modülasyon - Modulation

Veri ve taşıyıcı tiplerine göre sinyal modülasyonu için sınıflandırma

Olarak elektronik ve telekomünikasyon , modülasyon bir veya periyodik daha özelliklerini değiştirme işlemidir dalga biçimi olarak adlandırılan bir taşıyıcı sinyal olarak adlandırılan ayrı bir sinyal ile, modülasyon sinyali tipik olarak iletilecek olan bilgi içerdiğini. Örneğin, modülasyon sinyali bir mikrofondan gelen sesi temsil eden bir ses sinyali , bir video kameradan gelen hareketli görüntüleri temsil eden bir video sinyali veya bir bilgisayardan gelen bir bit akışı olan bir ikili basamak dizisini temsil eden bir dijital sinyal olabilir . Taşıyıcının frekansı modülasyon sinyalinden daha yüksektir . Modülasyonun amacı, bilgiyi başka bir yere taşımak için kullanılan taşıyıcı dalga üzerindeki bilgiyi etkilemektir. Gelen radyo iletişimi modüle taşıyıcı olarak boşluk içinden iletildiği radyo dalgası bir için radyo alıcısı . Diğer bir amaç, frekans bölmeli çoğullama (FDM) kullanarak tek bir iletişim ortamı üzerinden birden fazla bilgi kanalı iletmektir . Örneğin , FDM kullanan kablolu televizyonda , farklı televizyon kanallarını taşıyan birçok taşıyıcı sinyal , müşterilere tek bir kablo üzerinden taşınmaktadır. Her taşıyıcı farklı bir frekansı işgal ettiğinden kanallar birbirine karışmaz. Hedef uçta, bilgi taşıyan modülasyon sinyalini çıkarmak için taşıyıcı sinyal demodüle edilir.

Bir modülatör, bir aygıt ya da devre yapar modülasyon olduğu. Bir demodülatör (bazen dedektör ), modülasyonun tersi olan demodülasyonu gerçekleştiren bir devredir . Bir modem (dan mo dulator- dem iki yönlü iletişimde kullanılan odulator), her iki işlemleri gerçekleştirebilir. Modülasyon sinyalinin kapladığı frekans bandına temel bant , modüle edilmiş taşıyıcının kapladığı daha yüksek frekans bandına ise geçiş bandı adı verilir .

Olarak analog modülasyon , bir analog bir modülasyon sinyali bir taşıyıcı üzerinde etkilenir. Örnek olarak genlik modülasyonu ettiği formül (AM) genlik taşıyıcı dalganın (mukavemeti), modülasyon sinyali tarafından değiştirilir ve frekans modülasyonu olan (FM) frekans taşıyıcı dalganın modülasyonu sinyali ile değişir. Bunlar en eski modülasyon türleriydi ve AM ve FM radyo yayınlarında sesi temsil eden bir ses sinyalini iletmek için kullanılıyordu . Daha yeni sistemler , taşıyıcı üzerinde bir ikili basamak (bit) dizisinden , bir bit akışından oluşan bir dijital sinyali etkileyen dijital modülasyonu kullanır . Olarak frekans kayma anahtarı kullanılır (FSK) modülasyonu, bilgisayar veri ve telemetri , taşıyıcı sinyal periyodik iki ikili basamak temsil eden iki frekans arasında kaydırılır. Olarak , dijital baz-bandı modülasyonu ( hat kodlama bölgesindeki iletim veri sağlamak için kullanılır) seri bilgisayar veri yolu kabloları ve kablolu LAN bilgisayar ağları gibi Ethernet , hat üzerindeki voltaj iki ikili basamak temsil eden iki genlikleri (voltaj seviyeleri) arasında geçiş, 0, 1, ve taşıyıcı (saat) frekansı verilerle birleştirilir. Çoklu taşıyıcılar, ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM) kullanan daha karmaşık bir dijital modülasyon yöntemi, WiFi ağlarında, dijital radyo istasyonlarında ve dijital kablolu televizyon iletiminde kullanılır.

Olarak müzik üretimi terimi modülasyonu farklı bir anlama sahiptir: kademeli olarak ses kayıtlarında hareket ve derinlik hissi yeniden üretilmesi için ses özelliklerinin değiştirilmesi işlemidir. Çeşitli ses efektleri ve sentez yöntemleri aracılığıyla başka bir sinyali (bir taşıyıcı ) kontrol etmek için bir kaynak sinyalinin (modülatör olarak bilinir) kullanılmasını içerir . Şarkıcılar ve diğer vokalistler için modülasyon, bir performans sırasında ses yüksekliği veya perde gibi seslerinin özelliklerini değiştirmek anlamına gelir.

Analog modülasyon yöntemleri

Düşük frekanslı bir mesaj sinyali (üstte), bir AM veya FM radyo dalgası tarafından taşınabilir.
1.000 Hz sinüzoid tarafından genlik modülasyonu ile 146.52 MHz radyo taşıyıcısının şelale çizimi . Taşıyıcı frekansından + ve - 1 kHz'de iki güçlü yan bant gösterilmiştir.
1.000 Hz'lik bir sinüzoid tarafından modüle edilmiş bir taşıyıcı, frekans. Modülasyon taşıyıcı frekansı küçük genliğe sahip, yani yaklaşık 2.4 ayarlanmıştır. Birkaç güçlü yan bant belirgindir; prensipte FM'de sonsuz sayıda üretilir, ancak daha yüksek dereceli yan bantlar ihmal edilebilir büyüklüktedir.

Olarak , analog modülasyon, modülasyon analog enformasyon sinyaline cevap olarak sürekli uygulanır. Yaygın analog modülasyon teknikleri şunları içerir:

Dijital modülasyon yöntemleri

Olarak , dijital modülasyon, bir analog taşıyıcı sinyalin ayrı bir sinyal ile modüle edilir. Dijital modülasyon yöntemleri, dijitalden analoğa dönüştürme ve karşılık gelen demodülasyon veya algılama, analogdan dijitale dönüştürme olarak düşünülebilir . Taşıyıcı sinyaldeki değişiklikler, sonlu sayıda M alternatif sembolden ( modülasyon alfabesi ) seçilir .

Rastgele seçilmiş değerleri içeren 4 baud, 8 bit/s veri bağlantısının şeması.

Basit bir örnek: Bir telefon hattı, dijital bitler (sıfırlar ve birler) değil, tonlar gibi duyulabilir sesleri aktarmak için tasarlanmıştır. Ancak bilgisayarlar, dijital bitleri tonlarla temsil eden ve sembol adı verilen modemler aracılığıyla bir telefon hattı üzerinden iletişim kurabilirler. Dört alternatif sembol varsa (bir seferde bir tane olmak üzere dört farklı ton üretebilen bir müzik aletine karşılık gelir), ilk sembol 00 bit dizisini, ikinci 01, üçüncü 10 ve dördüncü 11'i temsil edebilir. saniyede 1000 tondan oluşan bir melodi çalar, sembol hızı 1000 sembol/saniye veya 1000 baud'dur . Bu örnekte her ton (yani sembol) iki dijital bitten oluşan bir mesajı temsil ettiğinden, bit hızı sembol oranının iki katı, yani saniyede 2000 bittir.

Dijital sinyalin bir tanımına göre , modüle edilmiş sinyal bir dijital sinyaldir. Başka bir tanıma göre modülasyon, dijitalden analoğa dönüştürmenin bir biçimidir . Çoğu ders kitabı, dijital modülasyon şemalarını , veri iletimi ile eşanlamlı bir dijital iletim biçimi olarak kabul eder ; çok azı bunu analog iletim olarak kabul ederdi .

Temel dijital modülasyon yöntemleri

En temel dijital modülasyon teknikleri, anahtarlamaya dayanmaktadır :

QAM'de, bir faz içi sinyal (veya I, bir örnek kosinüs dalga formudur) ve bir kareleme faz sinyali (veya bir örnekte sinüs dalgası olan Q), sonlu sayıda genlik ile genlik modüle edilir ve ardından toplanır. İki kanallı bir sistem olarak görülebilir, her kanal ASK kullanır. Ortaya çıkan sinyal, PSK ve ASK kombinasyonuna eşdeğerdir.

Yukarıdaki yöntemlerin tümünde, bu fazların, frekansların veya genliklerin her birine benzersiz bir ikili bit modeli atanır . Genellikle her faz, frekans veya genlik eşit sayıda bit kodlar. Bu bit sayısı , belirli faz, frekans veya genlik tarafından temsil edilen sembolü içerir .

Alfabe alternatif sembollerden oluşuyorsa , her sembol N bitten oluşan bir mesajı temsil eder . Eğer bir simge hızı (aynı zamanda baud hızı ) olan ikinci sembol / (ya da baud ), veri hızıdır bit / saniye.

Örneğin 16 alternatif sembolden oluşan bir alfabe ile her sembol 4 biti temsil eder. Böylece, veri hızı baud hızının dört katıdır.

Modüle edilmiş sinyalin taşıyıcı frekansının sabit olduğu PSK, ASK veya QAM durumunda, modülasyon alfabesi genellikle uygun bir şekilde bir takımyıldız diyagramında temsil edilir ve I sinyalinin x eksenindeki genliğini ve her sembol için y eksenindeki Q sinyali.

Modülatör ve dedektör çalışma prensipleri

PSK ve ASK ve bazen de FSK, genellikle QAM ilkesi kullanılarak oluşturulur ve algılanır. I ve Q sinyalleri, karmaşık değerli bir I + jQ sinyali (burada j , sanal birimdir ) halinde birleştirilebilir. Elde edilen eşdeğer düşük geçiş sinyali veya eşdeğer temel bant sinyali , gerçek değerli modüle edilmiş fiziksel sinyalin ( geçiş bandı sinyali veya RF sinyali olarak adlandırılan) karmaşık değerli bir temsilidir .

Modülatör tarafından veri iletmek için kullanılan genel adımlar şunlardır :

  1. Gelen veri bitlerini, iletilecek her sembol için bir tane olacak şekilde kod sözcükleri halinde gruplayın.
  2. Kod sözcüklerini özniteliklerle eşleştirin, örneğin I ve Q sinyallerinin genlikleri (eşdeğer düşük geçiş sinyali) veya frekans veya faz değerleri.
  3. Bant genişliğini sınırlamak ve tipik olarak dijital sinyal işlemeyi kullanarak eşdeğer düşük geçiş sinyalinin spektrumunu oluşturmak için darbe şekillendirmeyi veya başka bir filtrelemeyi uyarlayın .
  4. I ve Q sinyallerinin dijitalden analoğa dönüşümünü (DAC) gerçekleştirin (bugünkü yukarıdakilerin tümü normalde dijital sinyal işleme , DSP kullanılarak elde edilir ).
  5. Yüksek frekanslı bir sinüs taşıyıcı dalga formu ve belki de bir kosinüs kareleme bileşeni oluşturun. Modülasyonu gerçekleştirin, örneğin sinüs ve kosinüs dalga biçimini I ve Q sinyalleriyle çarparak, eşdeğer düşük geçiş sinyalinin, modüle edilmiş geçiş bandı sinyaline veya RF sinyaline frekans kaydırılmasıyla sonuçlanır . Bazen bu, örneğin analog sinyal işleme yerine bir dalga formu tablosu kullanarak doğrudan dijital sentez gibi DSP teknolojisi kullanılarak elde edilir . Bu durumda yukarıdaki DAC adımı bu adımdan sonra yapılmalıdır.
  6. Harmonik bozulmayı ve periyodik spektrumu önlemek için amplifikasyon ve analog bant geçiren filtreleme.

Alıcı tarafında, demodülatör tipik olarak şunları gerçekleştirir:

  1. Bant geçiren filtreleme.
  2. Otomatik kazanç kontrolü , AGC ( zayıflamayı telafi etmek için , örneğin solma ).
  3. RF sinyalinin yerel bir osilatör sinüs dalgası ve kosinüs dalga frekansıyla çarpılmasıyla, RF sinyalinin eşdeğer temel bant I ve Q sinyallerine veya bir ara frekans (IF) sinyaline frekans kayması (bkz. süperheterodin alıcı ilkesi).
  4. Örnekleme ve analogdan dijitale dönüştürme (ADC) (bazen yukarıdaki noktadan önce veya onun yerine, örneğin alt örnekleme yoluyla ).
  5. Eşitleme filtreleme, örneğin, eşleşen bir filtre , çok yollu yayılım için kompanzasyon, zaman yayılımı, faz bozulması ve frekans seçici sönümleme, semboller arası girişimi ve sembol bozulmasını önlemek için .
  6. I ve Q sinyallerinin genliklerinin veya IF sinyalinin frekansının veya fazının tespiti.
  7. Genliklerin, frekansların veya fazların izin verilen en yakın sembol değerlerine göre nicelenmesi.
  8. Nicemlenmiş genliklerin, frekansların veya fazların kod sözcüklerine (bit grupları) eşlenmesi.
  9. Kod sözcüklerinin bir bit akışına paralelden seriye dönüştürülmesi.
  10. Ortaya çıkan bit akışını, herhangi bir hata düzeltme kodunun kaldırılması gibi sonraki işlemler için iletin.

Tüm dijital iletişim sistemlerinde olduğu gibi, hem modülatör hem de demodülatör tasarımı aynı anda yapılmalıdır. Verici-alıcı çifti, verilerin iletişim sisteminde nasıl kodlandığı ve temsil edildiği konusunda önceden bilgi sahibi olduğu için dijital modülasyon şemaları mümkündür. Tüm sayısal haberleşme sistemlerinde hem vericideki modülatör hem de alıcıdaki demodülatör ters işlem yapacak şekilde yapılandırılmıştır.

Asenkron yöntemler , gönderici taşıyıcı sinyaliyle faz senkronizasyonlu bir alıcı referans saat sinyali gerektirmez . Bu durumda modülasyon sembolleri (bitler, karakterler veya veri paketleri yerine) asenkron olarak aktarılır. Bunun tersi senkron modülasyondur .

Yaygın dijital modülasyon tekniklerinin listesi

En yaygın dijital modülasyon teknikleri şunlardır:

MSK ve GMSK , sürekli faz modülasyonunun özel durumlarıdır. Aslında MSK, bir sembol-zaman süresinin (toplam) bir dikdörtgen frekans darbesi (yani doğrusal olarak artan bir faz darbesi) ile tanımlanan sürekli fazlı frekans kaydırmalı anahtarlama (CPFSK) olarak bilinen CPM alt ailesinin özel bir durumudur. yanıt sinyali).

OFDM , frekans bölmeli çoğullama (FDM) fikrine dayanır , ancak çoğullanmış akışların tümü tek bir orijinal akışın parçalarıdır. Bit akışı, her biri bazı geleneksel dijital modülasyon şeması kullanılarak kendi alt taşıyıcısı üzerinden aktarılan birkaç paralel veri akışına bölünür. Modüle edilmiş alt taşıyıcılar, bir OFDM sinyali oluşturmak üzere toplanır. Bu bölme ve yeniden birleştirme, kanal bozukluklarının ele alınmasına yardımcı olur. OFDM, OFDM sembollerinin bir dizisini kullanarak bir bit akışını bir iletişim kanalı üzerinden aktardığından, bir multipleks tekniğinden ziyade bir modülasyon tekniği olarak kabul edilir. OFDM , ortogonal frekans bölmeli çoklu erişim (OFDMA) ve çok taşıyıcılı kod bölmeli çoklu erişim (MC-CDMA) şemalarında çok kullanıcılı kanal erişim yöntemine genişletilebilir , böylece birkaç kullanıcının aynı fiziksel ortamı paylaşmasına izin verir. alt taşıyıcılar veya farklı kullanıcılara kod dağıtma .

İki tür RF güç amplifikatörü arasında , anahtarlamalı amplifikatörler ( D Sınıfı amplifikatörler ) aynı çıkış gücüne sahip lineer amplifikatörlere göre daha ucuza mal olur ve daha az pil gücü kullanır . Ancak, yalnızca açı modülasyonu (FSK veya PSK) ve CDMA gibi nispeten sabit genlikli modülasyon sinyalleriyle çalışırlar , QAM ve OFDM ile çalışmazlar. Bununla birlikte, anahtarlama yükselteçleri normal QAM kümeleri için tamamen uygun olmasa da, genellikle QAM modülasyon ilkesi, anahtarlama yükselteçlerini bu FM ve diğer dalga biçimleriyle sürmek için kullanılır ve bazen bu anahtarlama yükselteçleri tarafından verilen sinyalleri almak için QAM demodülatörleri kullanılır.

Otomatik dijital modülasyon tanıma (ADMR)

Akıllı iletişim sistemlerinde otomatik sayısal modülasyon tanıma, yazılım tanımlı radyo ve bilişsel radyoda en önemli konulardan biridir . Akıllı alıcıların artan genişlemesine göre, otomatik modülasyon tanıma, telekomünikasyon sistemleri ve bilgisayar mühendisliğinde zorlu bir konu haline geliyor. Bu tür sistemlerin birçok sivil ve askeri uygulaması vardır. Ayrıca modülasyon tipinin kör olarak tanınması ticari sistemlerde, özellikle yazılım tanımlı radyolarda önemli bir problemdir . Genellikle bu tür sistemlerde, sistem konfigürasyonu için bazı ekstra bilgiler vardır, ancak akıllı alıcılardaki kör yaklaşımları göz önünde bulundurarak, aşırı bilgi yükünü azaltabilir ve iletim performansını artırabiliriz. Açıktır ki, iletilen veriler ve alıcıdaki sinyal gücü, taşıyıcı frekansı ve faz sapmaları, zamanlama bilgileri, vb. gibi birçok bilinmeyen parametre hakkında hiçbir bilgi olmadan, modülasyonun kör olarak tanımlanması oldukça zorlaştırılır. Bu, çok yollu sönümleme, frekans seçici ve zamanla değişen kanallarla gerçek dünya senaryolarında daha da zorlaşır.

Otomatik modülasyon tanıma için iki ana yaklaşım vardır. İlk yaklaşım, uygun bir sınıfa bir giriş sinyali atamak için olabilirliğe dayalı yöntemleri kullanır. Son zamanlardaki bir başka yaklaşım da özellik çıkarımına dayanmaktadır.

Dijital temel bant modülasyonu veya hat kodlaması

Terimi, dijital baz-bandı modülasyonu (ya da dijital baz-bandı iletim) ile eşanlamlıdır hattı kodları . Bunlar, bir kablo veya seri veri yolu üzerindeki voltajı veya akımı doğrudan modüle ederek bir darbe katarı, yani ayrık sayıda sinyal seviyesi kullanarak bir analog temel bant kanalı (diğer bir deyişle düşük geçiş kanalı) üzerinden bir dijital bit akışını aktarma yöntemleridir . Yaygın örnekler, tek kutuplu , sıfıra dönüşsüz (NRZ), Manchester ve alternatif marka ters çevirme (AMI) kodlamalarıdır.

Darbe modülasyon yöntemleri

Darbe modülasyon şemaları, bir darbe dalgasını modüle ederek dar bantlı bir analog sinyali bir analog temel bant kanalı üzerinden iki seviyeli bir sinyal olarak aktarmayı amaçlar . Bazı darbe modülasyon şemaları, aynı zamanda, dar bantlı analog sinyalin , örneğin bazı hatlar gibi temel bir dijital iletim sistemi üzerinden aktarılabilen sabit bir bit hızına sahip bir dijital sinyal (yani, nicelenmiş ayrık zamanlı bir sinyal olarak ) olarak aktarılmasına da izin verir. kod . Bunlar, kanal kodlama şemaları olmadığı için geleneksel anlamda modülasyon şemaları değildir , ancak kaynak kodlama şemaları ve bazı durumlarda analogdan dijitale dönüştürme teknikleri olarak düşünülmelidir .

Analog-over-analog yöntemleri

Analog-over-dijital yöntemler

Çeşitli modülasyon teknikleri

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar