Модуляция (технология)

Термин модуляция (от латинского modulatio = часы, ритм) описывает процесс в технике связи, в котором передаваемый полезный сигнал (например, музыка, речь, данные) изменяет (модулирует) так называемую несущую . Это позволяет передавать низкочастотный полезный сигнал на высоких частотах. В диапазоне несущей частоты передаваемый сигнал занимает полосу пропускания, которая зависит от полезного сигнала . Сообщение восстанавливается на принимающей стороне демодулятором .

Сам сигнал несущей не имеет отношения к передаваемому сообщению; это необходимо только для адаптации к физическим свойствам канала передачи и может быть подавлено (с определенными типами модуляции ).

аналоговая амплитудная модуляция (AM) и частотная модуляция (FM) низкочастотного сигнала

Необходимость модуляции, примеры

  • Если бы вы хотели транслировать голос или музыку напрямую, была бы только одна «программа» по всей стране, потому что она занимала бы весь низкочастотный диапазон . Любая другая программа будет занимать тот же частотный диапазон и создавать помехи. Из-за низкой частоты потребуются огромные антенны как на передающей, так и на приемной сторонах.
  • Путем модуляции значительно более высокочастотная несущая изменяется и отправляется в ритме информации. Другие передатчики делают то же самое с несущими разных частот. Если эти частотные диапазоны можно отделить друг от друга в приемнике с помощью фильтров ( резонансных контуров ), вы можете выбирать из разных программ. Антенны также становятся более управляемыми.
  • Некоторые части информации могут быть модулированы независимо друг от друга на виде несущей частоты таким образом , что они могут быть разделены на приемной стороне. Например, с помощью VHF-радио, помимо "музыки переднего плана", передается другая информация, такая как RDS или идентификатор станции.
  • Одновременная передача двух стереоканалов (левого и правого) также была бы невозможна без модуляции. В цветном телевидении , информация о яркости и цвета для отдельных пикселей , так искусно модулируется на виде носителя , что они не мешают друг другу. Черно-белый телевизор просто игнорирует цветовую модуляцию.
  • Многократное использование в кабельном, волоконно - оптическом или радиолиниях ( направленного радио , спутниковое телевидение ) в течение нескольких сот одновременных телефонных звонков или нескольких телевизионных программ , было бы невозможно без сложных методов модуляции.
  • С помощью DSL вы можете отправлять и получать цифровые интернет-данные одновременно и независимо друг от друга, а также совершать звонки.
  • С помощью пульта дистанционного управления различные команды, такие как переключение каналов, изменение громкости или выключение, могут передаваться по беспроводной сети путем модуляции инфракрасного излучения .

важность

Модуляция имеет много преимуществ перед прямой передачей полезного сигнала. Таким образом можно передавать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Однако метод модуляции может быть как аналоговым, так и цифровым, независимо от типа полезного сигнала.

Устройства , которые могут модулировать как демодулируют , как часто так же , как модем ( Mo dulator The назначенного odulator).

С цифровой модуляцией тесно связано линейное кодирование , задача которого - адаптировать цифровой полезный сигнал к каналу передачи, в данном случае к линии, но не преобразовывать его из основной полосы частот в полосу более высоких несущих частот .

Модуляция - один из важнейших методов в технике связи. Их применение позволило более высокие диапазоны частот , которые будут использоваться в передаче сообщений и тем самым открывает новые пути передачи (например , радио , радиорелейной , спутникового радио ).

В повседневной жизни модуляция встречается повсюду:

В последнее время важность модуляции в повседневной жизни стала особенно очевидной. За счет разработки новых методов модуляции, таких как ADSL , скорость передачи данных по существующим телефонным линиям связи может быть значительно увеличена.

сказка

Сами речь и музыка основаны на модуляции. Одно только движение языка и губ вызывает щелчки и шлепки, которые нельзя услышать далеко. Звук из гортани разносится намного дальше и уже служит младенцу носителем, через непрерывные (аналоговые) изменения громкости и высоты звука он сообщает о своем состоянии. Модуляция используется преднамеренно в свистнул языках .

Гульельмо Маркони осуществил первую радиопередачу через Ла-Манш в 1899 году, включив и выключив передатчик с поп-искрами . Код Морзе можно передавать с помощью этой цифровой модуляции . Когерер в приемнике ответил на высокочастотный сигнал и нестационарный выход передатчика был слышен как хрип. В то время избирательность не играла роли, так как количество каналов все еще было довольно ограниченным. В то время как Маркони стремился к более высокой мощности передачи, Реджинальд Фессенден в то же время улучшил чувствительность приемников.

До 1913 года передатчики можно было только включать и выключать, что в лучшем случае можно охарактеризовать как очень элементарную модуляцию. Для модуляции широким спектром сигналов, тонкие нюансы которых также необходимо передавать, требуется схема генератора, которая изначально генерирует постоянный сигнал - это стало возможным только после изобретения схемы Мейснера . Это было началом трансляции .

техническое описание

При модуляции полезный сигнал преобразуется в другой частотный диапазон. Такие параметры, как амплитуда , частота и / или фаза несущих изменяются полезным сигналом. В случае аналоговой амплитудной модуляции есть только изменение амплитуды несущих. Спектральный сдвиг сигнала из-за этой модуляции затем может быть передан по каналу передачи на приемник, который восстанавливает исходный полезный сигнал посредством демодуляции . Передача может осуществляться через электрические кабели и оптоволокно или с помощью антенн в форме распространения в свободном пространстве (« радио »).

Непрерывный и дискретный во времени методы

В методах модуляции с непрерывным временем в качестве несущей используется непрерывный сигнал, такой как синусоида . Информационный сигнал, который должен быть модулирован, не обязательно должен представлять информацию непрерывно. Важно, чтобы модулированный сигнал на выходе модулятора был непрерывным во времени. Непрерывные во времени методы подразделяются на методы модуляции с непрерывным значением и методы модуляции с дискретным значением. Процессы непрерывного значения и непрерывного времени неточно называют аналоговой модуляцией , в то время как процессы дискретного значения и непрерывного времени называют цифровой модуляцией .

С другой стороны, методы дискретной модуляции доставляют сигнал определенной несущей на выходе модулятора только в определенные моменты времени. Типичными представителями этого класса являются импульсные несущие процессы. Дискретно-временные методы также подразделяются на методы модуляции с непрерывной и дискретной модуляцией. Амплитудно-импульсная модуляция (PAM) представляет собой метод модуляции с непрерывной величиной и дискретностью по времени.Типичным представителем метода модуляции с дискретной величиной и дискретной по времени модуляции является кодовая импульсная модуляция (PCM).

Линейные и нелинейные методы модуляции

Методы модуляции можно разделить на методы линейной и нелинейной модуляции. Метод модуляции является линейным, если математическая функция между полезным сигналом и передаваемым сигналом, которая описывает процесс модуляции, является линейной функцией . Так обстоит дело, например, с амплитудной модуляцией , которая представляет собой умножение во временной области.

С другой стороны, в случае нелинейных модуляций, которые имеют нелинейную функцию как соотношение между полезным сигналом и передаваемым сигналом, отображение зависит от мгновенных значений полезного сигнала. Их анализ связан с большими усилиями, часто закрытые решения недоступны, и необходимо использовать методы аппроксимации, такие как оценка необходимой полосы пропускания сигнала передачи. Примером нелинейной модуляции является частотная модуляция , в которой связь между полезным сигналом и передаваемым сигналом формируется угловыми функциями, такими как функция косинуса .

Технология модуляции и мультиплексирования

Термин модуляция тесно связан с термином мультиплексная технология . Технология мультиплексирования обеспечивает передачу нескольких полезных сигналов параллельно и, в идеале, без взаимных помех по общему каналу, например, кабелю или радиочастотному диапазону. Практическая реализация различных мультиплексных методов , таких как мультиплекса с временным разделением , частотного мультиплексирования с разделением или мультиплексирования с кодовым разделением происходит за счет использования подходящих методов модуляции.

Физическая модуляция

Методы модуляции используются не только в диапазонах частот до нескольких сотен ГГц, которые напрямую доступны для технологии электронных схем, но также существуют модуляторы, которые основаны непосредственно на физических принципах, зависящих от материала. В этих случаях модулятор или демодулятор больше не формируется электронной схемой, состоящей из отдельных компонентов и их взаимодействия в схеме. Существенными свойствами этих модуляторов являются значительно более высокие несущие частоты, которые могут простираться в видимый диапазон электромагнитного спектра (свет) и за его пределы (ультрафиолет). Недостатком здесь является небольшое количество возможных вариантов, поскольку свойства материала, в отличие от модуляторов, построенных в виде электронных схем, не могут быть изменены так легко. Поэтому в большинстве случаев используются только простые амплитудные модуляции.

Модулятором в этом контексте может быть, например, светоизлучающий диод , лазер или, для низких частот полезного сигнала, лампа накаливания, яркость которой регулируется. Эта амплитудная модуляция, поскольку яркость изменяется, происходит во внутренней структуре посредством физических процессов, и передаваемый сигнал может находиться в диапазоне оптических частот и выше. Эти модуляторы используются, например, для управления волоконной оптикой или оптопарами .

Метод модуляции

Методы аналоговой модуляции

Аналоговые полезные сигналы - это, например, сигналы речи, музыки или изображения. Существенным свойством методов аналоговой модуляции является непрерывность модуляции как во временной области, так и в области значений. Т.е. Аналоговые модуляции обрабатывают полезный сигнал непрерывно, значения передаваемого сигнала не оцифровываются . Аналоговые модулированные сигналы также называются модуляцией аналогового спектра (сокращенно ASM).

Методы аналоговой модуляции можно разделить на две основные группы: амплитудная модуляция и угловая модуляция . Все другие методы аналоговой модуляции могут быть получены из этих двух методов модуляции.

При амплитудной модуляции информация в полезном сигнале постоянно отображается на амплитуду передаваемого сигнала. Существуют специальные модификации амплитудной модуляции, такие как амплитудная модуляция с подавленной несущей , модуляция с одной боковой полосой (SSB) или модуляция с остаточной боковой полосой . Амплитудная модуляция используется, например, в аналоговом вещании на средних волнах и в аналоговой телевизионной технологии . Модуляция с одной боковой полосой технически более сложна, но более эффективно использует полосу частот и используется, например, в любительском радио .

В группе угловых модуляций, которые в основном включают частотную модуляцию (FM) и фазовую модуляцию (PM), полезный сигнал отображается в фазовом угле несущего сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты или положения фазы несущего сигнала. Эти методы используются, например, в аналоговой УКВ радиосвязи .

Комбинация амплитудной и угловой модуляции также называется векторной модуляцией . В этом случае информация о полезном сигнале размещается как в амплитуде, так и в фазовом угле несущих колебаний. В аналоговой области, наиболее известное приложение , как ожидаются , передавать информацию о цвете в PAL - и NTSC - сигнал цветного изображения (CVBS) , чтобы быть. Насыщенность цвета определяет амплитуду и тип цвета ( оттенка ) определяет фазовый угол сигнала несущей, так называемой цветовой поднесущей .

Методы цифровой модуляции

Методы цифровой модуляции передают символы , которые четко определены как для отправителя, так и для получателя. Это называется модуляцией цифрового спектра (сокращенно DSM ). Временной ход этих символов или суперпозиция излучаемых символов образуют непрерывный ход. Форма символов должна быть выбрана так, чтобы их спектр оставался в пределах предписанной полосы пропускания канала передачи. Следовательно, аналоговые сигналы, такие как речь или музыка, должны быть оцифрованы перед цифровой модуляцией . Эти цифровые отсчеты затем отображаются на символы, которые необходимо передать . Таким образом, эти методы модуляции реализуются с помощью цифровой обработки сигналов .

По дидактическим причинам, а также из-за того, что их легче представить графически, символы часто отображаются в прямоугольной форме, то есть без округления. Однако это легко приводит к неправильному представлению о проблеме.

Цифровая модуляция дает действительные значения только в определенное время, так называемое время выборки. Это называется дискретным по времени. Временной интервал между временами выборки называется скоростью передачи символов . Во временных интервалах между двумя моментами выборки информация о сигнале передачи не определена. Вот почему так называемое восстановление тактовой частоты играет центральную роль в цифровой демодуляции : приемник или демодулятор должен иметь возможность использовать подходящие методы для определения моментов времени, в которые доступна достоверная информация.

При цифровой модуляции может передаваться только конечное число различных значений. Это называется дискретным значением. При соответствующем выборе символов передачи с дискретным значением можно распознать и компенсировать незначительные отклонения, которые возникают, например, из-за ошибок передачи. По этой причине методы цифровой модуляции обычно более устойчивы к помехам, чем аналоговые методы. Помехи некоторых методов цифровой модуляции можно оценить, например, с помощью глазковой диаграммы или в форме представления символов передачи в комплексной плоскости .

Точнее, цифровые модуляции представляют собой методы дискретной модуляции времени и величины , основанные на передаваемом информационном сигнале. С другой стороны, временная кривая сигнала модуляции непрерывна по времени и величине. Однако не совсем подходящий термин «цифровая модуляция» уже утвердился в литературе. Однако при определенных условиях канальное кодирование также можно рассматривать как форму цифровой модуляции. В литературе для этого используется термин «кодированная модуляция».

Некоторые методы цифровой модуляции имеют аналоги или являются производными от методов аналоговой модуляции. Однако существует также большое количество цифровых модуляций, которые не имеют прямых аналоговых эквивалентов, таких как широтно-импульсная модуляция , которая представляет собой специальную цифровую угловую модуляцию и может также использоваться для временной дискретизации (дискретной временной дискретизации) аналогового сигнала.

Метод цифровой модуляции с одной несущей

Одной из самых простых цифровых модуляций является цифровая амплитудная модуляция или амплитудная манипуляция (ASK), при которой амплитуда передаваемого сигнала переключается дискретными шагами в зависимости от последовательности пользовательских данных. Если имеется только два символа передачи, выбор делается между двумя различными значениями амплитуды, одно из которых также может быть нулевым. Однако также можно выбрать несколько значений (уровней) амплитуды.

Цифровая угловая модуляция охватывает большое поле и в своей простейшей форме также известна как частотная манипуляция (FSK) и фазовая манипуляция (PSK). Частота или фазовый угол несущего сигнала переключаются дискретными шагами. Особой формой FSK является гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (GMSK), в которой индекс модуляции равен точно 0,5. Типичными применениями этих модуляций являются первые телефонные модемы 1980-х годов, которые могли передавать до 1200 бит в секунду по телефонной линии с использованием FSK в стандартах ITU-T V.21 или V.23. Распространенные сегодня аналоговые факсимильные аппараты также используют этот метод модуляции.

Цифровые фазовые модуляции, такие как QPSK, передают пользовательские данные только в фазовой позиции несущей. Эти модуляции также используются в основном в телекоммуникационном секторе, например, в цифровых сотовых сетях, таких как GSM .

В цифровом секторе также используются комбинации амплитудной и угловой модуляции. Информация (последовательность пользовательских данных) учитывается как по амплитуде, так и по фазе несущей. Распространенным методом модуляции является квадратурная амплитудная модуляция , сокращенно QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM и т. Д. Числа указывают дискретные точки данных (символы передачи) на комплексном уровне: чем больше символов передачи, тем больше битов может быть передано на символ, тем сложнее но также важно различать отдельные символы на стороне получателя. По этой причине методы с небольшим количеством символов передачи используются при устойчивой передаче и в случае передачи с большим количеством помех.

Цифровая модуляция с несколькими несущими

В случае цифровой модуляции также возможно разделить поток полезных данных на несколько разных несущих. Это создает дополнительную возможность максимально оптимальной адаптации к свойствам канала передачи: если, например, некоторые несущие не могут использоваться для передачи данных из-за помех, это только снижает общую пропускную способность данных , поскольку другие несущие все еще могут использоваться. Типичный метод - это Discrete Multitone (DMT), который используется в области ADSL . Это также включает мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и кодированное мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (COFDM), которые используются в области наземного цифрового телевидения DVB-T .

Цифровые модуляции, такие как 16QAM, используются как можно более узкими полосами на отдельных несущих. Из-за большого количества несущих - это может быть до нескольких 10 000 несущих - свойства передачи канала передачи могут быть решены очень избирательно. Это означает, что до нескольких десятков килобит полезных данных передаются параллельно всего за один такт. Благодаря значительным технологическим достижениям в области высокопроизводительных и недорогих процессоров цифровых сигналов и специализированных интегральных схем , эти сложные методы модуляции в последние годы получили широкое распространение в секторе бытовой электроники.

Кодированная модуляция

При кодированной модуляции канальное кодирование , отличное от других методов модуляции , которое обеспечивает защиту от ошибок передачи путем добавления избыточности, неразрывно сочетается с методом цифровой модуляции. Дополнительный кодовый выигрыш канального кодирования, который может быть достигнут путем комбинирования, в этом случае основан не на минимальном расстоянии Хэмминга , как в отдельном методе , а на евклидовом расстоянии символов передачи метода модуляции, которые растянуты в комплексной плоскости.

Примером кодированной модуляции является модуляция решетчатым кодом (TCM), которая основана на сверточном коде в сочетании с методом модуляции, таким как QAM. Связанная модуляция блочного кода (BCM) использует блочный код вместо сверточного кода . Оба метода можно разделить (разделить) на частичные кодировки, из которых происходит группа методов многоуровневой модуляции кода (MLCM). Такие методы, как двоичная смещенная несущая (BOC), некоторые из которых все еще являются предметом текущих исследований, также относятся к области кодированной модуляции.

Специальные модуляции

Модуляции с расширенным спектром

К ним относятся различные типы модуляции с расширенным спектром, такие как расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS) и расширенный спектр прямой последовательности (DSSS). Эти модуляции являются основой методов мультиплексирования с кодовым разделением каналов и значительно расширяют спектр передачи по сравнению со спектром полезных данных. Прием посредством корреляции характеризуется специальными кодовыми последовательностями, которые в большинстве своем обладают свойствами, близкими к случайности, и которые отличают отдельные каналы друг от друга.

Это означает, что также возможны передачи, сигнал передачи которых ниже уровня фонового шума , так что существование передачи невозможно даже распознать. Как и в случае со всеми другими модуляциями, при необходимости передача сообщения может быть зашифрована. Обнаружение того, происходит ли передача, возможно только в том случае, если известны соответствующие кодовые последовательности с расширенным спектром, и посредством корреляции . Таким образом, эти методы применяются в основном в военном секторе для передачи сообщений или в области шпионажа для устройств подслушивания , которые очень трудно обнаружить . В последние годы эти методы также использовались в гражданских областях, таких как навигационные системы GPS или Galileo и в мобильной связи третьего поколения с использованием CDMA и в приложениях для стеганографии , чтобы иметь возможность обнаруживать нарушения авторских прав с использованием электронных водяных знаков, например, в музыкальных или видеофильмах.

Импульсные модуляции

С помощью этих модуляций непрерывный аналоговый сигнал преобразуется в дискретную по времени последовательность сигналов, состоящую из отдельных импульсов, которые, как и в случаях с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), амплитудно-импульсной модуляцией (PAM), частотно-импульсной модуляцией (PFM) и импульсной фазовой модуляцией (PPM), являются непрерывными по амплитуде. Существуют также амплитудно-дискретные версии этих методов, с PAM версия с дискретными значениями тогда называется импульсной кодовой модуляцией (PCM). ШИМ происходит как дискретно, так и непрерывно. ШИМ - приложения, например, регулирование мощности электродвигателей или в аудио секторе для класса D усилителей . Импульсно-ступенчатая модуляция (PSM) - это метод, используемый для выходных каскадов передачи с амплитудной модуляцией большей мощности .

При импульсной кодовой модуляции (ИКМ) гребенка импульсов , периодическая последовательность коротких отдельных импульсов, умножается на входной сигнал, чтобы получить выходной сигнал («сигнал передачи»). Затем отдельные выходные значения квантуются, то есть преобразуются в конечное число уровней. Эта модуляция используется в некоторых аналого-цифровых преобразователях , особенно когда последовательность сигналов должна быть получена непрерывно, как в случае оцифровки голосовых и музыкальных сигналов.

Смотри тоже

литература

  • Карл Дирк Каммейер: передача сообщений . Teubner, Штутгарт 1996, ISBN 3-519-16142-7 .
  • Мартин Боссерт: Кодирование каналов . Teubner, Штутгарт 1998, ISBN 3-519-16143-5 .
  • Карстен Роппель: Основы цифровых коммуникационных технологий . Hanser, Лейпциг, 2006 г., ISBN 3-446-22857-8 .
  • Роджер Л. Фриман: Дизайн радиосистем для телекоммуникаций . 3. Издание. IEEE, Институт инженеров по электротехнике и электронике, Нью-Йорк, 2007 г., ISBN 978-0-471-75713-9 .

веб ссылки

Commons : Modulation  - коллекция изображений, видео и аудио файлов
Технические методы модуляции
Обзор: модулятор


Методы аналоговой модуляции

AM  | FM  | PM  | VM  | SSB  | SSBSC  | DSBSC 

Методы цифровой модуляции

СПРОСИТЬ  | ФСК  | GFSK  | ПСК  | QPSK  | QAM  | АПСК  | OFDM  | ДМТ  | TCM  | VSB 

Метод импульсной модуляции

ШИМ  | ПАМ  | PFM  | PPM (1)  | PPM (2)  | PCM 

Методы модуляции с расширением частоты

FHSS  | DSSS  | THSS  | CSS