Модуляция радиосигнала / Хабр
В комментариях к статье «Критерии качества сигнала в сетях WiMax»zlyoha посетовал на отсутствие статей описывающей физическую сторону передачи информации по радио каналу.
Мы решили исправить это упущение и написать цикл постов о беспроводной передаче данных.
В первом из них мы расскажем о главном аспекте передачи информации посредством радиосигнала – модуляции.
Модуля́ция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.
Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты высокочастотной несущей.
Эта техника дает несколько важных преимуществ:
- Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты.
- Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть пропорционален длине волны.
- Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.
Передаваемый в сетях WiMax поток данных соответствует частоте в районе 11 кГц. Если мы попробуем передавать этот низкочастотный сигнал по воздуху, нам понадобится антенна следующих размеров:
Антенна длинной 24 километра не кажется достаточно удобной в использовании.
Если же мы будем передавать этот сигнал наложенным на несущую частоту в 2.5 ГГц (частота используемая в Yota WiMax), то нам понадобится антенна длиной 12 см.
Аналоговая модуляция.
Прежде чем перейти непосредственно к цифровой модуляции, приведу картинку, иллюстрирующую аналоговую AM (амплитудную) и FM (частотную) модуляцию, которая освежит у многих школные познания:
исходный сигнал
AM (амплитудная модуляция)
FM (частотная модуляция)
Цифровая модуляция и ее типы.
В цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется цифровым битовым потоком.
Существуют три фундаментальных типа цифровой модуляции (или шифтинга) и один гибридный:
- ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).
- FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).
- PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).
- ASK/PSK.
Упомяну, что существует традиция в русской терминологии радиосвязи использовать для модуляции цифровым сигналом термин «манипуляция».
В случае амплитудного шифтинга амплитуда сигнала для логического нуля может быть (например) в два раза меньше логической и единицы.
Фазовый шифтинг представляет «0» как сигнал без сдвига, а «1» как сигнал со сдвигом.
Да, тут мы как раз имеем дело со «сдвигом по фазе» 🙂
Каждая из схем имеет свои сильные и слабые стороны.
- ASK хороша с точки зрения эффективности использования полосы частот, но подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно эффективна с точки зрения потребляемой мощности.
- FSK – с точностью до наоборот, энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу частот.
- PSK – хороша в обоих аспектах.
- ASK/PSK – комбинация двух схем. Она позволяет еще лучше использовать полосу частот.
Самая простая PSK схема (показанная на рисунке) имеет собственное название — Binary phase-shift keying. Используется единственный сдвиг фазы между «0» и «1» — 180 градусов, половина периода.
QPSK использует 4 различных сдвига фазы (по четверти периода) и может кодировать 2 бита в символе (01, 11, 00, 10). 8-PSK использует 8 разных сдвигов фаз и может кодировать 3 бита в символе.
Подробнее тут
Одна из частных реализаций схемы ASK/PSK которая называется QAM — Quadrature Amplitude Modulation (квадратурная амплитудная модуляция (КАМ). Это метод объединения двух AM-сигналов в одном канале. Он позваляет удвоить эффективную пропускную способность. В QAM используется две несущих с одинаковой частотой но с разницей в фазе на четверть периода (отсюда и возникает слово квадратура). Более высокие уровни QAM строятся по тому же принципы, что и PSK. Если вас интересуют детали, вы без труда можете их найти в сети.
| Формат | Эффективность (бит/с/Гц) |
| BPSK | 1 |
| QPSK | 2 |
| 8-PSK | 3 |
| 16-QAM | 4 |
| 32-QAM | 5 |
| 64-QAM | 6 |
| 256-QAM | 8 |
Чем сложнее схема модуляции, тем более пагубное воздействие на нее оказывают искажения при передаче, и тем меньше расстояние от базовой станции, на котором сигнал может быть успешно принят.
Теоретически возможны PSK и QAM схемы еще более высокого уровня, но на практике при их использовании возникает слишком большое количество ошибок.
Модуляция сигнала в сетях WiMax.
В WiMax используется «динамическая адаптивная модуляция», которая позволяет базовой станции делать выбор между пропускной способностью и максимальным расстоянием до приемника. Чтобы увеличить дальность, базовая станция может переключиться между 64-QAM, 16-QAM и QPSK.
Заключение.
Я надеюсь, что у меня получилось соблюсти баланс между популярностью изложения и техничностью содержания. Если данная статья окажется востребованной, я продолжу работать в этом направлении. Технология WiMax имеет множество нюансов, о которых можно рассказать.
Виды модуляции сигналов: частотная, фазовая, амплитудная, видео
Пример HTML-страницыСодержание
- Что такое модуляция сигнала?
- Амплитудная модуляция
- Частотная модуляция
- Фазовая модуляция
- Импульсная модуляция
Модуляцией называют процесс преобразования одной либо нескольких характеристик модулирующего высокочастотного колебания при воздействии управляющего низкочастотного сигнала.
В итоге спектр управляющего сигнала перемещается в высокочастотную область, где передача высоких частот является более эффективной.
Модуляция выполняется с целью передачи информации посредством электромагнитного излучения. Передаваемые данные содержатся в управляющем сигнале. А функцию переносчика осуществляет высокочастотное колебание, именуемое несущим. В роли несущего колебания могут быть использованы колебания разнообразной формы: пилообразные, прямоугольные и др., но обычно используют гармонические синусоидальные.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Исходя из того, какая именно характеристика синусоидального колебания изменяется, различают несколько типов модуляции:
Амплитудная модуляция
На вход модулирующего устройства передают модулирующий и опорный сигналы, в результате на выходе имеем смодулированный сигнал. Условием корректного преобразования считается удвоенное значение несущей частоты в сравнении с максимальным значением полосы модулирующего сигнала.
Данный тип модуляции достаточно прост в исполнении, но отличается невысокой помехоустойчивостью.
Помехонеустойчивость возникает вследствие узкой полосы модулируемого сигнала. Ее используют в основном в средне- и низкочастотных интервалах электромагнитного спектра.
Частотная модуляция
В результате данного типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала, а не мощность. Поэтому если величина сигнала увеличивается, то, соответственно, растет частота. Ввиду того, что полоса получаемого сигнала намного шире исходной величины сигнала.
Такая модуляция характеризуется высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения следует использовать высокочастотный диапазон.
Фазовая модуляция
В процессе данного типа модуляции модулирующий сигнал использует фазу опорного сигнала. При данном типе модулирования получаемый сигнал имеет достаточно широкий спектр, потому что фаза оборачивается на 180 градусов.
Фазовая модуляция активно используется для формирования помехозащищенной связи в микроволновом диапазоне.
Импульсная модуляция
В качестве несущего сигнала могут использоваться незатухающие функции, шумы, последовательность импульсов и пр. Так, при импульсной модуляции в роли несущего сигнала используется последовательность узких импульсов, а в роли модулирующего сигнала выступает дискретный либо аналоговый сигнал. Так как последовательность импульсов характеризуется 4 характеристиками, то различают 4 типа модуляции:
частотно-импульсная
широтно-импульсная
амплитудно-импульсная
фазово-импульсная
Типы и методы радиомодуляции » Electronics Notes
Чтобы радиосигнал мог нести информацию, его необходимо варьировать или модулировать — существуют различные типы модуляции, каждый из которых лучше всего подходит для разных ситуаций.
Типы и методы модуляции Включает:
Типы и методы модуляции
Обозначения излучений МСЭ
Форматы модуляции: Амплитудная модуляция Модуляция частоты Фазовая модуляция Квадратурная амплитудная модуляция
Радиосигналы должны быть модулированы или каким-то образом изменены, чтобы они могли передавать информацию в любой форме. При переходе от аналогового к цифровому, от амплитуды к частоте и фазе некоторые аспекты сигнала должны быть изменены или промодулированы в соответствии с сигналом, который необходимо передать.
Существуют различные способы модуляции сигнала с использованием одного из множества различных методов, и, следовательно, существуют различные типы модуляции. Каждый тип модуляции имеет свои особенности. Различные типы модуляции применимы для различных случаев. Некоторые типы и методы лучше в одних ситуациях, чем в других.
Поэтому важно понимать, какие существуют различные типы модуляции и какие методы можно использовать.
Таким образом, для любой конкретной ситуации можно выбрать наилучшую форму модуляции.
Основные типы модуляции
Существует три основных метода модуляции несущей радиочастоты или сигнального сигнала:
- Амплитудная модуляция, AM: Как следует из названия, эта форма модуляции включает модуляцию амплитуды или интенсивности сигнала.
Амплитудная модуляция, AM Амплитудная модуляция была первым типом модуляции, который использовался для передачи звука. Сегодня все чаще используются другие формы модуляции, но амплитудная модуляция по-прежнему широко используется.Подробнее о . . . . Амплитудная модуляция, AM
- Частотная модуляция, FM: Эта форма модуляции изменяет частоту в соответствии с модулирующим сигналом.
Частотная модуляция, FM Преимущество частотной модуляции заключается в том, что можно ограничить амплитудный шум в сигнале, потому что только изменения частоты несут необходимую информацию.Подробнее о . . . . Частотная модуляция, FM.
- Фазовая модуляция, PM: Как следует из названия, фазовая модуляция изменяет фазу несущей в соответствии с модулирующим сигналом.
Фазовая модуляция и частотная модуляция имеют много общего и связаны друг с другом — одно является дифференциалом другого. Однако фазовая модуляция подходит для передачи данных, и в результате ее использование быстро растет в последние годы. Подробнее о . . . . Фазовая модуляция.
. . . Фазовая модуляция. Каждый тип модуляции имеет свои преимущества и недостатки, и, соответственно, все они используются в различных приложениях радиосвязи.
В дополнение к трем основным основным формам модуляции или методам модуляции существует множество вариантов каждого типа. Опять же, эти методы модуляции используются в различных приложениях, некоторые для аналоговых приложений, а другие для цифровых приложений.
Угловая модуляция
Угловая модуляция — это название форм модуляции, основанных на изменении угла или фазы синусоидальной несущей. При использовании угловой модуляции амплитуда несущей не меняется.
К категории угловой модуляции относятся две формы модуляции: частотная модуляция и фазовая модуляция.
Оба типа угловой модуляции, а именно частотная модуляция и фазовая модуляция, связаны между собой, поскольку частота является производной фазы, т. е. частота представляет собой скорость изменения фазы.
Другой способ взглянуть на связь между двумя типами модуляции заключается в том, что частотно-модулированный сигнал может быть сгенерирован путем сначала интегрирования формы модулирующего сигнала, а затем использования результата в качестве входных данных для фазового модулятора. И наоборот, фазово-модулированный сигнал можно сгенерировать, сначала дифференцируя модулирующий сигнал, а затем используя результат в качестве входных данных для частотного модулятора.
Комбинации модуляции
Можно использовать формы модуляции, сочетающие компоненты амплитудной и угловой модуляции. Таким образом, можно добиться повышения производительности.
- Квадратурная амплитудная модуляция, QAM: При использовании этой формы информации информация об амплитуде и фазе используется для переноса сигнала. Данные модулируются на синфазные и квадратурные элементы сигнала: I и Q, а созвездие образует ряд точек в двух плоскостях.
Подробнее о .
. . . Квадратурная амплитудная модуляция, QAM. - Амплитудная и фазовая манипуляция, APSK: Используя APSK, созвездие может быть организовано для оптимизации отношения пиковой мощности к средней и может быть установлено меньшее количество уровней амплитуды по сравнению с QAM. Это позволяет ВЧ-усилителям мощности работать более эффективно.
. . . Квадратурная амплитудная модуляция, QAM. Ширина полосы сигнала
Одним из ключевых элементов любого сигнала является полоса пропускания, которую он занимает. Это важно, поскольку определяет требуемую полосу пропускания канала и, следовательно, количество каналов, которые могут быть размещены в данном сегменте радиочастотного спектра. С увеличением нагрузки на радиоспектр ширина полосы радиосигнала становится важной характеристикой любого типа радиоизлучения или передачи.
Пропускная способность определяется двумя основными параметрами:
- Тип модуляции Некоторые формы модуляции используют свою полосу пропускания более эффективно, чем другие. Соответственно, когда использование спектра имеет важное значение, уже одно это может диктовать выбор модуляции.
- Полоса пропускания модулирующего сигнала: Минимальную полосу пропускания, через которую может передаваться сигнал, определяет закон Шеннона. В общем, чем шире полоса пропускания модулирующего сигнала, тем шире необходимая полоса пропускания.
Соответственно, когда использование спектра имеет важное значение, уже одно это может диктовать выбор модуляции.Тип модулирующего сигнала
При выборе используемого типа модуляции необходимо учитывать преимущества и недостатки каждого типа модуляции. AM и FM широко используются для аналоговой передачи звука, тогда как фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция часто используются для передачи цифровых данных.
Другие основные темы радио:
Радиосигналы
Типы и методы модуляции
Амплитудная модуляция
Модуляция частоты
OFDM
ВЧ микширование
Петли фазовой автоподстройки частоты
Синтезаторы частоты
Пассивная интермодуляция
ВЧ аттенюаторы
ВЧ-фильтры
РЧ циркулятор
Типы радиоприемников
Суперхет радио
Избирательность приемника
Чувствительность приемника
Приемник с сильным сигналом
Динамический диапазон приемника
Вернуться в меню тем радио.
. .
Радиотехника | История, принципы, типы и факты
- Похожие темы:
- Wi-Fi Bluetooth спутниковое радио любительское радио коротковолновое радио
Просмотреть весь связанный контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
радиотехника , передача и обнаружение сигналов связи, состоящих из электромагнитных волн, которые распространяются по воздуху по прямой линии или путем отражения от ионосферы или от спутника связи.
Основные физические принципы
Электромагнитное излучение включает в себя свет, а также радиоволны, и у них много общих свойств. Оба распространяются в пространстве примерно по прямым линиям со скоростью около 300 000 000 метров (186 000 миль) в секунду и имеют амплитуды, которые циклически меняются со временем; то есть они колеблются от нулевой амплитуды до максимальной и обратно.
Количество повторений цикла за одну секунду называется частотой (обозначается как 9).0164 f ) в циклах в секунду, а время, необходимое для завершения одного цикла, составляет 1/ f секунд, иногда называемое периодом. В память о немецком первооткрывателе Генрихе Герце, который провел некоторые из первых экспериментов с радио, цикл в секунду теперь называется герцем, так что частота одного цикла в секунду записывается как один герц (сокращенно Гц). Более высокие частоты обозначены аббревиатурой, как показано в таблице 3.
| срок | циклов в секунду | Сокращенное название | эквивалент |
|---|---|---|---|
| 1 герц | 1 | 1 Гц | |
| 1 килогерц | 1000 | 1 кГц | 1000 Гц |
| 1 мегагерц | 1 000 000 (10 6 ) | 1 МГц | 1000 кГц |
| 1 гигагерц | 1 000 000 000 (10 9 ) | 1 ГГц | 1000 МГц |
Радиоволна, распространяющаяся в пространстве, в любой момент времени будет иметь изменение амплитуды в направлении своего распространения, аналогичное изменению ее во времени, подобно волне, распространяющейся по водной поверхности.
Расстояние от одного гребня волны до другого известно как длина волны.
Длина волны и частота связаны. Разделив скорость электромагнитной волны ( c ) на длину волны (обозначаемую греческой буквой лямбда, λ), мы получим частоту: ф = с/ λ. Таким образом, длина волны 10 метров имеет частоту 300 000 000, деленное на 10, или 30 000 000 герц (30 мегагерц). Длина волны света намного короче, чем у радиоволн. В центре светового спектра длина волны составляет около 0,5 микрона (0,0000005 метра), или частота 6 × 10 90 209 14 90 210 герц или 600 000 гигагерц (один гигагерц равен 1 000 000 000 герц). Максимальная частота в радиоспектре обычно принимается равной примерно 45 гигагерцам, что соответствует длине волны примерно 6,7 мм. Радиоволны можно генерировать и использовать на частотах ниже 10 кГц (λ = 30 000 метров).
Механизм распространения волн
Радиоволна состоит из электрических и магнитных полей, взаимно вибрирующих под прямым углом друг к другу в пространстве.
Когда эти два поля работают синхронно во времени, говорят, что они находятся в фазе времени; то есть оба достигают своего максимума и минимума вместе и оба проходят через ноль вместе. По мере увеличения расстояния от источника энергии площадь, по которой распространяется электрическая и магнитная энергия, увеличивается, так что доступная энергия на единицу площади уменьшается. Интенсивность радиосигнала, как и интенсивность света, уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.
Передающая антенна — это устройство, которое проецирует радиочастотную энергию, генерируемую передатчиком, в космос. Антенна может быть сконструирована таким образом, чтобы концентрировать радиоэнергию в луч, подобный прожектору, и, таким образом, повышать эффективность в заданном направлении ( см. электроника).
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Радиочастотный спектр условно делится на ряд полос от очень низких частот до сверхвысоких частот ( см.
Таблица 4). Участки спектра были распределены между различными пользователями ( см. Щелкните здесь, чтобы увидеть таблицу 5 в полном размере), такими как телеграф, телефонная речь, телеметрия, радио- и телевещание.
| обозначение частоты | Диапазон частот | диапазон длин волн |
|---|---|---|
| *Также называется короткими волнами. | ||
| очень низкие частоты (VLF) | 3–30 кГц | 100 000–10 000 м |
| низкие частоты (НЧ) | 30–300 кГц | 10 000–1 000 м |
| средние частоты (СЧ) | 300–3000 кГц | 1000–100 м |
| высокие частоты (ВЧ)* | 3–30 мегагерц | 100–10 м |
| очень высокие частоты (УКВ) | 30–300 мегагерц | 10–1 м |
| сверхвысокие частоты (УВЧ) | 300–3000 мегагерц | 1 м–10 см |
| сверхвысокие частоты (СВЧ) | 3–30 гигагерц | 10–1 см |
Ширина полосы радиочастот – это диапазон частот, охватываемый модулированным радиочастотным сигналом.
Информация, переносимая сигналом, имеет определенную полосу пропускания, связанную с ней, и несущая должна иметь ширину канала, по крайней мере, такую же, как ширина полосы пропускания информации. Для обычного радиовещания с амплитудной модуляцией (AM) ширина полосы радиочастот должна быть в два раза больше ширины полосы информационных частот. Для работы телетайпа и телекса требуется лишь небольшая полоса пропускания, порядка 200 герц, в зависимости от максимальной скорости импульсов, формирующих информационный код. Телефонная речь должна обладать высокой разборчивостью, но естественность (высокая точность воспроизведения) не имеет большого значения. Испытания показали, что основные компоненты речи находятся в диапазоне от 300 до 3500 герц, поэтому телефонные каналы, передаваемые по радио, обычно ограничены полосой пропускания около четырех килогерц. Чем меньше используемая информационная полоса пропускания, тем больше речевых каналов может быть передано в заданной полосе пропускания несущей, и тем более экономичной будет система.
