Nozioni di base sulle tecniche di modulazione

"La conversione da digitale ad analogico è il processo di modifica di una delle caratteristiche di un segnale analogico basato sulle informazioni contenute nei dati digitali. Un'onda sinusoidale è definita da tre caratteristiche: ampiezza, frequenza e fase. Quando cambiamo qualcuno di queste caratteristiche, creiamo una versione diversa di quell'onda. Quindi, cambiando una caratteristica di un semplice segnale elettrico, possiamo usarlo per rappresentare dati digitali. ----- FMUSER"


Esistono tre meccanismi per modulare i dati digitali in un segnale analogico: il key shifting dell'ampiezza (ASK), key shift di frequenza (FSK) e key shift di fase (PSK). Inoltre, esiste un quarto (e migliore) meccanismo che combina il cambiamento sia dell'ampiezza che della fase, chiamato modulazione di ampiezza in quadratura (QAM).

Larghezza di banda
La larghezza di banda richiesta per la trasmissione analogica di dati digitali è proporzionale alla velocità del segnale ad eccezione di FSK, in cui è necessario aggiungere la differenza tra i segnali portanti.

Vedi anche: >> Confronto di 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM 128-QAM, 256-QAM 

Segnale portante
Nella trasmissione analogica, il dispositivo di invio produce un segnale ad alta frequenza che funge da base per il segnale di informazione. Questo segnale di base è chiamato segnale portante o frequenza portante. Il dispositivo ricevente è sintonizzato sulla frequenza del segnale portante che si aspetta dal mittente. Le informazioni digitali cambiano quindi il segnale portante modificando una o più delle sue caratteristiche (ampiezza, frequenza o fase). Questo tipo di modifica viene chiamato modulazione (tasto Maiusc).

1. Key di spostamento dell'ampiezza:
Nel keying di spostamento dell'ampiezza, l'ampiezza del segnale portante viene variata per creare elementi di segnale. Sia la frequenza che la fase rimangono costanti mentre l'ampiezza cambia.

Binario ASK (BASK)
ASK viene normalmente implementato utilizzando solo due livelli. Questo è indicato come keying shift di ampiezza binario o key on-off (OOK). L'ampiezza del picco di un livello di segnale è 0; l'altro è uguale all'ampiezza della frequenza portante. La figura seguente offre una visione concettuale di ASKS binari.

 

Vedi anche: >> Qual è la differenza tra AM e FM? 

Implementazione
Se i dati digitali sono presentati come un segnale digitale NRZ unipolare con un'alta tensione di 1 V e una bassa tensione di 0 V, l'implementazione può essere ottenuta moltiplicando il segnale digitale NRZ per il segnale portante proveniente da un oscillatore che è rappresentato nella figura seguente. Quando l'ampiezza del segnale NRZ è 1, viene mantenuta l'ampiezza della frequenza portante; quando l'ampiezza del segnale NRZ è 0, l'ampiezza della frequenza portante è zero.




Larghezza di banda per ASK:
Il segnale portante è solo una semplice onda sinusoidale, ma il processo di modulazione produce un segnale composito non periodico. Questo segnale ha una serie continua di frequenze. Come prevediamo, la larghezza di banda è proporzionale alla velocità del segnale (baud rate).

Tuttavia, normalmente esiste un altro fattore, chiamato d, che dipende dal processo di modulazione e filtraggio. Il valore di d è compreso tra 0 e 

●Ciò significa che la larghezza di banda può essere espressa come mostrato, dove S è la velocità del segnale e B è la larghezza di banda.

La formula mostra che la larghezza di banda richiesta ha un valore minimo di S e un valore massimo di 2S. Il punto più importante qui è la posizione della larghezza di banda. Il centro della larghezza di banda è dove si trova la frequenza portante. Ciò significa che se abbiamo un canale passa-banda disponibile, possiamo scegliere il nostro fc in modo che il segnale modulato occupi quella larghezza di banda. Questo è in effetti il ​​vantaggio più importante della conversione da digitale ad analogico.

Vedi anche: >>Cos'è la QAM: modulazione di ampiezza in quadratura 

2. Keying del cambio di frequenza

Nella codifica con spostamento di frequenza, la frequenza del segnale portante viene variata per rappresentare i dati. La frequenza del segnale modulato è costante per la durata di un elemento di segnale, ma cambia per l'elemento di segnale successivo se l'elemento di dati cambia. Sia l'ampiezza del picco che la fase rimangono costanti per tutti gli elementi del segnale.

FSK binario (BFSK)
Un modo di pensare all'FSK binario (o BFSK) è considerare due frequenze portanti. Nella figura seguente, abbiamo selezionato due frequenze portanti f1 e f2. Usiamo il primo vettore se l'elemento di dati è 0; usiamo il secondo se l'elemento dati è 1.




La figura sopra mostra, il centro di una larghezza di banda è f1 e il centro dell'altra è f2. Sia f1 che f2 sono separati dal punto medio tra le due bande. La differenza tra le due frequenze è 2∆f.

Vedi anche: >> Modulatore e demodulatore QAM  

Implementazione
Esistono due implementazioni di BFSK: non coerente e coerente. Nel BFSK non coerente, potrebbe esserci discontinuità nella fase quando un elemento di segnale termina e inizia quello successivo. Nel BFSK coerente, la fase continua attraverso il confine di due elementi del segnale. La BFSK non coerente può essere implementata trattando la BFSK come due modulazioni ASK e usando due frequenze portanti. Il BFSK coerente può essere implementato utilizzando un oscillatore controllato in tensione (VCO) che modifica la sua frequenza in base alla tensione di ingresso.

La figura seguente mostra l'idea semplificata alla base della seconda implementazione. L'ingresso all'oscillatore è il segnale NRZ unipolare. Quando l'ampiezza di NRZ è zero, l'oscillatore mantiene la sua frequenza regolare; quando l'ampiezza è positiva, la frequenza aumenta.

Larghezza di banda per BFSK:

La figura sopra mostra la larghezza di banda di FSK. Anche in questo caso i segnali portanti sono solo semplici onde sinusoidali, ma la modulazione crea un segnale composito non periodico con frequenze continue. Possiamo pensare a FSK come a due segnali ASK, ognuno con la propria frequenza portante f1 e f2. Se la differenza tra le due frequenze è 2∆f, la larghezza di banda richiesta è

3. Digitazione a sfasamento:
Nel keying di sfasamento, la fase del portatore è variata per rappresentare due o più elementi di segnale diversi. Sia l'ampiezza del picco che la frequenza rimangono costanti al variare della fase.

PSK binario (BPSK):
Il PSK più semplice è il PSK binario, in cui abbiamo solo due elementi di segnale, uno con una fase di 0 ° e l'altro con una fase di 180 °. La figura seguente fornisce una visione concettuale di PSK. Il binario PSK è semplice come il binario ASK con un grande vantaggio: è meno suscettibile al rumore. In ASK, il criterio per il rilevamento dei bit è l'ampiezza del segnale. Ma in PSK, è la fase. Il rumore può cambiare l'ampiezza più facilmente di quanto possa cambiare la fase. In altre parole, PSK è meno sensibile al rumore di ASK. PSK è superiore a FSK perché non abbiamo bisogno di due segnali portanti.

NastroLarghezza:
La larghezza di banda è la stessa di ASK binario, ma inferiore a quella di BFSK. Non viene sprecata larghezza di banda per separare due segnali portanti.

Vedi anche: >>Tipi di modulazione 512 QAM vs 1024 QAM vs 2048 QAM vs 4096 QAM

Implementazione
L'implementazione di BPSK è semplice come quella per ASK. Il motivo è che l'elemento di segnale con fase 180 ° può essere visto come il complemento dell'elemento di segnale con fase 0 °. Questo ci dà un indizio su come implementare BPSK. Usiamo un segnale NRZ polare invece di un segnale NRZ unipolare, come mostrato nella figura seguente. Il segnale NRZ polare viene moltiplicato per la frequenza portante. Il 1 bit (tensione positiva) è rappresentato da una fase che inizia a 0 ° mentre lo 0 bit (tensione negativa) è rappresentato da una fase che inizia a 180 °.

 

4. Modulazione di ampiezza in quadratura (QAM)
Il PSK è limitato dalla capacità dell'apparecchiatura di distinguere piccole differenze di fase. Questo fattore limita il suo potenziale bit rate. Finora, abbiamo modificato solo una delle tre caratteristiche di un'onda sinusoidale alla volta; ma cosa succede se ne alteriamo due? Perché non combinare ASK e PSK? L'idea di utilizzare due portatori, uno in fase e l'altro in quadratura, con diversi livelli di ampiezza per ciascun vettore è il concetto alla base della modulazione di ampiezza in quadratura (QAM).

Le possibili variazioni di QAM sono numerose. La figura seguente mostra alcuni di questi schemi. Nella figura seguente la parte a mostra lo schema 4-QAM più semplice (quattro diversi tipi di elementi di segnale) che utilizza un segnale NRZ unipolare per modulare ciascun vettore. Questo è lo stesso meccanismo che abbiamo usato per ASK (OOK). La parte b mostra un altro 4-QAM usando NRZ polare, ma questo è esattamente lo stesso di QPSK. La parte c mostra un altro QAM-4 in cui abbiamo usato un segnale con due livelli positivi per modulare ciascuno dei due portatori. Infine, la Parte - d mostra una costellazione di 16 QAM di un segnale con otto livelli, quattro positivi e quattro negativi.

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