7. Modulacje analogowe i cyfrowe

Informacja zapisana jest zwykle w postaci sygnału elektrycznego, ale nie przesyłamy jej bezpośrednio, lecz używamy do tego celu fali nośnej, którą modulujemy sygnałem zawierającym informację.

Fala nośna jest sygnałem elektrycznym, najczęściej sinusoidalnym, poddawanym procesowi modulacji.

Fala modulująca jest sygnałem zawierającym informacje, użytym do kontroli/modulacji fali nośnej.

Fala zmodulowana to końcowy efekt procesu modulacji fali nośnej przez falę modulującą, fala zmodulowana przesyłana jest od nadajnika do odbiornika.

Demodulacja to proces usuwania fali nośnej i odzyskiwania informacji

Podstawowym zadaniem modulacji jest polepszenie jakości sygnału odtworzonego po stronie odbiorczej lub umożliwienie przesyłania tego sygnału kanałami o parametrach gorszych, niż wymagane.

Podstawowe rodzaje modulacji:

• Modulacja amplitudy,

• Modulacja kąta,

• Modulacja częstotliwości,

• Modulacja fazy,

• Modulacja Impulsowa

Modulacja analogowa. Mamy z nią do czynienia wtedy, kiedy określony parametr

(amplituda, częstotliwość lub faza) przebiegu fali nośnej ulga zmianom zgodnie ze

zmianami wartości amplitudy sygnału wejściowego.

Modulacja cyfrowa jest jedną z metod zamiany prostokątnego sygnału strumienia

cyfrowego na sinusoidalną falę nośną transmitowaną w naturalnym paśmie akustycznym linii komunikacyjnej. Dokonuje się tego poprzez przekształcenie sygnału przesyłanego do postaci, której widmo mieściłoby się w paśmie przenoszenia kanału (pasmo zajmowane przez sygnał analogowy jest większe niż pasmo wymagane dla sygnału cyfrowego).

Przez zmianę wartości jednego z trzech parametrów opisujących sinusoidę fali

nośnej (A - amplitudy, F - częstotliwości oraz P - fazy sygnału nośnej) uzyskuje się

odpowiednio trzy typy modulacji:

• Modulacja amplitudy AM (Amplitude Modulation) - dla sygnałów analogowych, wielkość amplitudy przebiegu fali nośnej ulga zmianom zgodnie ze zmianami wartości amplitudy sygnału wejściowego.

Podczas modulacji sygnałów cyfrowych przełączanie dokonuje się między dwoma poziomami amplitudy, a ten sposób modulacji nazywa się kluczowaniem amplitudy ASK (Amplitude Shift Keying). Zmodulowany cyfrowo sygnał akustyczny brzmi jak pojedynczy ton o szybkich zmianach głośności, aczkolwiek zmiany te następują zbyt szybko, by mogły być rozróżniane przez człowieka. Transmitowany sygnał zmodulowany w ten sposób podatny jest na tłumienie, w wyniku czego odbierany sygnał może być inny od wysłanego, dlatego modulacja ASK nie jest odpowiednia do przesyłania danych.

• Modulacja częstotliwości FM (Frequency Modulation) - wartość częstotliwości ulga zmianom zgodnie ze zmianami wartości amplitudy sygnału wejściowego.

Modulację częstotliwości stosowaną do transmisji cyfrowych nazwano kluczowaniem częstotliwości FSK (Frequency Shift Keying). W najprostszym przypadku są używane tylko dwie częstotliwości: fL (low) — zwykle do przedstawienia stanu logicznej „jedynki” oraz fH (high) — przy interpretacji stanu „zera” sygnału wejściowego poddawanego modulacji. Zmodulowany sygnał brzmi jak dwa zmieniające się dźwięki.

Modulacja FSK

• Modulacja fazy PM (Phase Modulation) kodowanie informacji w fali nośnej przez zmianę jej chwilowej fazy, w zależności od sygnału wejściowego. Modulacja fazy jest rzadko używana w systemach analogowych, gdyż modulacja częstotliwości (FM) pozwala na zastosowanie prostszych modulatorów i demodulatorów sygnału

Do modulacji przebiegów cyfrowych stosuje się modulację z kluczowaniem fazy PSK (Phase Shift Keying). Na przykład jeśli fala biegnie w danej chwili ku dołowi, a sygnał cyfrowy ulegnie zmianie, kierunek przebiegu zmieniany jest tak, że biegnie on ku górze. Istnieje wiele odmian podstawowej postaci modulacji PSK. Każdy rodzaj modulacji charakteryzują wady i zalety, które decydują o tym, jaki typ najlepiej zastosować w danej aplikacji. Podstawowa postać modulacji fazy to dwuwartościowa modulacja BPSK (Binary PSK). Wraz ze zmianą stanu logicznego cyfrowego sygnału modulującego faza sygnału BPSK jest przełączana między dwiema wartościami odległymi zazwyczaj o 180°. Oznacza to, że w najprostszej formie modulacja fazy powoduje przesunięcie fazy nośnej o 0° lub 180°, w zależności od stanu wejściowego sygnału.

Oprócz dwustanowych modulacji szeroko rozpowszechnione są też

wielowartościowe odmiany modulacji PSK. Przykładem jest modulacja kwadraturowa QPSK (Quadrature PSK). W przypadku QPSK faza sygnału może przyjmować 4 wartości przesunięte o 90°. W modulacji 8-PSK występuje 8 wartości fazy sygnały zmodulowanego.

1 - przebieg modulującego sygnału cyfrowego

2 - zmodulowany ASK

3 - zmodulowany FSK

4 - zmodulowany PSK

Jak widać na wykresie, sygnały PSK i FSK wyróżniają się stałą amplitudą

chwilową, niezależną od sygnału modulującego. Ta właściwość jest bardzo przydatna podczas transmisji sygnału przez mikrofalowe linie radiowe oraz kanały satelitarne, w których (na skutek nieliniowości kanału) występują zmiany amplitudy transmitowanego sygnału. Z tego powodu modulacje PSK i FSK są preferowane w praktyce przed ASK w cyfrowej transmisji sygnałów w kanałach nieliniowych.

Modulacja QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation). Kwadraturowa modulacja amplitudowo-fazowa. Modulacja QAM jest kombinacją modulacji amplitudy i fazy. Dane formowane są w dwójki, trójki, czwórki itd., które odpowiadają zarówno amplitudzie jak i fazie. Tworzone są według diagramu konstelacji (ang. Constellation diagram). Nośna powstaje w wyniku sumowania dwóch przebiegów: kosinusoidalnego i sinusoidalnego (powstałego z przesunięcia cosinusoidy w fazie o π/2). Modulacja QAM może być analogowa i cyfrowa.

Bardzo popularna jest modulacja czterostanowa QAM. Amplituda transmitowanego sygnału jest stała a faza przyjmuje jedną z czterech wartości.

QAM czterostanowa

---