begrenzt, kleine Phasenunterschiede zu unterscheiden. Dieser Faktor begrenzt die mögliche Bitrate. Bisher haben wir jeweils nur eine der drei Eigenschaften einer Sinuswelle geändert. aber was ist, wenn wir zwei ändern? Warum nicht ASK und PSK kombinieren? Die Idee, zwei Träger, einen gleichphasigen und einen Quadraturträger, mit unterschiedlichen Amplitudenpegeln für jeden Träger zu verwenden, ist das Konzept der Quadraturamplitudenmodulation (QAM).

Die möglichen Variationen von QAM sind zahlreich. Die folgende Abbildung zeigt einige dieser Schemata. In der folgenden Abbildung zeigt Teil a das einfachste 4-QAM-Schema (vier verschiedene Signalelementtypen) unter Verwendung eines unipolaren NRZ-Signals zur Modulation jedes Trägers. Dies ist der gleiche Mechanismus, den wir für ASK (OOK) verwendet haben. Teil b zeigt ein anderes 4-QAM unter Verwendung von polarem NRZ, aber dies ist genau das gleiche wie QPSK. Teil c zeigt ein weiteres QAM-4, in dem wir ein Signal mit zwei positiven Pegeln verwendet haben, um jeden der beiden Träger zu modulieren. Schließlich zeigt Teil - d eine 16-QAM-Konstellation eines Signals mit acht Pegeln, vier positiven und vier negativen.

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