Digitální modulace

Ing. Jindřich Korf

Digitální modulace Při digitálních modulací nabývá modulační signál omezeného počtu diskrétních hodnot → specifický způsob ovlivňování nosné vlny diskrétním signálem (v nejjednodušším případě nabývajícího dvou stavů) se nazývá klíčování (Shift Keying). Digitální modulace pak můžeme v souladu s obecným dělením modulací rozdělit takto:

Amplitudové klíčování (ASK) – kombinuje se s vícestavovým kódováním Frekvenční klíčování (FSK) Fázové klíčování (PSK) – rozšířené především v různých kombinací

Digitální modulace - kombinace QPSK – Quadrature Phase Shift Keying, modifikovaná

4PSK (liší se pootočením o π/4) M-QAM – Quadrature Amplitude Modulation (např. M=4,

16, 32, 64, 256). Jedna z nejpoužívanějších modulací DMT – Discrete Multi Tone, používá se u ADSL, VDSL CAP – Carrierless Amplitude and Phase - vhodná pro

plně digitální implementaci pomocí signálových

procesorů;společné rysy s QAM TCM – Trellis Coded Modulation – mřížkově kódovaná

modulace, využívá se v telefonních modemech pro zvýšení

pravděpodobnosti správného rozpoznání signálového

prvku

ASK – Amplitude Shift Keying binární hodnoty digitálního signálu jsou reprezentovány

různými amplitudami nosné frekvence obvykle bývá jedna z použitých amplitud rovna nule

binární hodnota je pak reprezentována

přítomností (bit 1) nosné frekvence resp. nepřítomností (bit 0) nosné frekvence

jedná se o kódování, které je citlivé na náhlé změny a

tím potencionálně náchylné k chybám

ASK – Amplitude Shift Keying

U

0 t

U

0 t

0 0 1 1 0 1 0 0 1 1

U

0 t

Půvo

dní

sign

álN

osná

frek

venc

eM

odul

ovan

ýsi

gnál

FSK – Frequency Shift Keying binární hodnoty digitálního signálu jsou přenášeny jako

dvě odlišné frekvence binární hodnota (bit 1) je přenášena jako vyšší

frekvence binární hodnota (bit 0) je přenášena jako nižší frekvence

přecházení mezi frekvencemi rovněž komplikuje mož-

nosti nežádoucího odposlechu

FSK – Frequency Shift Keying

U

0 t

U

0 t

0 0 1 1 0 1 0 0 1 1

Půvo

dní

sign

álN

osná

frek

venc

e 0

U

0 tNos

náfr

ekve

nce

1

U

0 t

Mod

ulov

aný

sign

ál

PSK – Phase Shift Keying tato metoda používá pro modulaci binárních hodnot

rozličné fáze nosné frekvence binární hodnota (bit 0) - je přenášen jako signál se

stejnou fází, která byla použita u předešlého bitu

(nedochází ke změně fáze) binární hodnota (bit 1) - je přenášen jako signál s

fázovým posunem 180º oproti předcházejícímu signálu

(bitu)Pozn.: metoda QPSK používá 4 různé fázové posuny

(0 , 90 , 180 a 270 ) odpovídající bitovým vzorkům 00,

01, 10 a 11

PSK – Phase Shift Keying

U

0 t

U

0 t

0 0 1 1 0 1 0 0 1 1

U

0 t

Půvo

dní

sign

álN

osná

frek

venc

eM

odul

ovan

ýsi

gnál

Vícestavové modulace U dvoustavových modulací je každému bitu modulačního

signálu přiřazen jeden signálový prvek. U vícestavových modulací vyjadřuje každý signálový prvek

bitů tj. určitou kombinaci jedniček a nul. Mezi počtem stavů M nosné a počtem bitů n kódové skupiny

(slova) platí vztah M=2n, kde n je přirozené číslo. Čtyřstavové modulace - vyjadřuje každý stav nosné nějakou

dvojbitovou kódovou skupinu – dibit Osmistavové modulace - reprezentují každý symbol nějakou

trojbitovou kódovou skupinu – tribit, atd.

Vícestavové modulace Pro grafické znázornění některých digitálních modulací se používá rovina IQ (In-phase – synfázní složka, Quadrature –kvadraturní složka), do které se zakreslují vektory odpovídající jednotlivým stavům nosné. Místo celých vektorů se však zakreslují pouze jejich koncové body. Výsledné zobrazení se nazývá konstelační neboli stavový diagram. Lepšího využití konstelačního diagramu lze dosáhnout tím, že se modulačním signálem klíčuje nejen fáze, ale i amplituda nosné vlny. Tímto způsobem se vytvářejí diskrétní kvadraturní modulace QAM, které jsou výhodné zejména při větších počtech stavů.

QPSK – Quadrature Phase Shift Keying mírně modifikovaná 4PSK pootočením konstelace (množiny stavů fáze) o π/4

(pootočení nemá žádný vliv na vlastnosti modulace) jednodušší algoritmy v demodulátoru QPSK - používá čtyři různé fázové posuny

(0 , 90 , 180 a 270 ) odpovídající bitovým vzorkům 00, 01, 10

a 11

QPSK – Phase Shift Keying

vstupní signál přichází do obvodu splitter, ve kterém dojde k

rozdělení jednotlivých bitů do dvou větví I a Q. Signál je dále filtrován a následně modulován nosným

signálem. Z obou větví je sečten a znovu filtrován Získáme tím modulovaný signál QPSK

QPSK – Phase Shift Keying časové průběhy vstupního signálu i signálů v obou kanálech I

a Q jsou nakresleny níže

QAM – Quadrature Amplitude Modulation

Modulace QAM představuje běžně používanou

a propracovanou modulační techniku. V případě 16 QAM se ze vstupní sériové dvojkové

posloupnosti vydělují skupiny 4 bitů – tzv. kvadbity [a b c d] Každý kvadbit je na výstupu vyjádřen jedním signálovým

prvkem Sk=Ck.cos(ωt+ψk) s příslušnou amplitudou C a fází ψk.

Celkem se tak může vyskytnout 16 různých kvadbitů, kterým

musíme přiřadit 16 různých kombinací amplitud a fází. kvadbit vstupního toku dat [a b c d] se rozdělí na dva dibity -

dibit [a b] bude směrován do horní větve modulátoru a dibit [c d]

bude směrován do dolní větve modulátoru.

QAM-Quadrature Amplitude Modulation

I A2 A1 -A1 -A2

ab 11 10 00 01

dibity jsou zakódovány pomocí PAM do jedné ze čtyř úrovní

podle následujících tabulek

Q A2 A1 -A1 -A2

cd 11 10 00 01

filtrováním DP získáme modulační signál I soufázové cesty, obdobný proces platí pro kvadraturní cestu s modulačním signálem Q. modulační signály I a Q představují vstupní modulační signály

pro modulátory s nosnou frekvencí fc – pro kvadraturní cestu

posunutou o 90 stupňů. Výsledný signál QAM získáme sečtením signálů z obou cest (modulační rychlost bude rovna čtvrtině přenosové rychlosti).

QAM – Quadrature Amplitude Modulation

QAM-Quadrature Amplitude Modulation použitím vícestavové modulace ušetříme frekvenční pásmo, ovšem se vzrůstem počtu stavů modulace se signál stává mnohem náchylnější na rušení. pro modulaci 16 QAM se udává nutný odstup signál od šumu 21,5 dB, který zaručuje chybovost řádově 10-7 až 10-6. v praxi se používá běžně modulace 64 QAM a 256 QAM.

DMT – Discrete Multi Tone

DMT – Discrete Multi Tone

DMT – Discrete Multi Tone

DMT – Discrete Multi Tone

CAP – Carrierless Amplitude Phase

Modulace CAP se od DMT liší v tom, že pro celé přenášené

pásmo používá jeden nosný kmitočet. modulace je zde zajišťována pomocí tzv. digitálních transverzálních pásmových filtrů, jejichž fázová odezva se liší navzájem o 90 stupňů. principiálně se tedy velmi podobá modulaci QAM

Výhody oproti DMT: u DMT používaná Fourierova transformace FFT způsobuje přenosové zpoždění, což může mít někdy za následek nedodržení standardů ADSL u DMT je složitější potlačení ozvěny DMT je komplikovanější a proto se složitěji navrhuje

CAP – Carrierless Amplitude Phase

Nevýhody oproti DMT: DMT je oproti CAP schopna efektivněji využít přenosovou kapacitu vedení - rozdělí přenášený signál do jednotlivých subkanálů a každému přiřadí max. přenosovou rychlost. To CAP neumožňuje - používá jen jednu nosnou. DMT je odolnější proti impulsním šumům a při větších přenosových rychlostech má větší výkon než CAP Hardware u DMT se při změnách přenosových rychlostí lépe programuje

TCM – Trellis Code Modulation Detekční a korekční schopnost má i mřížový kód tzv. TCM (Trellis Code Modulation). Jedná se o rozšíření QAM modulace. Korekční schopnost této modulace se dosahuje přidáním redundantního bitu k sekvenci signálových prvků. Zavedení předpisu, který s přijaté sekvence určí zda ji lze považovat za platnou čí nikoli, umožní detekci chyby a nahrazení nejbližší platnou datovou sekvencí.