Скорочтение:
Классификация методов модуляции
Применение методов беспроводной модуляции
Применение методов аналоговой модуляции AM, FM, PM
Применение методов цифровой модуляции ASK, FSK, PSK, QAM
Применение импульсной модуляции PCM, PAM, PPM, PWM
Приложения с расширенным спектром
Модуляция — это процесс смешивания сигнала сообщения низкой энергии с сигналом несущей высокой энергии для создания нового сигнала высокой энергии, который может передавать информацию на большие расстояния. Другими словами, модуляция — это процесс изменения характеристик (амплитуда, частота или фаза) несущего сигнала в соответствии с амплитудой сигнала сообщения.
Какие типы сигналов включены в модуляцию?
1. Сигнал сообщения
Сигнал сообщения — это сообщение, которое мы хотим передать по назначению, например, наш голосовой сигнал и т. д. Его также называют модулированным сигналом или сигналом основной полосы частот.
2. Несущий сигнал
Высокоэнергетический или высокочастотный сигнал, который имеет такие характеристики, как амплитуда, частота и фаза, но не содержит никакой полезной информации, называется несущим сигналом или несущей волной.
3. Модулированный сигнал
Когда сигнал сообщения и сигнал несущей смешиваются, будет генерироваться новый сигнал, который мы называем модулированным сигналом.
Классификация методов модуляции
Методы модуляции грубо делятся на четыре типа: аналоговая модуляция, цифровая модуляция, импульсная модуляция и методы расширенного спектра.
(1) Аналоговая модуляция:
Аналоговая модуляция — это технология, используемая для передачи аналоговых сигналов (постоянно меняющихся сигналов) в беспроводной связи. Этот процесс включает в себя объединение аналогового сигнала с сигналом несущей для передачи по среде связи.
При аналоговой модуляции аналоговый сигнал обычно представляет собой аудио- или видеосигнал, а сигнал несущей представляет собой высокочастотный сигнал. Объединив аналоговый сигнал и сигнал несущей, информация аналогового сигнала может быть внедрена в сигнал несущей, тем самым формируя модулированный сигнал. Этот модулированный сигнал может передаваться по среде передачи (например, по воздуху, кабелю или оптическому волокну), а затем демодулироваться на принимающей стороне для восстановления аналогового сигнала.
Несколько распространенных методов аналоговой модуляции:
Амплитудная модуляция (АМ, амплитудная модуляция). При амплитудной модуляции амплитуда аналогового сигнала используется для модуляции амплитуды несущего сигнала. AM широко используется в сфере вещания, где аудиосигнал модулируется для формирования AM-сигнала, а затем демодулируется на принимающей стороне.
Частотная модуляция (FM). При частотной модуляции частота аналогового сигнала используется для модуляции частоты несущего сигнала. FM обычно используется в радиовещании, радиосвязи и передаче звука, обеспечивая относительно качественную передачу звука.
Фазовая модуляция (PM, фазовая модуляция). При фазовой модуляции фаза аналогового сигнала используется для модуляции фазы несущего сигнала. Фазовая модуляция также используется в системах связи, особенно в некоторых методах модуляции в цифровой связи.
(2) Цифровая модуляция:
Цифровая модуляция — это технология, используемая для передачи цифровых сигналов (дискретных сигналов) в беспроводной связи. При цифровой модуляции цифровой сигнал преобразуется в форму аналогового несущего сигнала для передачи информации в среде связи.
Цифровая модуляция предполагает передачу двоичных сигналов (0 и 1). Этот подход делится на модуляцию с одной несущей, когда несущая занимает всю полосу пропускания (т.е. амплитуду, частоту и фазу), и схемы с несколькими несущими, где разные данные модулируются и передаются на нескольких несущих.
Цифровая модуляция состоит из двух основных этапов:
Модуляция: на этапе модуляции цифровые сигналы используются для настройки определенных характеристик аналогового несущего сигнала, таких как амплитуда, частота или фаза. Таким образом, цифровая информация внедряется в сигнал несущей для формирования модулированного сигнала.
Демодуляция: на приемной стороне модулированный сигнал демодулируется для восстановления цифровой информации из несущего сигнала. Целью демодуляции является выделение исходного цифрового сигнала из принятого сигнала для последующей обработки и использования.
Несколько распространенных методов цифровой модуляции:
ASK (амплитудная манипуляция): это метод модуляции, который передает цифровую информацию путем изменения амплитуды несущего сигнала.
Принцип работы:
В ASK цифровые сигналы (обычно двоичные сигналы 0 и 1) используются для управления амплитудой несущего сигнала. Обычно высокий логический уровень (бит 1) и низкий логический уровень (бит 0) соответствуют двум разным амплитудам. Таким образом, цифровая информация может быть внедрена в несущий сигнал.
FSK (частотная манипуляция, частотная модуляция): передает цифровую информацию путем изменения частоты несущего сигнала. В FSK разные цифровые сигналы преобразуются в разные несущие частоты для реализации передачи цифровой информации.
Принцип работы:
В FSK две или более разных частот используются для представления разных цифровых сигналов. Обычно одна частота представляет одно состояние в двоичном формате (например, 0 или 1), а другая частота представляет другое состояние. Переключаясь между этими частотами, можно передавать цифровую информацию.
PSK (фазовая манипуляция, фазовая модуляция): передает цифровую информацию путем изменения фазы несущего сигнала. В PSK разные фазы представляют разные цифровые сигналы, обычно два состояния (2PSK или BPSK) или несколько состояний (многофазная PSK).
Принцип работы:
В PSK разные цифровые сигналы отображаются на разные фазы. Обычно 2PSK (также известный как BPSK) использует два фазовых состояния, 0 градусов и 180 градусов, для представления двух состояний (0 и 1) в двоичном формате. В многофазной PSK можно использовать больше фаз для представления большего количества цифровых сигналов. Изменяя фазу, можно передавать цифровую информацию.
QAM (квадратурная амплитудная модуляция): это метод цифровой модуляции, который передает цифровую информацию путем одновременного изменения амплитуды и фазы. QAM часто используется для увеличения скорости передачи данных, позволяя передавать несколько битов в ограниченном диапазоне спектра.
Принцип работы:
В QAM разные цифровые сигналы преобразуются в разные комбинации амплитуд и фаз. Обычно символы QAM представляются точками в системах координат I (синфазная, действительная часть) и Q (квадратура, мнимая часть). Каждая точка представляет определенный набор амплитуд и фаз и может представлять несколько битов.
(3) Импульсная модуляция:
Импульсная модуляция — это технология связи, которая преобразует аналоговые сигналы в последовательность импульсов или встраивает в импульсы цифровую информацию. Он имеет множество применений в области связи, включая импульсно-кодовую модуляцию (PCM), импульсно-амплитудную модуляцию (PAM), импульсно-позиционную модуляцию (PPM) и т. д.
Основные формы импульсной модуляции:
Импульсно-кодовая модуляция (PCM, импульсно-кодовая модуляция): PCM — это технология цифровой модуляции, которая преобразует аналоговые сигналы в импульсные последовательности. В PCM аналоговый сигнал дискретизируется во времени, и каждое дискретное значение преобразуется в соответствующий цифровой код. Эти цифровые коды образуют последовательность импульсов, которые могут передаваться в цифровой связи. PCM широко используется в голосовой связи и передаче цифрового звука, например, в телефонных сетях и аудио компакт-дисках.
Импульсно-амплитудная модуляция (PAM): PAM — это технология модуляции, которая встраивает информацию об амплитуде аналоговых сигналов в импульсы. Амплитуда сигнала определяет амплитуду импульса. PAM часто используется в системах цифровой связи основной полосы частот, где информация об амплитуде цифрового сигнала передается через амплитуду импульса.
Позиционно-импульсная модуляция (PPM, позиционно-импульсная модуляция): PPM — это технология модуляции, которая встраивает цифровую информацию в положение импульса. В PPM различные цифровые значения представлены относительным положением импульсов. PPM обычно используется в системах оптической связи и беспроводной связи.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, широтно-импульсная модуляция): ШИМ — это технология модуляции, которая преобразует аналоговый сигнал в последовательность импульсов, где ширина импульса пропорциональна амплитуде аналогового сигнала. ШИМ часто используется в области силовой электроники, например, в управлении двигателями постоянного тока, управлении инверторами и т. д.
(4) Расширенный спектр:
Spread Spectrum — это технология связи, основная идея которой заключается в распространении сигнала по спектру так, чтобы он занимал более широкую полосу частот, чем традиционные системы связи. Расширение спектра часто связано с устойчивостью к помехам, скрытностью и большей безопасностью. Существует два основных метода расширения спектра: расширение спектра с прямой последовательностью (DSSS) и расширение спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS).
Расширение спектра прямой последовательности (DSSS):
В DSSS передаваемый цифровой битовый поток умножается на высокоскоростную псевдослучайную последовательность (также называемую расширяющим кодом или псевдокодом). Эта псевдослучайная последовательность имеет гораздо более высокую частоту, чем исходный сигнал, что делает сигнал спектрально шире. Принимающая сторона знает псевдокод и может использовать тот же псевдокод для восстановления сигнала до исходных данных. Одним из преимуществ DSSS является то, что он обеспечивает устойчивость к помехам, поскольку мешающие сигналы вряд ли будут демодулированы, если не известен псевдокод.
Расширение спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS):
В FHSS передаваемый сигнал перескакивает через разные частоты в течение коротких периодов времени. Отправляющее и принимающее устройства заранее согласовывают последовательность скачкообразного изменения частоты, чтобы они могли координировать изменения частоты во время связи. Этот метод приводит к тому, что сигнал демонстрирует скачкообразную характеристику частотного спектра, тем самым улучшая помехоустойчивость системы. Преимущество FHSS заключается в том, что его переходные помехи в одном диапазоне частот могут компенсироваться сигналами на других частотах во время процесса скачкообразного изменения частоты.
Применение методов беспроводной модуляции
Применение методов аналоговой модуляции AM, FM, PM
AM (амплитудная модуляция):
Радиовещательные станции: при AM-вещании аудиосигналы модулируются на радиочастотах, чтобы покрыть зону вещания путем распространения на большую территорию.
Авиационная связь: AM-модуляция также используется в некоторых системах авиационной связи, например, при голосовой связи между самолетом и наземными станциями.
FM (частотная модуляция):
Радиостанции: FM-радио является основным применением FM-модуляции, которое характеризуется более высоким качеством звука и защитой от помех, поэтому оно превосходит AM-радио с точки зрения передачи звука.
Беспроводная связь. В системах мобильной связи FM-модуляция обычно используется для некоторых специальных приложений, таких как спутниковая связь, судовая связь и т. д.
Передача аудио и видео: FM-модуляция также используется в беспроводных микрофонных системах, беспроводных наушниках, беспроводной передаче телевидения и т. д.
ФМ (фазовая модуляция):
Цифровая связь. В цифровой связи фазовая манипуляция (PSK) представляет собой метод модуляции, а PM — ее непрерывную аналоговую версию. ФМ обычно используется в некоторых модемах и синтезаторах с фазовой модуляцией.
Радиолокационная система: ФМ используется в некоторых радиолокационных системах для модуляции импульсного сигнала радара для получения информации о фазе цели.
Цифровой синтез звука. При синтезе цифрового звука синтезатор фазовой модуляции использует ФМ для генерации аудиосигналов.
Применение методов цифровой модуляции ASK, FSK, PSK, QAM
АСК (амплитудная модуляция):
Пульт дистанционного управления: ASK часто используется для пультов дистанционного управления, таких как пульты дистанционного управления телевизорами, пульты дистанционного управления гаражными воротами и т. д.
Сенсорная сеть: ASK — это распространенный метод модуляции в маломощных сенсорных сетях на небольшом расстоянии.
RFID (радиочастотная идентификация): ASK используется в системах RFID для отслеживания и идентификации объектов.
FSK (частотная модуляция):
Цифровая связь: FSK широко используется в модемах, FM-радиоприемниках, системах сотовой связи и т. д.
Компьютерные сети: FSK используется для передачи данных в некоторых компьютерных сетях, например, в модемах.
Системы телеметрии: FSK часто используется в системах телеметрии, где датчики собирают
PSK (Фазовая модуляция):
Цифровая связь: PSK широко используется в системах цифровой связи, таких как Wi-Fi, WiMAX и т. д.
Спутниковая связь: PSK также широко используется в спутниковой связи, особенно когда требуется устойчивость к многолучевым помехам.
Передача цифрового звука. При передаче цифрового звука PSK может использоваться в некоторых конкретных сценариях применения.
QAM (квадратурная амплитудная модуляция):
Цифровая связь: QAM широко используется в системах цифровой связи, таких как модемы, цифровое телевидение, цифровое радиовещание и т. д.
Проводная связь: QAM используется в проводной связи, например, в кабельных модемах, для увеличения скорости передачи данных.
Беспроводная связь: QAM также используется в системах беспроводной связи, таких как Wi-Fi и 4G.
Применение импульсной модуляции PCM, PAM, PPM, PWM
PCM (импульсно-кодовая модуляция):
Передача звука: PCM широко используется в области передачи звука, например, в оборудовании для цифровой записи и воспроизведения звука, проигрывателях компакт-дисков, цифровом аудиовещании и т. д.
Системы связи: PCM используется для передачи цифровых сигналов в системах связи, особенно в телефонных сетях и голосовой связи.
PAM (Амплитудно-импульсная модуляция):
Проводная связь: PAM часто используется в системах проводной связи, например, в основной полосе частот при передаче цифровых сигналов и передаче данных в цифровых цепях.
Цифровая связь: PAM также может использоваться для каналов передачи в системах цифровой связи.
PPM (импульсно-позиционная модуляция):
Радарные системы: PPM используется в радиолокационных системах, где положение импульса соответствует дальности до цели.
Оптическая связь: PPM имеет некоторые применения в области оптической связи, особенно
ШИМ (широтно-импульсная модуляция):
Силовая электроника: ШИМ широко используется в областях силовой электроники, таких как управление двигателем постоянного тока, управление инвертором.
Обработка звука: ШИМ имеет некоторые применения в синтезе цифрового звука и обработке звука, например, в цифровых усилителях звука (усилители класса D).
Приложения с расширенным спектром:
Защита от помех: технология расширения спектра может улучшить устойчивость системы к помехам, делая связь более надежной в средах с помехами.
Безопасность. Технология расширения спектра обеспечивает средства борьбы с подслушиванием, поскольку сигнал можно правильно демодулировать только в том случае, если известен правильный код расширения.
Совместное использование спектра несколькими пользователями: технология расширения спектра позволяет нескольким пользователям вести передачу в одном и том же диапазоне частот, не создавая помех друг другу.Это называется множественным доступом с кодовым разделением каналов (CDMA).
Похожие статьи, которые стоит прочитать: