Dlaczego systemy komunikacyjne używają fali nośnej
Źródło informacji, takie jak mowa, obraz wideo lub dane komputerowe, wytwarza sygnał w paśmie podstawowym. Nadajnik przygotowuje ten sygnał do transmisji, używając sinusoidalnego sygnału o wyższej częstotliwości jako fali nośnej. Operację, w której parametr fali nośnej zmienia się zgodnie z informacją, nazywa się modulacją.
Sygnał w paśmie podstawowym może nie mieścić się w zakresie przydzielonego kanału radiowego, a jego bezpośrednia transmisja mogłaby wymagać anteny o niepraktycznych wymiarach. Modulacja z użyciem fali nośnej przenosi widmo informacji do wybranego pasma, w którym można zaprojektować filtry i antenę dla danej usługi. Odbiornik wykonuje demodulację, aby odtworzyć sygnał informacyjny z odebranego przebiegu.
Kluczowe terminy w modulacji
- Sygnał informacyjny (lub modulujący): Sygnał zawierający dane przeznaczone do transmisji, na przykład głos w rozmowie telefonicznej. Jego widmo przed modulacją nazywa się zwykle pasmem podstawowym.
- Fala nośna: Sygnał sinusoidalny o wysokiej częstotliwości, używany jako odniesienie transmisji. Przed modulacją nie zawiera danych użytkownika.
- Sygnał zmodulowany: Przebieg powstały, gdy informacja zmienia parametr fali nośnej, na przykład amplitudę, częstotliwość lub fazę. Ten przebieg jest transmitowany przez kanał.
- Demodulacja: Operacja w odbiorniku, która pozwala oszacować sygnał informacyjny lub przesłane symbole na podstawie odebranego przebiegu zmodulowanego.
Dlaczego stosuje się modulację?
Modulacja przenosi sygnał w paśmie podstawowym do pasma odpowiedniego dla kanału. Ułatwia także filtrowanie, dobór anteny i jednoczesne wykorzystanie wspólnego medium przez wiele sygnałów. Główne powody są następujące:
- Transmisja na dużą odległość i rozmiar anteny:
Działanie anteny zależy od długości fali sygnału, λ = c/f. Dla sygnału 15 kHz długość fali w wolnej przestrzeni wynosi około 20 kilometrów, więc odniesienie do anteny ćwierćfalowej lub półfalowej prowadziłoby do dużych wymiarów. Fala nośna 100 MHz ma długość około 3 metrów, co ułatwia budowę anteny o praktycznych wymiarach. Rzeczywisty rozmiar anteny zależy także od geometrii, dopasowania, szerokości pasma i otoczenia.
- Zarządzanie zakłóceniami:
Szum naturalny i generowany przez urządzenia nie jest równomiernie rozłożony w widmie. Przeniesienie sygnału do przydzielonego pasma może umieścić go w obszarze, w którym filtry kanałowe silniej tłumią niepożądaną energię. Sama zmiana częstotliwości nie usuwa zakłóceń, ponieważ wynik zależy od wybranego pasma, mocy, szerokości pasma i filtracji.
- Umożliwienie :
Modulacja pozwala umieścić różne strumienie informacyjne na rozdzielonych częstotliwościach nośnych, aby mogły jednocześnie korzystać z tego samego medium, na przykład powietrza lub kabla. W radiofonii każdej stacji przypisuje się częstotliwość nośną, taką jak 94,5 MHz lub 101,1 MHz. Odbiornik wybiera żądany kanał za pomocą filtru pasmowego i lokalnego oscylatora, tłumiąc pozostałe kanały.
Kategorie modulacji
Klasyfikację modulacji określa zmieniany parametr fali nośnej, na przykład amplituda, częstotliwość lub faza, oraz charakter sygnału informacyjnego, który może być analogowy albo cyfrowy. Poniżej przedstawiono podstawowe kategorie:
- :Używana, gdy sygnał informacyjny jest analogowy i ciągły. Obejmuje:
- Modulacja amplitudy (AM): Zmienia się amplituda fali nośnej.
- Modulacja częstotliwości (FM): Zmienia się częstotliwość fali nośnej.
- Modulacja fazy (PM): Zmienia się faza fali nośnej.
- :Używana, gdy sygnał informacyjny jest cyfrowy, na przykład stanowi strumień bitów. Obejmuje:
- Kluczowanie amplitudy (ASK): Dyskretne poziomy amplitudy reprezentują dane.
- Kluczowanie częstotliwości (FSK): Dyskretne poziomy częstotliwości reprezentują dane.
- Kluczowanie fazy (PSK): Dyskretne przesunięcia fazy reprezentują dane.
- Kwadraturowa modulacja amplitudy (QAM): Metoda zmieniająca amplitudę i fazę w celu zakodowania danych.
- :Informacja jest kodowana w ciągu impulsów. Obejmuje:
- Modulacja amplitudy impulsów (PAM): Zmienia się amplituda każdego impulsu.
- Modulacja szerokości impulsów (PWM): Zmienia się czas trwania (szerokość) każdego impulsu.
- Modulacja pozycji impulsów (PPM): Zmienia się pozycja czasowa każdego impulsu.
- Modulacja kodowo-impulsowa (PCM): Rozszerzenie PAM, w którym próbkowane amplitudy są kwantowane i zamieniane na kod binarny. Stanowi podstawę cyfrowego dźwięku.