Ψηφιακή διαμόρφωση: Πλάτος και συχνότητα

Διαμόρφωση ραδιοσυχνοτήτων

Αν και βασίζονται στις ίδιες έννοιες, οι κυματομορφές ψηφιακής διαμόρφωσης φαίνονται εντελώς διαφορετικές από τις αναλογικές αντίστοιχες.

Αν και απέχει πολύ από την εξαφάνιση, η αναλογική διαμόρφωση είναι απλώς ασύμβατη με τον ψηφιακό κόσμο. 

Δεν εστιάζουμε πλέον τις προσπάθειές μας στη μετακίνηση αναλογικών κυματομορφών από το ένα μέρος στο άλλο. Αντίθετα, θέλουμε να μεταφέρουμε δεδομένα: ασύρματη δικτύωση, ψηφιακά σήματα ήχου, μετρήσεις αισθητήρων και ούτω καθεξής. Για τη μεταφορά ψηφιακών δεδομένων, χρησιμοποιούμε ψηφιακή διαμόρφωση.

Πρέπει όμως να είμαστε προσεκτικοί με αυτήν την ορολογία. Τα «αναλογικά» και «ψηφιακά» σε αυτό το πλαίσιο αναφέρονται στον τύπο των πληροφοριών που μεταφέρονται και όχι στα βασικά χαρακτηριστικά των πραγματικών μεταδιδόμενων κυματομορφών. 

Τόσο η αναλογική όσο και η ψηφιακή διαμόρφωση χρησιμοποιούν ομαλά διαφορετικά σήματα. η διαφορά είναι ότι ένα αναλογικό διαμορφωμένο σήμα αποδιαμορφώνεται σε μια αναλογική κυματομορφή βασικής ζώνης, ενώ ένα ψηφιακά διαμορφωμένο σήμα αποτελείται από διακριτές μονάδες διαμόρφωσης, που ονομάζονται σύμβολα, οι οποίες ερμηνεύονται ως ψηφιακά δεδομένα.

Υπάρχουν αναλογικές και ψηφιακές εκδόσεις των τριών τύπων διαμόρφωσης. Ας ξεκινήσουμε με πλάτος και συχνότητα.

Ψηφιακή διαμόρφωση πλάτους
Αυτός ο τύπος διαμόρφωσης αναφέρεται ως πλήκτρο μετατόπισης πλάτους (ASK). Η πιο βασική περίπτωση είναι το "on-off keying" (OOK), και αντιστοιχεί σχεδόν άμεσα στη μαθηματική σχέση που συζητήθηκε στη σελίδα αφιερωμένη στην [[αναλογική διαμόρφωση πλάτους]]: Εάν χρησιμοποιούμε ένα ψηφιακό σήμα ως κυματομορφή βασικής ζώνης, πολλαπλασιάζοντας η βασική ζώνη και ο φορέας έχει ως αποτέλεσμα μια διαμορφωμένη κυματομορφή που είναι φυσιολογική για λογική υψηλή και «απενεργοποιημένη» για λογική χαμηλή. Το λογικό υψηλό πλάτος αντιστοιχεί στον δείκτη διαμόρφωσης.

Τομέας χρόνου
Η ακόλουθη γραφική παράσταση δείχνει το OOK που δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας έναν φορέα 10 MHz και ένα σήμα ψηφιακού ρολογιού 1 MHz. Λειτουργούμε εδώ στον μαθηματικό χώρο, οπότε το λογικό υψηλό πλάτος (και το πλάτος του φορέα) είναι απλώς χωρίς διάσταση «1». σε πραγματικό κύκλωμα ενδέχεται να έχετε κυματομορφή φορέα 1 V και σήμα λογικής 3.3 V.

Μπορεί να έχετε παρατηρήσει μια ασυνέπεια μεταξύ αυτού του παραδείγματος και της μαθηματικής σχέσης που συζητήθηκε στη σελίδα [[Amplitude Modulation]]: δεν αλλάξαμε το σήμα βάσης. Εάν αντιμετωπίζετε μια τυπική ψηφιακή κυματομορφή συνδεδεμένη με DC, δεν απαιτείται αλλαγή προς τα πάνω, επειδή το σήμα παραμένει στο θετικό τμήμα του άξονα y.

Τομέας συχνότητας
Εδώ είναι το αντίστοιχο φάσμα:




Συγκρίνετε αυτό με το φάσμα για διαμόρφωση πλάτους με ημιτονοειδές κύμα 1 MHz:




Το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος είναι το ίδιο - μια ακίδα στη συχνότητα φορέα (fC) και μια ακίδα στο fC συν τη συχνότητα βασικής ζώνης και το fC μείον τη συχνότητα βασικής ζώνης. 

Ωστόσο, το φάσμα ASK έχει επίσης μικρότερες αιχμές που αντιστοιχούν στην 3η και 5η αρμονική: Η θεμελιώδης συχνότητα (fF) είναι 1 MHz, πράγμα που σημαίνει ότι η 3η αρμονική (f3) είναι 3 MHz και η 5η αρμονική (f5) είναι 5 MHz . Έχουμε λοιπόν αιχμές στα fC συν / μείον fF, f3 και f5. Και στην πραγματικότητα, εάν επρόκειτο να επεκτείνετε το οικόπεδο, θα δείτε ότι οι αιχμές συνεχίζονται σύμφωνα με αυτό το μοτίβο.

Αυτό έχει τέλειο νόημα. Ένας μετασχηματισμός Fourier ενός τετραγωνικού κύματος αποτελείται από ένα ημιτονοειδές κύμα στη θεμελιώδη συχνότητα μαζί με τα ημιτονοειδή κύματα μείωσης-πλάτους στις περίεργες αρμονικές, και αυτό το αρμονικό περιεχόμενο είναι αυτό που βλέπουμε στο φάσμα που φαίνεται παραπάνω.

Αυτή η συζήτηση μας οδηγεί σε ένα σημαντικό πρακτικό σημείο: οι απότομες μεταβάσεις που σχετίζονται με σχήματα ψηφιακής διαμόρφωσης παράγουν (ανεπιθύμητο) περιεχόμενο υψηλότερης συχνότητας. Πρέπει να το έχουμε αυτό υπόψη όταν εξετάζουμε το πραγματικό εύρος ζώνης του διαμορφωμένου σήματος και την παρουσία συχνοτήτων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν άλλες συσκευές.

Ψηφιακή διαμόρφωση συχνότητας
Αυτός ο τύπος διαμόρφωσης ονομάζεται συχνότητα αλλαγής συχνότητας (FSK). Για τους σκοπούς μας δεν είναι απαραίτητο να εξετάσουμε μια μαθηματική έκφραση του FSK. μάλλον, μπορούμε απλώς να καθορίσουμε ότι θα έχουμε συχνότητα f1 όταν τα δεδομένα βάσης ζώνης είναι λογική 0 και συχνότητα f2 όταν τα δεδομένα βάσης ζώνης είναι λογική 1.

Τομέας χρόνου
Μία μέθοδος δημιουργίας της έτοιμης για μετάδοση κυματομορφής FSK είναι να δημιουργήσετε πρώτα ένα αναλογικό σήμα βάσης που αλλάζει μεταξύ f1 και f2 σύμφωνα με τα ψηφιακά δεδομένα. Ακολουθεί ένα παράδειγμα κυματομορφής βασικής ζώνης FSK με f1 = 1 kHz και f2 = 3 kHz. Για να διασφαλίσουμε ότι ένα σύμβολο έχει την ίδια διάρκεια για τη λογική 0 και τη λογική 1, χρησιμοποιούμε έναν κύκλο 1 kHz και τρεις κύκλους 3 kHz.

Στη συνέχεια, η κυματομορφή βασικής ζώνης μετατοπίζεται (χρησιμοποιώντας ένα μίξερ) μέχρι τη συχνότητα φορέα και μεταδίδεται. Αυτή η προσέγγιση είναι ιδιαίτερα βολική σε συστήματα ραδιοεπικοινωνίας που καθορίζονται από λογισμικό: η αναλογική κυματομορφή βασικής ζώνης είναι ένα σήμα χαμηλής συχνότητας και έτσι μπορεί να δημιουργηθεί μαθηματικά και στη συνέχεια να εισαχθεί στον αναλογικό χώρο από ένα DAC. Η χρήση DAC για τη δημιουργία σήματος υψηλής συχνότητας θα ήταν πολύ πιο δύσκολη.

Ένας πιο εννοιολογικά απλός τρόπος για να εφαρμόσετε το FSK είναι απλά να έχετε δύο σήματα φορέα με διαφορετικές συχνότητες (f1 και f2). το ένα ή το άλλο δρομολογείται στην έξοδο ανάλογα με το λογικό επίπεδο των δυαδικών δεδομένων. 

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια τελική μεταδιδόμενη κυματομορφή που αλλάζει απότομα μεταξύ δύο συχνοτήτων, όπως η βασική κυματομορφή FSK παραπάνω, εκτός από το ότι η διαφορά μεταξύ των δύο συχνοτήτων είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με τη μέση συχνότητα. Με άλλα λόγια, εάν κοιτάζετε ένα γράφημα χρονικού τομέα, θα ήταν δύσκολο να διαφοροποιήσετε οπτικά τις ενότητες f1 από τις ενότητες f2 επειδή η διαφορά μεταξύ f1 και f2 είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του f1 (ή f2).

Τομέας συχνότητας
Ας δούμε τα αποτελέσματα του FSK στον τομέα συχνότητας. Θα χρησιμοποιήσουμε την ίδια συχνότητα φορέα 10 MHz (ή τη μέση συχνότητα φορέα σε αυτήν την περίπτωση) και θα χρησιμοποιήσουμε ± 1 MHz ως απόκλιση. (Αυτό δεν είναι ρεαλιστικό, αλλά βολικό για τους τρέχοντες σκοπούς μας.) Επομένως, το μεταδιδόμενο σήμα θα είναι 9 MHz για λογική 0 και 11 MHz για λογική 1. Εδώ είναι το φάσμα:

Σημειώστε ότι δεν υπάρχει ενέργεια στη «συχνότητα φορέα». Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, δεδομένου ότι το διαμορφωμένο σήμα δεν είναι ποτέ στα 10 MHz. Είναι πάντα στα 10 MHz μείον 1 MHz ή στα 10 MHz συν 1 MHz, και εδώ ακριβώς βλέπουμε τις δύο κυρίαρχες αιχμές: 9 MHz και 11 MHz.

Τι γίνεται όμως με τις άλλες συχνότητες που υπάρχουν σε αυτό το φάσμα; Λοιπόν, η φασματική ανάλυση FSK δεν είναι ιδιαίτερα απλή. Γνωρίζουμε ότι θα υπάρχει επιπλέον ενέργεια Fourier που σχετίζεται με τις απότομες μεταβάσεις μεταξύ των συχνοτήτων. 

Αποδεικνύεται ότι το FSK έχει ως αποτέλεσμα έναν τύπο φάσματος λειτουργίας-λειτουργίας για κάθε συχνότητα, δηλαδή, το ένα επικεντρώνεται στο f1 και το άλλο στο κέντρο f2. Αυτά αντιπροσωπεύουν τις πρόσθετες αιχμές συχνότητας που φαίνονται και στις δύο πλευρές των δύο κυρίαρχων αιχμών.

Χαρακτηριστικά
* Η διαμόρφωση ψηφιακού πλάτους περιλαμβάνει μεταβολή του πλάτους ενός κύματος φορέα σε διακριτές ενότητες σύμφωνα με δυαδικά δεδομένα.

* Η πιο απλή προσέγγιση στη διαμόρφωση ψηφιακού πλάτους είναι το on-off.

* Με τη διαμόρφωση ψηφιακής συχνότητας, η συχνότητα ενός σήματος φορέα ή βασικής ζώνης ποικίλλει σε διακριτές ενότητες σύμφωνα με δυαδικά δεδομένα.

* Αν συγκρίνουμε την ψηφιακή διαμόρφωση με την αναλογική διαμόρφωση, βλέπουμε ότι οι απότομες μεταβάσεις που δημιουργούνται από την ψηφιακή διαμόρφωση έχουν ως αποτέλεσμα επιπλέον ενέργεια σε συχνότητες μακρύτερες από τον φορέα.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων