Modulare

Grafic animat reprezentând efectul modulației de frecvență a unui semnal de undă sinusoidală transmis pe unde modulate de amplitudine ( AM ) și frecvență ( FM )

Modulația , în telecomunicații și electronică , indică setul de tehnici de transmisie care vizează impresia unui semnal electric sau electromagnetic , numit modulator, care conține , în general , informații variabile în mod aleator în timp, pe un alt semnal electric sau electromagnetic, numit purtător , dezvoltat la frecvență înaltă (frecvență purtătoare >> frecvență modulantă). Rezultatul modulației este conversia semnalului modulant din banda de bază în așa-numita bandă tradusă (semnal modulat), conform teoremei modulației.

Operația inversă de restabilire a semnalului de informație original în banda de bază se numește demodulare . Dispozitivul de transmisie care efectuează operația de modulare pe semnalul de informații se numește modulator , în timp ce dispozitivul de recepție care efectuează operația de demodulare se numește demodulator , inclus respectiv în emițător și în receptor . Într-un sistem de emisie-recepție , aceste sisteme sunt ambele reunite sub termenul Modem (din compoziția MODULARE și DEModulare ).

Modularea semnalelor poate reprezenta cele mai diverse informații: audio , video , date . Unda purtătoare este o undă electromagnetică sau un semnal electric cu o frecvență bine determinată (mult mai mare decât frecvența semnalului de modulare), care poate fi transmisă în aer sau în vid (de exemplu, în comunicațiile radio ) sau prin alte mijloace fizice. (de ex. un cablu electric ). În cazul comunicațiilor cu fibră optică, purtătorul este radiația laser a cărei frecvență este de obicei exprimată ca lungime de undă .

Motive

În general, motivul pentru care sunt utilizate tehnicile de modulație constă în faptul că semnalele care reprezintă informațiile care urmează să fie transmise sunt în principal de natură low-pass (conținutul lor spectral este concentrat mai ales la frecvențe joase), în timp ce canalele transmissive care sunt cele mai utilizate în mod obișnuit, pentru a transmite mai multe semnale modulate în același timp (cum ar fi canalele hertziene și fibrele optice ) sunt de obicei de natură de trecere a benzii, adică transmit într-o bandă de frecvență diferită de cea a semnalului informațional original. În esență, este, prin urmare, necesar să se convertească spectrul semnalului care reprezintă informația în frecvență prin intermediul acestei tehnici; în plus, utilizarea acestei tehnici permite transmiterea semnalelor electrice (și, prin urmare, a informațiilor pe care le reprezintă) la o distanță mare și fără a suprapune alte informații datorită tehnicilor de multiplexare în frecvență corelate ( FDM ).

Rezumând, prin urmare, este convenabil să modulați un semnal din următoarele motive:

traducerea benzii de semnal informațional în banda canalului de comunicație.

dacă semnalele urmează să fie transmise prin unde radio (comunicație fără fir ) este necesar ca antena (în transmisie ca în recepție) să aibă o lungime proporțională cu lungimea de undă. Banda de bază (gama de frecvență a semnalului de modulare), pentru un semnal audio, este egală cu ${\textstyle \lambda ={\frac {c}{f}}={\frac {3\cdot 10^{8}{\text{ m/s}}}{20{\text{ kHz}}}}=15{\text{ km}}}$ ${\ textstyle \ lambda = {\ frac {c} {f}} = {\ frac {3 \ cdot 10 ^ {8} {\ text {m / s}}} {20 {\ text {kHz}}}} = 15 {\ text {km}}}$ ${\ textstyle \ lambda = {\ frac {c} {f}} = {\ frac {3 \ cdot 10 ^ {8} {\ text {m / s}}} {20 {\ text {kHz}}}} = 15 {\ text {km}}}$ , realizarea antenelor de această dimensiune ar fi imposibilă;

prin modularea unui semnal la frecvențe diferite, este posibil să se facă mai multe semnale să treacă pe un mediu de transmisie, prin urmare, mai mulți utilizatori - de exemplu - pot telefona în același timp (FDM multiplexare prin diviziune de frecvență);

semnalul modulat poate fi codat astfel încât să reducă efectele zgomotului ; natura semnalului în sine este de așa natură încât să-și concentreze spectrul în frecvențe mai mici, în timp ce mijloacele de transmisie au o performanță mai bună sau un răspuns de frecvență mai bun la frecvențe mai mari sau, în orice caz, diferit de banda de bază a semnalului original;

în cele din urmă există o simplificare a circuitelor adoptate pentru transmisia și recepția semnalelor.

Formula pentru calcularea lungimii de undă este raportul dintre viteza de propagare a semnalului în mediul de transmisie (în cazul anterior în vid deci viteza luminii) și frecvența semnalului modulată în banda tradusă pentru transmisie .

În general, prin urmare, este posibil să se transmită semnalul informațional fără a recurge la tehnici de modulare, dar toate avantajele descrise mai sus se pierd, determinând pierderea eficienței transmisiei sau, în unele cazuri, făcând inutil orice efort de transmisie.

NB: Viteza de propagare a semnalului în aer este raportată ca ${\textstyle 3\cdot 10^{8}{\text{ m/s}}}$ ${\ textstyle 3 \ cdot 10 ^ {8} {\ text {m / s}}}$ ${\ textstyle 3 \ cdot 10 ^ {8} {\ text {m / s}}}$ . În realitate, aceasta trebuie considerată viteza de transmisie în vid și nu în aer, deoarece acesta din urmă este format din diferite straturi (troposferă, exosferă, ...), gaze (oxigen, azot, ...), umiditate, praf, ... care "atenuează" viteza de propagare prin reducerea acesteia la o valoare efectivă de ${\textstyle 2,98\cdot 10^{8}{\text{ m/s}}}$ ${\ textstyle 2.98 \ cdot 10 ^ {8} {\ text {m / s}}}$ ${\ textstyle 2.98 \ cdot 10 ^ {8} {\ text {m / s}}}$ .

Teorema modulației

Este $x(t)$ ${\ displaystyle x (t)}$ $x (t)$ un semnal de bandă de bază cu un spectru de amplitudine $X(f)$ ${\ displaystyle X (f)}$ $X (f)$ ; spectrul din banda tradusă se obține din următoarea operație:

\int _{\mathbb {R} }x(t)e^{-j2\pi ft}\cos(2\pi f_{0}t)\mathop {} \!\mathrm {d} t={\frac {X(f+f_{0})+X(f-f_{0})}{2}}

{\ displaystyle \ int _ {\ mathbb {R}} x (t) e ^ {- j2 \ pi ft} \ cos (2 \ pi f_ {0} t) \ mathop {} \! \ mathrm {d} t = {\ frac {X (f + f_ {0}) + X (f-f_ {0})} {2}}}

{\ displaystyle \ int _ {\ mathbb {R}} x (t) e ^ {- j2 \ pi ft} \ cos (2 \ pi f_ {0} t) \ mathop {} \! \ mathrm {d} t = {\ frac {X (f + f_ {0}) + X (f-f_ {0})} {2}}}

sau înmulțind cu o funcție de cosinus de frecvență $f_{0}$ ${\ displaystyle f_ {0}}$ $f_ {0}$ și transformându-se succesiv după Fourier: în acest fel obținem spectrul tradus printr-o cantitate egală cu $f_{0}$ ${\ displaystyle f_ {0}}$ $f_ {0}$ ; acest spectru este compus matematic dintr-o parte pe axa de frecvență pozitivă și o alta pe axa negativă (proprietatea Hermitianity). Pentru operația inversă a demodulării, adică de la „bandă tradusă” la „bandă de bază”, este suficient să reînmulțiți semnalul obținut din nou pentru $\cos(2\pi f_{0}t)$ ${\ displaystyle \ cos (2 \ pi f_ {0} t)}$ ${\ displaystyle \ cos (2 \ pi f_ {0} t)}$ și transformă din nou conform lui Fourier. Prin urmare, nu este altceva decât o proprietate particulară a transformatei Fourier .

Modulații analogice

Există 3 tipuri diferite de modulație analogică, utilizate în transmisiile analogice respective:

AM - ( Amplitude Modulation ) modulare de amplitudine ;
FM - Modulație de frecvență ( Modulare de frecvență );
PM - ( Phase Modulation ) modulare de fază .

Practic, informațiile care trebuie transmise pot fi codificate în variații de amplitudine, frecvență și fază, iar în recepție trebuie recuperate, adică demodulate de semnalul purtător primit. Transmiterea de la transmițător la receptor, desigur, trebuie făcută utilizând același purtător și același tip de modulație; de exemplu: 10 MHz ca purtător, AM-SSB ca modulație. Cu același purtător, utilizarea unor modulații diferite între emițător și receptor face ca semnalul primit să fie inutilizabil.

Același subiect în detaliu: Radio (electronică) și Radio link .

Modulații digitale sau numerice

Termenul de modulație digitală (sau numerică) indică o tehnică de modulație utilizată în transmisiile digitale de un subsistem particular de modulație / demodulare în care semnalul de modulare reprezintă informații în format binar , adică astfel încât să își asume doar două valori posibile (exemplu 0 sau 1, - 1 sau +1) sau un șir din acestea.

Principiile modulației numerice sunt diferite de cele ale modulației analogice, chiar dacă rezultatele sunt similare: de fapt, acest tip de modulație efectuează o conversie de date de la digital la analog pentru transmisie pe un canal de undă continuă. Această conversie se obține, ca primă aproximare, printr-o mapare unu-la-unu între secvențe de biți la intrarea modulatorului numeric și un set de forme de undă de energie analogică (deci limitată în timp), alese în funcție de criterii adecvate, la ieșirea pe canalul numit simboluri și care definesc așa-numitul alfabet de simboluri. Cardinalitatea alfabetului, adică numărul total de simboluri sau forme de undă, depinde de numărul de biți transmis într-o succesiune sau de lungimea L a acesteia: adică sunt posibile $2^{L}$ ${\ displaystyle 2 ^ {L}}$ ${\ displaystyle 2 ^ {L}}$ secvențe de biți și apoi $M=2^{L}$ ${\ displaystyle M = 2 ^ {L}}$ ${\ displaystyle M = 2 ^ {L}}$ forme de undă sau simboluri pentru a le codifica în analog.

În transmisia pe canal, va exista deci o concatenare sau o secvență de simboluri, adică a formelor de undă analogice transmise cu un timp simbol egal cu Ts, sau o bandă aproximativ egală cu 1 / Ts, rata de emisie a simbolului egală cu 1 / Ts și prin urmare rata de biți totală egală cu L * 1 / Ts. Fiecare simbol poate fi exprimat formal într-o reprezentare prin funcții de bază ortonormale (obținute datorită procedurii de ortonormalizare Gram-Schmidt ) și de aici sub forma unor puncte pe un plan N-dimensional care dau viață unei constelații de simboluri ale sistemului de modulație. Această reprezentare facilitează operațiunea de decizie / decodificare în aval în receptor în ceea ce privește implementarea factorului de decizie în sine.

La recepție, demodulatorul / factorul de decizie va funcționa ca de obicei în mod opus: după o operațiune de decizie în care simbolul primit (care este afectat de o eroare din cauza prezenței unui zgomot aleatoriu aditiv pe canal) va decide ce simbol al constelația a fost transmisă prin criterii de decizie aparținând teoriei deciziei statistice, începând de la forma de undă analogică decodificată, secvența de biți originală va fi restaurată printr-o mapare inversă. Fenomenul de interferență intersimbolică (ISI) contribuie, de asemenea, la generarea unor erori potențiale în recepție. O aplicație tipică a acestor procese este în modemul care se conectează la Internet .

Tipuri

Principalele tipuri de modulație digitală sunt:

Tastare amplitudine (ASK): modulare digitală a amplitudinii;
Tastare frecvență (FSK): modulare digitală a frecvenței;
Phase-shift keying (PSK): modulare digitală de fază.

Prin combinarea modulației ASK și PSK , se obține modulația în amplitudine a cvadraturii (QAM), care se numește așa deoarece poate fi obținută prin modularea a doi purtători de aceeași frecvență în amplitudine, apoi însumați în cvadratură de fază (faze ortogonale, adică la 90º ).

Modulație impulsivă

Modulația impulsurilor este un tip de modulație în care informațiile sunt codificate într-o serie de impulsuri. Principalele tipuri de modulație impulsivă sunt:

Modularea lățimii pulsului sau PAM;
Modulația lățimii impulsurilor sau PWM;
Modulație codată prin impulsuri sau PCM.
Modulație de fază impuls sau PPM

Modulația impulsivă, deși la prima vedere ne poate părea digitală, este de fapt obținută prin intermediul trenurilor de impuls analogice.

Alte tipuri de modulație

Alte tehnici de modulație mai complicate, făcute posibile prin integrarea electronică a funcțiilor complexe ( Transformata Fourier Rapidă , FFT ) în microcipuri, sunt cele care implică modularea unui număr mare de purtători simultan, pentru a minimiza interferențele reciproce. Aceste tehnici se numesc OFDM și sunt utilizate de exemplu în ADSL , în sistemele radio WiMAX și în standardul LTE de telefonie celulară .

Parametrii de performanță

În sistemele de transmisie numerică, modulația numerică determină performanța sistemului de comunicații numerice. Performanța unui sistem de modulație numerică poate fi de fapt măsurată în termeni de eficiență spectrală și probabilitate de eroare Pb. În special, dacă numărul M de simboluri pe constelație crește, cantitatea L de biți transportată de simbolul în sine crește ( $L=log_{2}(M)$ ${\ displaystyle L = log_ {2} (M)}$ ${\ displaystyle L = log_ {2} (M)}$ ) crescând astfel viteza de transmisie și eficiența spectrală, dar în același timp crescând, cu același raport semnal / zgomot , și probabilitatea de eroare în demodulare, care este invers proporțională cu aria regiunilor de decizie ale N- identificate spațiul dimensional din constelație.

În consecință, schema de modulație numerică care trebuie adoptată în ceea ce privește numărul de simboluri depinde de caracteristicile de calitate / fiabilitate ale canalului: cu cât este mai mare fiabilitatea canalului, cu atât este mai mare numărul de simboluri care pot fi adoptate în schema de modulare și vice versa. Astfel se întâmplă în general ca un canal radio, care este de obicei mult mai sensibil la perturbații, să suporte o schemă de modulație numerică cu mai puține simboluri decât un canal cu fir mai fiabil.

Dimpotrivă, dacă treceți la modulație cu un număr mai mare de simboluri și doriți să mențineți probabilitatea de eroare constantă pe simbol, trebuie să transmiteți la un raport semnal / zgomot mai mare sau la o putere de simbol mai mare.

Modulație adaptivă

Pentru ceea ce s-a spus despre relația dintre schema de modulație în ceea ce privește numărul de simboluri și calitatea canalului, sistemele moderne de telecomunicații permit să varieze schema de modulație numerică adoptată în funcție de cantitatea de informații care trebuie transmise și / sau în funcție de condițiile de propagare a canalului (mai mult sau mai puțin deranjat) mai ales în cazul canalelor radio ( comunicații radio terestre și prin satelit). Aceasta implică faptul că rata de codare a informațiilor din amonte de modulație trebuie să varieze, de asemenea, în conformitate cu scăderea sau creșterea vitezei de transmisie pe canal.

De exemplu, este posibil să treci de la un sistem la 8QAM la 16QAM la 64QAM, crescând astfel numărul de biți de informație transmisă pe simbol sau invers coborând-o prin reducerea benzii necesare transmisiei pentru a o dedica parțial altor servicii și la garantând în același timp o robustețe mai mare sistemului.în ceea ce privește probabilitatea de eroare sau garantarea unor niveluri ridicate de calitate a serviciului în ceea ce privește disponibilitatea serviciului în cazul vremii nefavorabile, de exemplu. În transmisiile digitale cu codare sursă și compresia de date consecutivă , este posibilă reducerea schemei de modulație și, în același timp, operarea unei scăderi a benzii necesare, exploatând astfel totalul disponibil mai eficient pentru alte canale sau servicii, obținându-se astfel o îmbunătățire privind eficiența spectrală a sistemului general.

Elemente conexe

M-QASK

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre modulație

linkuri externe

( EN ) Modulation , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 41715 · LCCN (RO) sh85086466 · BNF (FR) cb11941892m (data)

V · D · M Modulații ale lățimii de bandă
Modulații analogice	AM · SSB · QAM · FM · PM
Modulații digitale	FSK · MFSK · ASK · OOK · PSK · QAM · MSK · CPM · PPM · TCM · SC-FDE
Extinderea spectrului	CSS · DSSS · FHSS · THSS
Elemente conexe	PAM , PWM , PCM , modem , codare linie