Digitální modulace

1. Digitální modulace Ing. Jindřich Korf

2. 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

3. 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

4. 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

5. 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 U Původní signál 0 t U Nosná frekvence 0 t U Modulovaný signál 0 t ASK – Amplitude Shift Keying

6. 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

7. 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 U Původní signál 0 t U Nosná frekvence 0 0 t U Nosná frekvence 1 0 t U 0 t FSK – Frequency Shift Keying Modulovaný signál

8. 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

9. 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 U Původní signál 0 t U Nosná frekvence 0 t U Modulovaný signál 0 t PSK – Phase Shift Keying

10. 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.

11. 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.

12. 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

13. 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

14. QPSK – Phase Shift Keying • časové průběhy vstupního signálu i signálů v obou kanálech I a Q jsou nakresleny níže

15. 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.

16. QAM-Quadrature Amplitude Modulation • dibity jsou zakódovány pomocí PAM do jedné ze čtyř úrovní podle následujících tabulek • 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).

17. QAM – Quadrature Amplitude Modulation

18. 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.

19. DMT – Discrete Multi Tone

20. DMT – Discrete Multi Tone

21. DMT – Discrete Multi Tone

22. DMT – Discrete Multi Tone

23. 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

24. 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

25. 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.