Transcript TKS_2 - dig.modulace

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
0
1
1
0
1
0
0
1
1
frekvence
signál
U
0
t
U
0
t
U
signál
Modulovaný
Nosná
Původní
0
0
t
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 možnosti nežádoucího odposlechu
signál
Modulovaný
Nosná
frekvence 1 frekvence 0
Nosná
signál
Původní
FSK – Frequency Shift Keying
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
U
t
U
t
U
t
U
t
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
0
1
1
0
1
0
0
1
1
frekvence
signál
U
0
t
U
0
t
U
signál
Modulovaný
Nosná
Původní
0
0
t
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
 dibity jsou zakódovány pomocí PAM do jedné ze čtyř úrovní
podle následujících tabulek
I
A2
A1
-A1 -A2
Q
A2
A1
-A1
-A2
ab
11
10
00
cd
11
10
00
01
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.