変調テクニックの基礎

「デジタルアナログ変換は、デジタルデータの情報に基づいて、アナログ信号の特性のXNUMXつを変更するプロセスです。 正弦波は、振幅、周波数、位相のXNUMXつの特性によって定義されます。 これらの特性のいずれかを変更すると、その波の異なるバージョンが作成されます。 したがって、単純な電気信号のXNUMXつの特性を変更することで、それを使用してデジタルデータを表すことができます。 ----- FMUSER"


デジタルデータをアナログ信号に変調するメカニズムはXNUMXつあります：振幅シフトキーイング（ASK）、周波数シフトキーイング（FSK）、および位相シフトキーイング（PSK）。 さらに、振幅と位相の両方を変更することを組み合わせる、XNUMX番目（およびそれ以上）のメカニズムがあります。 直交振幅変調 (QAM).

帯域幅
デジタルデータのアナログ送信に必要な帯域幅は、FSKを除いて信号レートに比例します。FSKでは、キャリア信号間の差を追加する必要があります。

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キャリア信号
アナログ伝送では、送信デバイスが情報信号のベースとして機能する高周波信号を生成します。 この基本信号は、キャリア信号またはキャリア周波数と呼ばれます。 受信側デバイスは、送信側から期待されるキャリア信号の周波数に調整されます。 次に、デジタル情報は、その特性（振幅、周波数、または位相）のXNUMXつまたは複数を変更することによってキャリア信号を変更します。 この種の変更は、 変調 （シフトキーイング）。

1.振幅シフトキーイング：
振幅シフトキーイングでは、キャリア信号の振幅を変化させて信号要素を作成します。 振幅が変化する間、周波数と位相は一定のままです。

バイナリASK（BASK）
ASKは通常、0つのレベルのみを使用して実装されます。 これは、バイナリ振幅シフトキーイングまたはオン/オフキーイング（OOK）と呼ばれます。 XNUMXつの信号レベルのピーク振幅はXNUMXです。 もうXNUMXつは、搬送周波数の振幅と同じです。 次の図は、バイナリASKSの概念図を示しています。

 

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実装：
デジタルデータが1Vの高電圧と0Vの低電圧のユニポーラNRZデジタル信号として提示される場合、NRZデジタル信号を、次の図に示す発振器からのキャリア信号で乗算することにより、実装を実現できます。 NRZ信号の振幅が1の場合、搬送周波数の振幅が保持されます。 NRZ信号の振幅が0の場合、搬送周波数の振幅はゼロです。




ASKの帯域幅：
搬送波信号はXNUMXつの単純な正弦波にすぎませんが、変調のプロセスによって非周期的な複合信号が生成されます。 この信号には、連続した周波数のセットがあります。 予想どおり、帯域幅は信号速度（ボーレート）に比例します。

ただし、通常、dと呼ばれる別の要因が関与しており、これは変調およびフィルタリングプロセスに依存します。 dの値は0から 

●つまり、帯域幅は次のように表すことができます。Sは信号レート、Bは帯域幅です。

この式は、必要な帯域幅の最小値がSで、最大値が2Sであることを示しています。 ここで最も重要な点は、帯域幅の場所です。 帯域幅の中央は、fc搬送周波数が配置されている場所です。 つまり、利用可能なバンドパスチャネルがある場合、変調された信号がその帯域幅を占有するようにfcを選択できます。 これは、実際にはデジタルアナログ変換の最も重要な利点です。

関連項目： >>QAMとは：直交振幅変調 

2. 周波数シフトキーイング

周波数シフトキーイングでは、キャリア信号の周波数を変化させてデータを表します。 変調信号の周波数は、XNUMXつの信号要素の継続時間中は一定ですが、データ要素が変化すると、次の信号要素の周波数も変化します。 すべての信号要素で、ピーク振幅と位相の両方が一定のままです。

バイナリFSK（BFSK）
バイナリFSK（またはBFSK）について考える1つの方法は、2つのキャリア周波数を検討することです。 次の図では、0つの搬送周波数f1とfXNUMXを選択しています。 データ要素がXNUMXの場合、最初のキャリアを使用します。 データ要素がXNUMXの場合、XNUMX番目を使用します。




上の図は、一方の帯域幅の中央がf1で、もう一方の中央がf2であることを示しています。 f1とf2はどちらも、2つのバンドの中間点から∆f離れています。 XNUMXつの周波数の差はXNUMXΔfです。

関連項目： >> QAM変調器と復調器  

実装：
BFSKの実装には、非コヒーレントとコヒーレントのXNUMXつがあります。. 非コヒーレントBFSKでは、XNUMXつの信号要素が終了して次の信号要素が開始するときに、位相に不連続性が生じる可能性があります。 コヒーレントBFSKでは、位相はXNUMXつの信号要素の境界を通過します。 非コヒーレントBFSKは、BFSKをXNUMXつのASK変調として扱い、XNUMXつのキャリア周波数を使用することで実装できます。 コヒーレントBFSKは、入力電圧に応じて周波数を変化させるXNUMXつの電圧制御発振器（VCO）を使用して実装できます。

次の図は、XNUMX番目の実装の背後にある簡略化されたアイデアを示しています。 発振器への入力はユニポーラNRZ信号です。 NRZの振幅がゼロの場合、発振器は通常の周波数を維持します。 振幅が正の場合、周波数が増加します。

BFSKの帯域幅：

上の図は、FSKの帯域幅を示しています。 繰り返しになりますが、キャリア信号は単純な正弦波ですが、変調により連続周波数の非周期的な複合信号が作成されます。 FSKは1つのASK信号と考えることができ、それぞれ独自のキャリア周波数f2とf2を持っています。 XNUMXつの周波数の差がXNUMXΔfの場合、必要な帯域幅は

3.位相シフトキーイング：
位相シフトキーイングでは、搬送波の位相を変化させて、XNUMXつ以上の異なる信号要素を表します。 位相が変化しても、ピーク振幅と周波数は一定のままです。

バイナリPSK（BPSK）：
最も単純なPSKはバイナリPSKで、信号要素は0つしかなく、180つは位相XNUMX°、もうXNUMXつは位相XNUMX°です。 次の図は、PSKの概念図です。 バイナリPSKは、バイナリASKと同じくらいシンプルで、XNUMXつの大きな利点があります。ノイズの影響を受けにくいということです。 ASKでは、ビット検出の基準は信号の振幅です。 しかし、PSKではフェーズです。 ノイズは、位相を変更するよりも簡単に振幅を変更できます。 つまり、PSKはASKよりもノイズの影響を受けにくいということです。 XNUMXつのキャリア信号が不要なため、PSKはFSKより優れています。

バンド幅：
帯域幅はバイナリASKの帯域幅と同じですが、BFSKの帯域幅よりも狭くなっています。 XNUMXつのキャリア信号を分離するために帯域幅が無駄になることはありません。

関連項目： >>512 QAM対1024 QAM対2048 QAM対4096 QAM変調タイプ

実装：
BPSKの実装は、ASKの実装と同じくらい簡単です。 その理由は、位相が180°の信号要素は、位相が0°の信号要素の補数と見なすことができるためです。 これにより、BPSKの実装方法に関する手掛かりが得られます。 次の図に示すように、ユニポーラNRZ信号の代わりにポーラNRZ信号を使用します。 極性NRZ信号は、キャリア周波数で乗算されます。 1ビット（正の電圧）は0°から始まる位相によって表され、0ビット（負の電圧）は180°から始まる位相によって表されます。

 

4.直交振幅変調（QAM）
PSKは、位相の小さな違いを区別する機器の能力によって制限されます。 この要因により、潜在的なビットレートが制限されます。 これまでは、正弦波のXNUMXつの特性のうち、一度にXNUMXつだけ変更してきました。 XNUMXつ変更するとどうなりますか？ ASKとPSKを組み合わせませんか？ キャリアごとに異なる振幅レベルを持つ、XNUMXつの同相および他の直交のXNUMXつのキャリアを使用するという考えは、直交振幅変調（QAM）の背後にある概念です。

QAMにはさまざまなバリエーションがあります。 次の図は、これらのスキームの一部を示しています。 次の図のパートaは、ユニポーラNRZ信号を使用して各キャリアを変調する最も単純な4-QAMスキーム（4つの異なる信号要素タイプ）を示しています。 これは、ASK（OOK）で使用したメカニズムと同じです。 パートbは、極性NRZを使用する別の4-QAMを示していますが、これはQPSKとまったく同じです。 パートcは、16つの正のレベルの信号を使用してXNUMXつのキャリアをそれぞれ変調する別のQAM-XNUMXを示しています。 最後に、Part – dは、XNUMXつの正とXNUMXつの負のXNUMXつのレベルを持つ信号のXNUMX-QAMコンスタレーションを示しています。

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