DSY-4. Analogové a číslicové modulace. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

DSY-4 Analogové a číslicové modulace Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

DSY-4 analogové modulace základní číslicové modulace vícestavové modulace modulace s rozprostřeným spektrem (FH, DSSS) měření komplexních modulací

Modulace - dělení Z hlediska modulované veličiny Amplitudová Frekvenční Fázová Šířková Z hlediska nosného signálu S harmonickým n.s. S impulsním n.s. Dle modulačního signálu Analogový Číslicový Binární Vícestavový

Amplitudová modulace (AM) a A Am a /2 Am a /2

AM signál pro harmonický a obecný periodický modulační signál

Spektrum AM signálu pro obecný modulační signál

Základní vlastnosti AM

Známe-li vztah amplitud nosné a modulačního signálu

Frekvenční (též kmitočtová) modulace (FM)

Výkonové poměry FM

Širokopásmová frekvenční modulace (WFM) Definiční rovnici rozvedeme pomocí Besselových funkcí

Amplitudy spektrálních složek pro WFM m F nosná 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0.00 1.00 0.25 0.98 0.12 0.5 0.94 0.24 0.03 1.0 0.77 0.44 0.11 0.02 1.5 0.51 0.56 0.23 0.06 0.01 2.0 0.22 0.58 0.35 0.13 0.03 2.41 0 0.52 0.43 0.20 0.06 0.02 2.5 0.05 0.50 0.45 0.22 0.07 0.02 0.01 3.0 0.26 0.34 0.49 0.31 0.13 0.04 0.01 4.0 0.40 0.07 0.36 0.43 0.28 0.13 0.05 0.02 5.0 0.18 0.33 0.05 0.36 0.39 0.26 0.13 0.05 0.02 5.53 0 0.34 0.13 0.25 0.40 0.32 0.19 0.09 0.03 0.01 6.0 0.15 0.28 0.24 0.11 0.36 0.36 0.25 0.13 0.06 0.02 7.0 0.30 0.00 0.30 0.17 0.16 0.35 0.34 0.23 0.13 0.06 0.02 8.0 0.17 0.23 0.11 0.29 0.10 0.19 0.34 0.32 0.22 0.13 0.06 0.03 8.65 0 0.27 0.06 0.24 0.23 0.03 0.26 0.34 0.28 0.18 0.10 0.05 0.02 9.0 0.09 0.25 0.14 0.18 0.27 0.06 0.20 0.33 0.31 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 10.0 0.25 0.04 0.25 0.06 0.22 0.23 0.01 0.22 0.32 0.29 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 12.0 0.05 0.22 0.08 0.20 0.18 0.07 0.24 0.17 0.05 0.23 0.30 0.27 0.20 0.12 0.07 0.03 0.01

Fázová modulace (PM)

Impulsové modulace Impulsové analogové modulace Amplitudová impulsová modulace Kmitočtová impulsová modulace Polohová impulsová modulace Šířková impulsová modulace Impulsové číslicové (kódové) modulace PCM Delta modulace

Impulsová amplitudová modulace A i A Ai T i = 2 t f 2f 3f 4f 5f 6f = 0i 0i= 0i 0i 0i 0i f A A i Ai Ti = 5 t 0 f0i 2f 0i 3f0i 4f0i 5f 0i = 1 f

Ostatní impulsové modulace x(t) 2 3 4 x(t) 1 a) 0 t T T T T i1 i2 i3 i4 t b) a KI ( t) Ai T i A i mk sin t 2 A i J nmk sin( koi n) k1 n k 2 t c)

Pulsně-šířková modulace (PWM) jednostranná š.m. oboustranná š.m. x(t) a (t) SI t x(t) a (t) SI x(t) x(t) a (t) SI x(t) 3 4 3 4 1 2 T i t 2 2 x(t) 1 a (t) SI 1 a (t) SI 1 2 3 4 T i T i T i t i i i t t a) b) a (t) SI T i t

Pulsně-šířková modulace (PWM) jednostranná š.m. a SI ( t) Ai Ti min T max i sin t k1 n 1 J k m ( k 0i max )sin k 0i m t k 0i max 1 sin k k t 0i min min je minimální šířka impulzu, max maximální šířka impulzu (odpovídá maximální hodnotě modulačního signálu), T i perioda řady pravoúhlých impulzů, 0i úhlová frekvence sledu impulzů ( 0i = 2/T i ), úhlová frekvence modulačního signálu x(t), J m Besselova funkce m-tého řádu.

Zlaté pravidlo impulsové modulace Odhad šířky pásma F S 1/ ( 90 % )... a pozor na volbu.

Modulace pro přenos dat =pro sériový přenos binární posloupnosti amplitudová modulace ASK (Amplitude-shift keying) kmitočtová modulace FSK (Frequency-shift keying) fázové modulace PSK (Phase-shift keying) (BPSK Binary phase-shift keying) kvadraturní fázová modulace QPSK (Quadrature phase-shift keying); 4 logické stavy 8 -PSK; osmistavová modulace kvadraturní amplitudová modulace QAM (Quadrature amplitude modulation)

ASK a( t) Acos( t ) a ASK ( t) d( t). Acos( t ) FSK d(t) nabývá např. hodnot 0 ; 1 a FSK ( t) Acos 2 f S f t PSK (M-stavová) 2 i 1 a PSK a.sin t M M = 2: BPSK - binární PSK M = 4: QPSK - kvadraturní PSK M = 8: 8-PSK

PSK BPSK QPSK 8 -PSK M = 2 1 2 3 M = 2 M = 2 QAM Kombinace amplitudové a fázové modulace, 8-256 stavů Diagram oka (časová rovina) Konstelační diagram (I/Q rovina) EVM

Př.: reálná PSK Př.: reálná 8-QAM reálná 16-QAM (časová rovina) (IQ rovina)

Modulace s rozprostřeným spektrem Pro přenos se využívá výrazně větší část frekvenčního spektra, než je nutné z hlediska kapacity kanálu Princip: k přenášenému (modulačnímu) toku dat o kadenci f d se v modulátoru přidává pseudonáhodný signál o bitovém toku f h FH (Frequency Hopping) f h <f d např. GSM, Bluetooth DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) f h >f d např. GPS, Galileo, DECT, WiFi (802.11b), DS-CDMA Přijímač musí znát pseudonáhodnou rozmítací sekvenci a priori. Vlastnosti: odolnost vůči (úzkopásmovému) rušení možnost sdílení pásma obtížná detekce provozu odolnost proti odposlechu časová synchronizace (GPS výpočet vzdálenosti družice a přijímače)

Klasické vs. real-time SA

Real-time SA

Spektrogram

Spektrogram

Spektrogram

Příklad FH - GSM

Příklad DSSS WiFi 802.11b

Pulsně-kódová modulace (PCM) Pravidelný přenos výstupního slova A/D převodníku Vzorkování diskretizace času Nutnost dodržení vzorkovací věty (riziko: aliasing) Kvantování aproximace amplitudy Lineární PCM konstantní kvantovací krok Nelineární PCM např. log. kvantovací krok Př.: přenos hlasu v telekomunikacích: Evropa: 8bitů,8kSa/s=64kb/s (PCM, E1, ITU-T G.711), 13 8b log. převod: A-law Sev. Amerika, Japonsko: 7bitů,8kSa/s=56 kb/s (T1), 13 8b log. Převod: -law Př: přenos zvuku ve stereo CD kvalitě: 16bitů, 44.1kSa/s, 2kanály=1411,2 kb/s

Delta modulace (DM, DPCM, -modulace) Přenáší se pouze informace o změně posledního bitu v PCM zkreslení v případě prudkých změn nepřenáší se stejnosměrná složka! Typy DM: Lineární neměnná velikost kvantizačního kroku Adaptivní proměnný kvantizační krok (ADPCM)