текст лекций / 15. Современные виды модуляции

Квадратурная модуляция

Разновидность амплитудной модуляции сигнала, которая представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых пофазе относительно друг друга на 90°, каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим сигналом:

,

где  и  — модулирующие сигналы,  — несущая частота.

Квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМн, англ. Quadrature Amplitude-Shift Keying (QASK)) называется манипуляция, при которой изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что позволяет увеличить количество информации, передаваемой одним состоянием (отсчётом) сигнала. В англоязычной литературе такой тип манипуляции часто называют QAM, обозначение QASK применяется редко.

Предположим, что количество сигналов  равно , где  показывает число бит, переносимых одним сигналом. Пусть для начала ,  — натуральное. Тогда . Тогда сигналу с номером  можно поставить в соответствие два числа  и ,  по следующему правилу: . Пусть

 и .

Тогда величины  и  будут равномерно расположены в интервале . Минимальное расстояние, как можно установить из рисунка, .

Если , то сигнальное множество строится путем прореживания сигнального множества для . Для этого случая минимальное расстояние 

Квадратурная модуляция применяется для передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте PAL и NTSC, в стереофоническом радиовещании.

Сигма – дельта модуляция

Способ модуляции, обеспечивающий оцифровку сигнала с заданными характеристиками в рабочей полосе частот.

Используется представление сигнала на основе принципа избыточной дискретизации и формирования шума квантования. За счет избыточной дискретизации снижается уровень шума в полосе, содержащей полезный сигнал. За счёт формирования шума (англ. noise shaping) этот уровень становится ещё ниже, правда, за счёт увеличения уровня шума за пределами рабочей полосы.

Дельта-сигма модуляция обладает всеми достоинствами дельта-модуляции и в то же время лишена многих ее недостатков. Как известно, дельта-модулятор пригоден для работы только с хорошо коррелированными сигналами, поэтому для повышения коррелированности входного сигнала его можно пропустить через интегратор, а на приемной стороне выходной преобразованный сигнал пропустить, соответственно, через дифференциатор.

Поскольку разность интегралов равна интегралу разности, то два интегратора на входах вычитателя можно заменить одним на его выходе. Что касается дифференциатора на приемной стороне, то он вместе с приемным интегратором может быть исключен. Таким образом, схема ДСМ отличается от дельта-модулятора положением интегратора на передающей стороне и его отсутствием на приемной. Такое незначительное изменение в схеме значительно улучшило ее характеристики и, в частности, позволило достичь отношения сигнал/шум –120 дБ.

Одним важным на сегодня параметром сигнала является его информационная емкость. Здесь следует отметить, что сигнал в формате дельта-сигма модуляции не требует кадровой синхронизации, а значит, считывать его можно в любой момент времени в записи или в канале передачи. В этом его сходство с аналоговым сигналом. Еще одно важное его отличие — это факт одинаковой информационной емкости каждого бита в потоке, что повышает помехоустойчивость сигнала в формате дельта-сигма модуляции.

Чаще всего сигма-дельта модуляция применяется в микросхемах АЦП и ЦАП звукового диапазона частот (20–20000 Гц). Это обусловлено сравнительно небольшими требованиями таких систем к диапазону частот и значительными требованиями к уровню шумов и динамическому диапазону системы.

Широкое применение сигма-дельта модуляция нашла также в микросхемах АЦП для прецизионных медленных измерений с большим динамическим диапазоном (от 16 до 32 бит^[).

Адаптивно дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

(АДИКМ) (англ. Adaptive differential pulse-code modulation, ADPCM) — разновидностьдифференциальной импульсно-кодовой модуляции, алгоритм которой подразумевает изменение шага квантования, что позволяет снизить требуемую полосу пропускания для заданного отношения сигнал/шум. Обычно адаптация основывается на адаптивном коэффициенте масштабирования. В телефонии стандартный аудиосигнал кодируется 8000 сэмплами в секунду, каждый из которых состоит из 8 бит — таким образом, получается скорость передачи данных 64 Кбит/с; этот стандарт известен как DS0. Стандартным методом сжатия сигнала в DS0 является либо импульсно-кодовая модуляция, использующая Мю-закон (Северная Америка и Япония), либо импульсно-кодовая модуляция, использующая А-закон (Европа и бо́льшая часть остального мира). Это логарифмические методы сжатия, которые описаны международным стандартом G.711. В случаях, когда стоимость передачи данных по каналам связи высокая, а уровень потерь данных приемлем, имеет смысл сжимать голосовую информацию больше. Алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции сопоставляет набор 8-битных сэмплов импульсно-кодовой модуляции (использующей Мю-закон или А-закон) набору 4-битных сэмплов АДИКМ. Таким образом, ёмкость кабеля удваивается. Этот алгоритм описан в стандарте G.726.

Некоторые принципы АДИКМ применяются в коммуникационных протоколах Voice over IP. Также АДИКМ использовалась ассоциацией Interactive Multimedia Association в начале 1990-х годов для разработки аудиокодека, известного как ADPCM DVI, IMA ADPCM или DVI4.

G.722 — это широкополосный голосовой кодек стандарта ITU-T, работающий на скоростях 48, 56 и 64 Кбит/с и основывающийся на поддиапазонном кодировании с двумя каналами, каждый из которых кодируется с помощью АДИКМ. Перед процессом оцифровки происходит обработка аналогового сигнала и разделение его по частотным полосам с помощью квадратурных зеркальных фильтров для получения двух поддиапазонов сигнала. Когда происходит получение двоичного потока данных АДИКМ, происходит мультиплексирование, а затем данные либо сохраняются, либо передаются дальше. Декодер выполняет обратный процесс: демультиплексирует и декодирует каждый поддиапазон двоичного потока данных, а затем производит рекомбинацию.

Цифровая модуляция(манипуляция)  

В теории передачи дискретных сообщений процесс преобразования последовательности кодовых символов в последовательность элементов сигнала (частный случай модуляции — при дискретных уровнях модулирующего сигнала).

Амплитудная манипуляция

Амплитудная манипуляция (АМн; англ. amplitude shift keying (ASK) — изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания.

Фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция (ФМн, англ. phase-shift keying (PSK)) — один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения.

Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)

 

Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

 

Восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK)

Решётчатая кодированная модуляция

Разделение 8-фазового созвездия для решётчатой кодированной модуляции

При использовании блочного или свёрточного кодирования помехоустойчивость радиосвязи повышается за счёт расширения полосы частоты и усложнения радиоаппаратуры без повышения отношения сигнал/шум (ОСШ). Для сохранения помехоустойчивости при том же значении ОСШ можно уменьшить используемую полосу частот и упростить радиоаппаратуру с помощью применения решётчатой кодированной модуляции (TCM), которая впервые была разработана в 1982 году Унгербоком. В основе TCM лежит совместный процесс кодирования и манипуляции.

TCM-модулятор

В качестве примера рассмотрим комбинированный кодер/модулятор, общая структура которой показана на рисунке. Бит b0 позволяет выбрать одно из двух созвездий, которые получились при первом разделении. Далее выбор определяется в зависимости от бит b1 и b2.