что такое модуляция радиосигнала
Урок 2.2 Радиосигналы, передача информации, модуляция
В Уроке 2.1 была рассмотрена тема о радиоволнах и распределении частот в эфире. В этом уроке попытаемся выяснить в простой и доступной форме как это реализуется практически.
Радиоволны, это высокочастотные колебания электромагнитного поля, способные распространяться в свободном пространстве на значительные расстояния.
Самое привлекательное в этом то, что с помощью радиоволн можно передавать информацию.
Основными параметрами колебаний являются частота, амплитуда, фаза.
Если на передающей стороне изменять один из параметров колебаний, а на приемной стороне выделять это изменение, то таким способом можно передавать информацию на расстояние.
Процесс изменения одного из параметров колебаний в соответствии с передаваемой информацией на передающей стороне называется модуляцией.
Процесс выделения полезной информации из колебаний на приемной стороне, называется детектированием.
Высокочастотные колебания, параметр которых изменяется при передаче называется несущей.
Полезная информация, которая изменяет параметр несущей, называется модулирующим сигналом.
Если, модулирующий сигнал изменяет частоту несущей – то такая модуляция называется частотной. Модуляция частоты однотонным синусоидальным сигналом представлена на рисунке ниже.
Если модулирующий сигнал изменяет амплитуду несущей – то такая модуляция называется амплитудной. Модуляция амплитуды однотонным синусоидальным сигналом представлена на рисунке ниже.
Если модулирующий сигнал изменяет фазу несущей, то такая модуляция называется фазовой.
Простейший вид фазовой модуляции – фазовая манипуляция, когда фаза меняется скачкообразно.
Существует много видов модуляции. Все они имеют преимущества и недостатки.
Вы уже поняли, что частота несущей во много раз превышает частоту модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал, например, речь, занимает область частот до 20 кГц, это при высоком качестве звука, в телефонии, где качество звука низкое — до 3 кГц. Сигналы этой частоты самостоятельно не способны распространяться в эфире на большие расстояния, но если мы ними промодулируем высокочастотный сигнал, например, 90 мГц, то сможем передать на большие расстояния.
Примеры наиболее распространенного использования модуляций:
Амплитудная модуляция – радиовещание на длинных, средних и коротких волнах. Передача видеосигнала в наземном телевизионном вещании.
Частотная модуляция – радиовещание на УКВ (и ФМ) диапазонах, передача звука в наземном телевизионном вещании, передача цветоразностных сигналов в наземном телевизионном вещании системы цветности СЕКАМ (была основной в СССР) и т.д.
Фазовая модуляция — передача цветоразностных сигналов в наземном телевизионном вещании системы цветности ПАЛ (основная в Европе).
При передаче информации с помощью радиосигналов основными задачами, с которыми приходится сталкиваться являются:
Чем выше частоты, тем больше каналов связи можно организовать. Но с ростом частот растет сложность и стоимость оборудования. Сейчас мы видим все более интенсивное освоение частот в диапазоне гигагерц (ГГц) и выше.
Структурная схема простого канала передачи звука на расстояние приведена ниже:
С развитием технического прогресса удается более рационально использовать частоты эфира, в котором так тесно. Хорошим тому примером является внедрение цифрового эфирного телевидения стандарта DVB T2. Если раньше, при простом аналоговом способе телевизионного вещания, на одной частоте дециметрового диапазона, например 430 МГц, располагался один телевизионный канал, то в стандарте DVB T2, на этой одной частоте можно расположить пакет из 8 телевизионных каналов с цифровым качеством. Это преимущество настолько явное, что уже идет повсеместное внедрение стандарта DVB T2 и отключение аналогового телевизионного вещания.
Множество типов радиочастотной модуляции
Радиосвязь построена на простой концепции: постоянно изменяя характеристики синусоиды, мы можем использовать ее для передачи информации.
На этом этапе мы рассмотрели множество важных концепций, которые служат основой для успешного проектирования и анализа реальных радиочастотных схем и систем. Теперь мы готовы исследовать фундаментальный аспект радиотехники: модуляцию.
Что такое модуляция?
Общий смысл глагола «модулировать» означает «модифицировать, регулировать, изменять», и это определяет суть модуляции даже в специализированном контексте беспроводной связи. Модулировать сигнал – это просто преднамеренно изменять его, но, конечно, эта модификация выполняется строго определенным образом, поскольку целью модуляции является передача данных.
Мы хотим передавать информацию – единицы и нули, если мы имеем дело с цифровыми данными, или последовательность постоянно изменяющихся значений, если мы работаем в аналоге. Но ограничения, налагаемые беспроводной связью, не позволяют нам выражать эту информацию обычным способом; вместо этого мы должны разработать новый «язык», или можно сказать «код», который позволит нам передавать ту же информацию, но в рамках ограничений системы на основе электромагнитного излучения. В частности, нам нужен язык, который совместим с высокочастотными синусоидальными сигналами, поскольку такие сигналы являются единственным практическим средством «переноса» информации в типовой радиочастотной системе.
Эта высокочастотная синусоида, которая используется для передачи информации, называется несущей частотой (или просто несущая). Это название полезно, потому что оно напоминает нам о том, что цель радиочастотной системы заключается не в создании и передаче высокочастотной синусоиды. Скорее, целью является передача (низкочастотной) информации, и несущая – это просто средство, которое мы должны использовать для перемещения этой информации от радиочастотного передатчика к радиочастотному приемнику.
Схемы модуляции
В вербальном общении человеческое тело генерирует звуковые волны и модифицирует или модулирует их так, чтобы создавать большое количество гласных и согласных звуков. Разумное использование этих гласных и согласных приводит к передаче информации от говорящего к слушателю. Система, в соответствии с которой модулируются звуковые волны, называется языком.
В радиочастотной связи ситуация очень похожа. Устройство модулирует электрические волны в соответствии с предопределенной системой, называемой схемой модуляции (или способом модуляции). Так же, как существует много человеческих языков, существует множество способов, которыми можно модулировать несущую.
Сложные схемы модуляции помогают современным радиочастотным системам достичь большого расстояния и улучшить устойчивость к помехам
Возможно, что некоторые человеческие языки особенно эффективны в передаче определенных видов информации; если взять пример из древнего мира, возможно, греческий язык был лучше для философов, а латынь лучше приводила в систему законы. Однако нет никаких сомнений в том, что надежная связь возможна с любым надлежащим образом развитым языком, если только оратор и слушатель знают об этом. То же самое верно для радиочастотных систем. Каждая схема модуляции имеет свои преимущества и недостатки, но все они могут обеспечить отличную беспроводную связь, если выполнено основное требование, то есть приемник должен быть способен понять, что говорит передатчик.
Амплитуда, частота, фаза
Базовая синусоида – вещь простая. Если мы игнорируем смещение по постоянному напряжению, ее можно полностью охарактеризовать только двумя параметрами: амплитудой и частотой. У нас также есть фаза, которая вступает в игру, когда мы рассматриваем начальное состояние синусоиды, или когда изменения в волновом поведении позволяют нам отличать одну часть синусоиды от предыдущей. Фаза также имеет значение при сравнении двух синусоид; этот аспект фазы синусоиды стал очень важным из-за широкого использования в радиочастотных системах квадратурных (или «IQ») сигналов. Мы рассмотрим концепции IQ в этом учебнике позже.
Как обсуждалось выше, модуляция – это модификация, и можем изменить только то, что уже присутствует. У синусоид есть амплитуда, частота и фаза, и поэтому неудивительно, что способы модуляции классифицируются как амплитудная модуляция, частотная модуляция или фазовая модуляция. (На самом деле можно объединять эти категории, комбинируя амплитудную модуляцию с частотной или фазовой модуляцией.) В каждой из этих категорий есть две подкатегории: аналоговая модуляция и цифровая модуляция.
Амплитудная модуляция (АМ, англ. AM)
Аналоговая амплитудная модуляция состоит из умножения непрерывно изменяющейся синусоидальной несущей на смещенную версию непрерывно изменяющегося информационного (низкочастотного) сигнала. Под «смещенной версией» я подразумеваю, что мгновенная амплитуда низкочастотного сигнала всегда выше или равна нулю.
Предположим, что у нас есть несущая 10 МГц и низкочастотный сигнал 1 МГц:
Низкочастотный сигнал 
Несущая частота
Если мы перемножим эти два сигнала, то получим сигнал следующей (неправильной) формы:
Несущая, умноженная на низкочастотный сигнал
Вы можете четко видеть взаимосвязь между низкочастотным сигналом (красный) и амплитудой несущей (синий).
Но у нас есть проблема: если вы посмотрите только на амплитуду несущей, то как сможете определить, находится ли значение низкочастотного сигнала в положительной или отрицательной полуволне? Это невозможно – и, следовательно, амплитудная демодуляция не будет правильно извлекать низкочастотный сигнал из модулированной несущей.
Смещенный низкочастотный сигнал
Если мы умножим смещенный низкочастотный сигнал на сигнал несущей, то получим следующее:
Несущая, умноженная на смещенный низкочастотный сигнал
Теперь амплитуда несущей может быть непосредственно соотнесена с поведением низкочастотного сигнала.
Самая простая форма цифровой амплитудной модуляции применяет ту же математическую связь с низкочастотным сигналом, чья амплитуда равна 0 или 1. Результат называется «амплитудная манипуляция» («on-off keying», OOK, или «манипуляция включено-выключено»): когда информационный сигнал равен логическому нулю, амплитуда несущей равна нулю («выключено»); когда информационный сигнал равен логической единице, амплитуда несущей равна максимальному значению («включено»).
Частотная модуляция (ЧМ, англ. FM) и фазовая модуляция (ФМ, англ. PM)
Частотная и фазовая модуляции тесно связаны, потому что частота и фаза тесно связаны между собой. Это не так очевидно, если вы считаете, что частота равна числу полных циклов в секунду – как число циклов в секунду связано с положением синусоиды в заданный момент во времени цикла? Но это имеет смысл, если вы считаете мгновенную частоту, т.е. частоту сигнала в заданный момент (несомненно, парадоксально описывать частоту как мгновенную, но в контексте практической обработки сигналов мы можем смело игнорировать сложные теоретические детали, связанные с этой концепцией).
В базовой синусоиде значение мгновенной частоты совпадает со значением «нормальной» частоты. Аналитическое значение мгновенной частоты появляется, когда мы имеем дело с сигналами, у которых частота изменяется во времени, т.е. частота является не постоянным значением, а скорее функцией времени, записанной как ω(t). В любом случае, важным моментом нашего текущего обсуждения относительно тесной взаимосвязи между частотой и фазой является следующее: мгновенная угловая частота является производной фазы по времени. Поэтому, если у вас есть выражение φ(t), которое описывает изменяющееся во времени поведение фазы сигнала, то скорость изменения φ(t) (по времени), дает вам выражение для мгновенной угловой частоты.
Позже в этой главе мы рассмотрим частотную и фазовую модуляции. А пока давайте закончим следующим графиком, который показывает математическую взаимосвязь в частотной модуляции между низкочастотным сигналом и сигналом несущей частоты, используемых ранее:
Частотная модуляция
OFDM — технология цифровой модуляции в сетях WiMax и LTE
Мы представляем вторую статью из цикла постов о беспроводной передачи данных.
В комментариях к первой из них: «Модуляция радиосигнала» уважаемый nerudo посоветовал рассказать о таком важном моменте как OFDM. Что мы c удовольствием и делаем.
Что такое OFDM?
OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием)
Это схема модуляции, использующая множество несущих. Канал делится на несколько субканалов или subcarrier (русский аналог «поднесущая» кажется мне немного смешным, я постараюсь избегать этого слова, употребляя где необходимо «вспомогательная несущая»)
В OFDM высокоскоростной поток данных конвертируется в несколько параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый из которых модулируется своей отдельной несущей.
Все это множество несущих передается одновременно.
Главное преимущество OFDM заключается в том, что продолжительность символа во вспомогательной несущей значительно больше в сравнении с задержкой распространения, чем в традиционных схемах модуляции. Это делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции (ISI, intersymbol interference).
ISI – Межсимвольная интерференция
Межсимвольная интерференция это форма искажения сигнала, которая вызвана воздействием одного символа на другой. Этот эффект наблюдается как в проводных, так и в беспроводных системах передачи данных.
Магистерская диссертация вашего покорного слуги как раз была посвящена борьбе с межсимвольной интерференцией , поэтому объясню на примере кабельной линии. Кабель представляет собой распределенную RC-цепочку, и высокочастотные компоненты сигнала в нем подвержены затуханию. Самый критичный случай — это одиночная единица после серии нулей или одиночный ноль после единиц:
При передачи данных «по воздуху» нет RC составляющей, но включается другой механизм, приводящий к тому же эффекту. Он называется многолучевое распространение.
В следствие этого эффекта беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника через несколько разных путей. Причины этого отражения (например от зданий) — рефракция (преломление при прохождению через кроны деревьев) и атмосферные эффекты.
Так как все пути разной длинны, а некоторые из описанных выше эффектов приводят к задержке сигнала, в результате разные версии сигнала придут к приемнику в разное время. Из-за взаимного наложения всех этих сигналов результирующий сигнал будет искажен.
Я возьму пример искажения сигнала при многолучевом распространении из Википедии.
Исходный сигнал:
Сигнал подвергшийся эффекту многолучевого распространения:
Возможно уважаемый хабрачитатель при виде этих картинок сделал удивленное лицо. Сейчас поясню.
Это так называемая глазковая диаграмма. Она строится очень просто: все источники взаимодействия или сигналы накладываются друг на друга. Под «глазом» подразумевается область в середине, по форме напоминающая глаз. На первой картинке «глаз широко откры
т», на второй «глаз прищурен». Если «глаз закроется» или будет меньше определенной величины, то такой сигнал уже нельзя будет принять.
Интуитивно понятно, что чем выше частота сигнала, тем меньше будет «глаз».
Ключевым принципом OFDM является использование охранного интервала. Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого символа достаточно велика.
Приведу пример из англоязычной Википедии:
«Если кто-то передает миллион символов в секунду, используя однонесущую модуляцию по беспроводному каналу, то продолжительность каждого символа будет равна одной микросекунде или меньше. Из этого вытекают определенные требования к синхронизации и необходимость подавлять многолучевую интерференцию. Если тот же миллион символов в секунду распределяется между тысячей субканалов, продолжительность каждого символа может быть увеличена на три порядка (т.е. до одной миллисекунды) при приблизительно той же пропускной способности. Предположим, что мы можем вставить охранный интервал равный 1/8 продолжительности символа между каждым символом. Межсимвольная интерференция может быть терпима, если время между приемом первого и последнего эха меньше охранного интервала (т.е. 125 микросекунд). Это соответствует максимальной разнице в 37.5 километров между длиной пути сигнала.
Другим преимуществом является устойчивость к частотно-зависимому затуханию. Такой тип затухания может оказывать очень негативное влияние при многолучевом распространении сигнала, особенно если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных несущих, поэтому информация пострадавшая в нескольких субканалах может быть восстановлена с помощью ЕСС.
Основы беспроводных сетей
Аналоговые и цифровые сигналы. Модуляция
Аналоговые и цифровые сигналы
При распространении сигналов в какой-либо среде, они носят непрерывный по величине и времени характер. Сигналы, непрерывные по величине напряжения и времени, называются аналоговыми (рисунок 1(а)). Основной причиной массового перехода от аналоговых сигналов к цифровым в беспроводных системах связи является развитие цифровой техники, которая оперирует численными данными, а не аналоговыми сигналами. Также, в пользу цифровых сигналов сыграли возможность восстановления в промежуточных узлах передачи и инструмент кодирования, используемый для восстановления утерянных данных и решения вопросов безопасности.
Результат двух операций, дискретизации и квантования, над аналоговым сигналом называется цифровым (рисунок 1(г)).
Используя цифровые сигналы, можно представить исходный аналоговый сигнал в виде конечной числовой последовательности, что облегчит хранение и обработку данных, а также сделает возможным использование схем кодирования.
Важным достоинством цифровых сигналов является возможность их воспроизведения: принятый аналоговый сигнал может быть усилен по амплитуде, однако, наряду с сигнальной составляющей, будет усилена помеха, тогда как цифровой сигнал может быть сначала декодирован, после чего сгенерирован заново.
Кодирование
Под кодированием подразумевается однозначное преобразование числовой последовательности в другую числовую последовательность, как правило, большей длины. Кодирование применяется с целью обнаружения и/или исправления ошибок, возникших при передаче данных.
Рассмотрим простейший вид кодирования с проверкой на чётность: для этого запишем числовую последовательность, полученную в предыдущем пункте, поэлементно в столбец:
К каждому из символов добавим дополнительный бит, который равен нулю, если сумма битов числа чётная, и равен единице, если сумма битов числа нечётная. Таким образом, сумма битов нового четырёхзначного числа является чётной.
При передаче последовательность модулирует несущий сигнал и передаётся в эфир. На приёмной стороне полученный сигнал декодируется и делится на 4-битные последовательности, каждая из которых кодирует один символ. Далее, каждое из четырёхбитных чисел проверяется на чётность и, в случае, если сумма битов является нечётной, то фиксируется ошибка в передаче данного символа. Код с проверкой на чётность может только обнаруживать одну ошибку при передаче символа, т.е. если будут неверно приняты два из четырёх битов, то ошибка обнаружена не будет. Рассмотренный метод кодирования является достаточно простым, однако существуют более сложные кодовые конструкции, которые позволяют не только обнаруживать, но и исправлять одну или несколько ошибок.
Модуляция
Сигнал, содержащий информацию, занимает определённую полосу, располагается в области низких частот и называется модулирующим. Высокочастотный сигнал, один или несколько параметров которого изменяются в соответствии с модулирующим сигналом называется модулируемым. При этом процесс преобразования высокочастотного гармонического сигнала, в ходе которого спектр информационного сигнала переносится в область высоких частот, называется модуляцией. Использование данного преобразования имеет два преимущества:
Схема модуляции
Процесс модуляции состоит в изменении амплитуды, частоты или фазы несущей частоты в соответствии с поступающими данными.
Обратимся к рисунку 4 для пояснения процесса модуляции. Генератор несущей формирует опорный сигнал, представляющий из себя гармонический сигнал заданной частоты, который поступает на вход модулятора. Источник передаваемого сообщения формирует поток бит, которые необходимо передать на приёмную сторону. В соответствии с сформированным потоком бит в блоке модулятора изменяются один или несколько параметров опорного сигнала, после чего, полученный сигнал передаётся в следующие каскады передатчика и излучается в направлении приёмника.
Сигнальное созвездие IQ
Одним из инструментов при оценке схемы модуляции сигнала является изображение сигнального созвездия, которое представляет из себя способ представления радиосигнала в виде двухмерной точечной диаграммы на комплексной плоскости. Любой сигнал может быть представлен как сумма синфазной ( I ) и квадратурной ( Q ) составляющих и изображается как точка на комплексной плоскости. Совокупность сигналов, которую формирует передатчик и которая, исказившись в процессе распространения, детектируется на приёмной стороне, образует на комплексной плоскости множество точек, называемых сигнальным созвездием.
Амплитудная манипуляция (ASK, AM)
Частотная манипуляция (FSK, ЧМ)
Фазовая манипуляция (PSK, ФМ)
Квадратурно-амплитудная манипуляция (QAM, КАМ)
В рассмотренных выше видах манипуляции, в соответствии с информационным сообщением изменялся один из параметров высокочастотного сигнала: амплитуда, частота или фаза. В квадратурно-амплитудной манипуляции используется комбинация различных амплитудных уровней и фазовых сдвигов, которые ставятся в соответствие передаваемым битам информации. Так, при использовании QAM-16 разрешено 4 значения амплитуды и 4 значения фазовых сдвигов, что при комбинации «каждый с каждым» даёт 16 возможных вариантов сигнала, каждому из которых соответствует точка на сигнальном созвездии:
Пусть, при передаче рассматриваемой информационной последовательности, используется QAM-16. Тогда осциллограммы модулированного сигнала будут выглядеть следующим образом:
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
Одной из проблем при распространении сигнала, как было показано в уроке «Принципы распространения радиосигнала», является многолучёвость, последствием которой является межсимвольная интерференция (МСИ). Одним из методов борьбы с МСИ является использование OFDM, применение которого делит используемый частотный диапазон на множество поднесущих, на каждой из которых используется сниженная модуляция с большим защитным интервалом, сохраняя при этом общую скорость передачи. Кроме того, использование OFDM позволяет повысить устойчивость системы к частотно-избирательным замираниям, поскольку влияние будет оказано лишь на отдельные поднесущие, а не на весь спектр сигнала. Недостатком метода является чувствительность к эффекту Допплера.
Далее, каждый из потоков поступает в радиотракт, где каждый из них переносится на заданную частоту и передаётся в эфир:
Однако, в случае, если при распространении сигнал сильно искажается и, на самом деле, была передана другая последовательность, например «0011», то возникает ошибка. В беспроводных системах связи, с помощью периодической рассылки служебных сообщений, происходит постоянный контроль за параметрами радиоканала и, в случае возникновения описанной ситуации, система может понизить манипуляцию, например до QAM-4. Это позволит снизить число ошибок при передаче ценой снижения скорости в канале. Сигнальное созвездие после смены манипуляции представлено на рисунке 14(в). При снижении манипуляции, увеличивается область вокруг каждого из разрешённых состояний, что непосредственно влияет на уровень ошибок при передаче.