Kluczowanie Amplitudy (ASK)

Zasada Kluczowania Amplitudy (ASK)

Kluczowanie amplitudy (ang. Amplitude-Shift Keying, ASK) to modulacja cyfrowa, w której symbol wybiera jeden z dyskretnych poziomów amplitudy o wysokiej częstotliwości. W transmisji binarnej bity wybierają dwa poziomy. W każdym przedziale symbolowym częstotliwość i faza nośnej pozostają stałe, a amplituda reprezentuje symbol cyfrowy.

Binarne ASK: Kluczowanie Włącz-Wyłącz (OOK)

Kluczowanie włącz-wyłącz (ang. On-Off Keying) przypisuje niezerową amplitudę nośnej logicznej '1', a poziom zerowy lub bliski zeru logicznemu '0'. Nośna występuje w jednym przedziale symbolowym i zanika w drugim.

Logiczne '1': Fala nośna jest transmitowana ze stałą, wysoką amplitudą. (Sygnał WŁĄCZONY).
Logiczne '0': Fala nośna nie jest transmitowana lub jest transmitowana z niską amplitudą. (Sygnał WYŁĄCZONY).

OOK i kod Morse'a

W radiowej transmisji Morse'a kropka lub kreska powstaje przez obecność kluczowanego tonu, a jego brak oznacza przerwę. OOK wykorzystuje te dwa stany w określonych przedziałach symbolowych, co upraszcza detekcję binarną.

Wielopoziomowe ASK (M-ASK)

Przy stałej szybkości symbolowej i paśmie określonym przez kształt impulsu ASK może używać wielu poziomów amplitudy, aby przenosić więcej bitów na symbol. Technika ta jest znana jako M-aryjne ASK lub M-ASK, gdzie 'M' oznacza liczbę odrębnych poziomów amplitudy.

Jeśli system używa $M$ poziomów i przypisuje każdemu poziomowi etykietę binarną, jeden symbol reprezentuje $k = \log_2(M)$ bitów, gdy $M$ jest potęgą liczby 2. Na przykład 4-ASK wykorzystuje cztery amplitudy do reprezentowania 2 bitów na symbol ('00', '01', '10', '11').

Ograniczenie detekcji

M-ASK zwiększa przy tej samej szybkości symbolowej. Poziomy amplitudy są wtedy bliżej siebie, więc niezawodna praca wymaga wyższego . Szum może przesunąć próbkę za próg decyzyjny i wywołać błąd bitu.

Dla koherentnego binarnego OOK, równoprawdopodobnych bitów, dwustronnej gęstości widmowej mocy szumu AWGN $N_0/2$ oraz średniej energii bitu $E_b$ optymalna detekcja progowa daje $P_b = Q(\sqrt{E_b/N_0}) = \frac{1}{2}\operatorname{erfc}(\sqrt{E_b/(2N_0)})$ . Jest to wynik o 3 dB gorszy niż dla koherentnego BPSK przy tej samej średniej energii $E_b$ . Detektor obwiedni ma inną charakterystykę BER.

Jeśli $P_1$ oznacza moc nośnej w stanie włączenia, a bity są równoprawdopodobne, średnia moc sygnału OOK przed stratami w kanale wynosi $P_{avg} = P_1/2$ .

Zalety i Wady ASK

Zalety

Prostota: Nadajniki i odbiorniki ASK są stosunkowo proste i tanie w implementacji. Demodulator, zwłaszcza dla OOK, może być tak prosty jak detektor obwiedni.

Wady

Podatność na Zakłócenia: Ponieważ informacja jest zakodowana w amplitudzie, ASK jest wrażliwe na szum, interferencje i zaniki sygnału, które bezpośrednio wpływają na amplitudę sygnału i mogą powodować błędy.
Niewydajne Wykorzystanie Mocy:W OOK moc nośnej jest przesyłana tylko dla logicznej '1'. Przy równoprawdopodobnych bitach moc średnia stanowi połowę mocy w stanie włączenia, więc osiągnięcie określonej mocy średniej wymaga wyższej mocy tego stanu.

Praktyczne Zastosowania

ASK stosuje się w łączach, w których akceptuje się prostą implementację nadajnika i odbiornika:

Komunikacja Światłowodowa: Stosowane do cyfrowej transmisji danych na krótkie odległości przez kable światłowodowe z modulacją intensywności i detekcją bezpośrednią. Laser lub dioda LED jest włączana i wyłączana, aby reprezentować bity.
Tanie Systemy Radiowe (RF): ASK stosuje się w prostych, bezprzewodowych aplikacjach o małej przepływności, takich jak piloty do bram garażowych, systemy zdalnego sterowania oświetleniem oraz systemy monitorowania ciśnienia w oponach (TPMS).
Sterowanie Przemysłowe: Używane w niektórych prostych systemach sterowania na krótkie odległości w środowiskach przemysłowych.