Методы цифровой модуляции

Процесс передачи цифровых данных с помощью несущей называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Для того чтобы цифровые данные могли быть переданы по аналоговому каналу, они должны быть сначала преобразованы в аналоговый основополосный сигнал, а затем результирующий сигнал центрируется на несущей частоте для оптимальной передачи через среду передачи. Примером сетей, в которых цифровые данные передаются с помощью аналоговых сигналов, являются телефонные сети общего пользования и беспроводные сети.

Как уже было сказано ранее, в процессе модулирования задействована одна из трех характеристик несущего сигнала: амплитуда, фаза и частота. Соответственно существуют три основные технологии модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал:

  • амплитудная манипуляция (Amplitude-Shift Keying, ASK);
  • частотная манипуляция (Frequency-Shift Keying, FSK);
  • фазовая манипуляция (Phase-Shift Keying, PSK).
Рис. 3. 23 Модуляция цифровых данных аналоговыми сигналами
Рис. 3. 23 Модуляция цифровых данных аналоговыми сигналами

При амплитудной манипуляции (ASK) значения «0» и «1» представляются сигналами несущей частоты с двумя различными амплитудами. Одна из амплитуд, как правило, выбирается равной нулю; т.е. одно двоичное число представляется наличием несущей частоты при постоянной амплитуде, а другое – ее отсутствием.

амплитудная манипуляция (Amplitude-Shift Keying, ASK)

где А cos(2πƒct) – несущий сигнал, (t) – результирующий сигнал.

Амплитудная манипуляция является частным случаем квадратурной амплитудной модуляции.

При частотной манипуляции (FSK) цифровая информация представляется изменением частоты несущего сигнала. Самой простейшей формой частотной манипуляции является бинарная (Binary FSK, BFSK), в которой значения «0» и «1» представляются сигналами двух различных частот, расположенных около несущей.

частотная манипуляция (Frequency-Shift Keying, FSK)

где f1 и f2– частоты, смещенные от несущей частоты fc на величины, равные по модулю, но противоположные по знаку.

Частотная манипуляция использовалась в первых модемах и позволяла осуществлять дуплексную передачу данных в телефонных линиях.

При фазовой манипуляции (PSK) для представления данных выполняется изменение фазы несущего сигнала. В настоящее время разработано несколько вариантов фазовой манипуляции, которые широко применяются для передачи данных на разных скоростях в беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11.

Наиболее простой фазовой манипуляцией является бинарная или двухуровневая фазовая манипуляция (Binary PSK, BPSK), где для представления двух двоичных цифр используются две фазы несущего сигнала 0 ° и 180 °.

фазовая манипуляция (Phase-Shift Keying, PSK)

BPSK является самой устойчивой к помехам фазовой манипуляцией, но при каждом изменении сигнала может переносить только 1 бит информации. Это делает ее непригодной для высокоскоростных приложений.

Альтернативной формой двухуровневой PSK является дифференциальная двухуровневая PSK (Differential BPSK, DBPSK). Суть DBPSK заключается в том, что кодируется не сам бит информации, а его изменение. При передаче двоичного 0 фаза несущего сигнала не изменяется, при передаче двоичной 1 фаза несущего сигнала меняется на противоположную. Другими словами сдвиг фаз выполняется относительно предыдущего переданного бита.

Квадратурная или четырехуровневая фазовая манипуляция (Quadrature PSK, QPSK) использует четыре значения фазы несущего сигнала, и каждое состояние фазы выполняет передачу сразу двух битов информации. По сравнению с BPSK это позволяет повысить скорость передачи в два раза и эффективнее использовать полосу пропускания. В QPSK, вместо сдвига фазы на 180°, используются сдвиги фаз, кратные π⁄2 (90°). При этом значения битов выбраны таким образом, чтобы при переходе к соседнему состоянию фазы несущего сигнала ошибки на приеме приводили не более чем к одиночной битовой ошибке.

При дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (Differential QPSK, DQPSKтакже как и при дифференциальной BPSK изменение фазы происходит при изменении информационных битов.

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) является широко используемым в стандартах беспроводных и проводных сетей методом аналоговой передачи сигналов.

Данная схема модуляции совмещает в себе амплитудную и фазовую манипуляции. В методе QAM использованы преимущества одновременной передачи двух различных сигналов на одной несущей частоте, но при этом задействованы две копии несущей частоты, сдвинутые относительно друг друга на 90°. При квадратурной амплитудной модуляции обе несущие являются амплитудно-модулированными. Два независимых сигнала одновременно передаются через одну среду. В приемнике эти сигналы демодулируются, а результаты объединяются с целью восстановления исходного двоичного сигнала.

При использовании двухуровневой амплитудной модуляции (2QAM) каждый из двух потоков может находиться в одном из двух состояний, а объединенный поток – в одном из 2 х 2 = 4 состояний. При использовании четырехуровневой модуляции (т.е. четырех различных уровней амплитуды, 4QAM) объединенный поток будет находиться в одном из 4 х 4 = 16 состояний. Уже реализованы системы, имеющие 64 (64QAM) или 256 (256QAM) состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы пропускания. При этом не стоит забывать, чем больше число состояний, тем выше потенциальная частота возникновения ошибок вследствие помех или поглощения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

три × два =