модуляция ask что это
Простые виды цифровой модуляции
Элементарный способ передачи цифровой информации – использование методов аналоговой модуляции, заменив непрерывный сигнал дискретным (последовательность двоичных символов); при этом амплитудная, частотная и фазовая модуляция становятся соответствующей манипуляцией. В англоязычной литературе манипуляция называется термином shift keying, и, таким образом, можно обозначить три основных вида цифровой модуляции как ASK (Amplitude Shift Keying), FSK(Frequency Shift Keying)и PSK (Phase Shift Keying).
В общем случае М-арной передачи сигналов устройство обработки получает k исходных битов (или канальных битов, если используется кодирование) в каждый момент времени и указывает модулятору воспроизвести один из M = 2 k возможных сигналов.
Отображение или задание k информационных битов M = 2 k возможными значениями того параметра сигнала, который подлежит модуляции, можно сделать различными способами. Наилучшее задание такое, при котором соседние значения модулируемого параметра сигналов соответствуют информационным двоичным блокам, различающимся в одном разряде, как показывает рис. 2.3 на примере фазовой манипуляции. Такое отображение называется кодом Грея. Это важно для демодуляции сигнала, поскольку наиболее вероятные ошибки вызывает ошибочный выбор значения модулируемого параметра, соседнего по отношению к тому, который действительно передавался. В этом случае, в k-битовой информационной последовательности возникает ошибка только в одном бите [3]. Частным случаем М-уровневой модуляции является бинарная с k = 1.
Амплитудная манипуляция.Сигнал в амплитудной манипуляции (amplitude shift keying – ASK) описывается выражением
где амплитудный член 
может принимать М дискретных значений, а фазовый член φ – это произвольная константа.
На рис. 2.4 даны соответствующие пространственные диаграммы сигналов для M = 2, M = 4, M = 8 [3].
В бинарном случае ASK амплитуда сигнала изменяется в соответствии с цифровой информационной последовательностью. При передаче «1» используется синусоида с одной амплитудой, при передаче «0» – с другой.
Особым видом ASK является OOK (On/Off Keying), при которой амплитуда сигнала нулевая во время передачи «0» (рис. 2.5).
Такая модуляция находит применение в приложениях, связанных с телеуправлением. Популярность этого вида модуляции связанна с простотой и низкой стоимостью ее реализации. OOK позволяет передатчику бездействовать во время передачи «0», сберегая таким образом энергию. Недостатки OOK проявляются при наличии мешающих сигналов. Поэтому все более широкое распространение телекоммуникационных устройств ограничивает использование этого вида модуляции. ASK менее подвержена влиянию интерференционной помехи, чем OOK, и, оставаясь при этом простой и дешевой в реализации, может в некоторых случаях конкурировать с другими видами модуляции.
Частотная манипуляция.Общее аналитическое выражение для сигнала в частотной манипуляции (frequency shift keying – FSK) имеет следующий вид:
Здесь частота может принимать M дискретных значений, а фаза φ является произвольной константой. В общем случае переход к другому тону может быть довольно резким, поскольку непрерывность фазы не является обязательным условием. В тех случаях, когда она необходима, используется особый вид манипуляции без разрыва фазы (continuous-phase FSK – CPFSK).
В случае двоичной FSK (которую иногда могут называть BFSK – binary FSK) данные передаются посредством переключения частоты несущего колебания между двумя возможными значениями частоты, одно из которых соответствует «0», а другое «1». Рисунок 2.6 демонстрирует этот принцип.
Этот вид модуляции широко применяется при передаче информации по телефонным сетям (в модемах, факсах и т. п.).
Во многом это связано с тем, что он дает возможность мультиплексировать канал связи и разбить один физический канал на несколько логических (рис. 2.7).
В радиосвязи FSK также находит свое применение. При этом возможность создания множества каналов может способствовать улучшению характеристик радиосвязи. Например, для борьбы с замираниями, возникающими из-за многолучевого распространения при передаче информации по радиоканалу, возможно дублирование информации передачей ее по нескольким каналам. За счет малой корреляции между замираниями в разных частотных каналах, можно добиться повышения помехоустойчивости. Однако такой метод снижает эффективность использования спектра. Бороться с замираниями, не жертвуя спектральной эффективностью, позволяет использование перемежения частот пар нулей и единиц между разными каналами (interliving), хотя это приводит к усложнению аппаратуры (рис. 2.8).
FSK также обладает некоторыми преимуществами при радиопередаче на низких и очень низких частотах.
Фазовая манипуляция.Сигнал в фазовой манипуляции (PSK – Phase Shift Keying) имеет следующий вид:
Здесь фазовый член φi(t) может принимать M дискретных значений, обычно определяемых следующим образом: 
На рис. 2.9 приведен пример двоичной фазовой манипуляции (binary PSK – BPSK).
В этом случае работа схемы модуляции заключается в смещении фазы модулированного сигнала Si(t) на одно из двух значений – 0 или π. При этом разность между фазами, соответствующими «1» и «0», равна 180º, что обеспечивает максимальное расстояние между сигнальными векторами и облегчает их распознавание.
Цифровая модуляция: амплитуда и частота
Хотя и основанные на одних и тех же концепциях, сигналы с цифровой модуляцией сильно отличаются от аналоговых коллег.
Аналоговая модуляция, хотя далеко и не вымерла, но она просто несовместима с цифровым миром. Мы больше не фокусируем наши усилия на перемещении аналоговых сигналов из одного места в другое. Скорее мы хотим перемещать цифровые данные: беспроводная сеть, оцифрованные аудиосигналы, показания датчиков и так далее. Для передачи цифровых данных используется цифровая модуляция.
Однако мы должны быть осторожны с этой терминологией. «Аналоговый» и «цифровой» в этом контексте относятся к типу передаваемой информации, а не к основным характеристикам фактически передаваемых сигналов. И аналоговая, и цифровая модуляции используют плавно изменяющиеся сигналы; разница заключается в том, что аналого-модулированный сигнал демодулируется в аналоговый низкочастотный сигнал, тогда как цифровой модулированный сигнал состоит из дискретных единиц модуляции, называемых символами, которые интерпретируются как цифровые данные.
Существуют аналоговые и цифровые версии трех типов модуляции. Давайте начнем с амплитуды и частоты.
Цифровая амплитудная модуляция
Это тип модуляции называется амплитудной манипуляцией (ASK, amplitude shift keying). Самый простой случай «включение-выключение» (OOK, on-off keying), и это почти соответствует математическим связям, обсуждаемым на странице, посвященной «аналоговой амплитудной модуляции»: если мы используем цифровой сигнал в качестве низкочастотного модулирующего сигнала, то перемножение модулирующего сигнала и несущей приводит к модулированному сигналу, который идет с нормальным уровнем при высоком логическом уровне и «выключен» при низком логическом уровне. Амплитуда логической единицы соответствует индексу модуляции.
Временная область
Следующий график показывает сигнал амплитудной манипуляции «включено-выключено», сгенерированный с использованием несущей 10 МГц и цифрового тактового сигнала 1 МГц. Здесь мы работаем в математической области, поэтому амплитуда логической единицы (и амплитуда несущей) просто безразмерная «1», в реальной схеме вы можете иметь несущую с амплитудой 1 вольт и логический сигнал 3,3 вольта.
Сигнал с амплитудной манипуляцией во временной области
Возможно, вы заметили одно несоответствие между этим примером и математическими отношениями, обсуждавшимися на странице «Амплитудная модуляция»: мы не сдвинули низкочастотный модулирующий сигнал. Если вы имеете дело с типовым цифровым сигналом, в котором присутствует постоянная составляющая, то смещение вверх не требуется, поскольку сигнал всегда остается на положительном участке оси y.
Частотная область
Ниже показан соответствующий спектр:
Спектр сигнала с амплитудной манипуляцией
Сравните его со спектром сигнала, модулированного по амплитуде с использованием сигнала синусоиды 1 МГц:
Спектр сигнала с амплитудной модуляцией сигналом синусоиды 1 МГц
Бо́льшая часть спектра одинакова: пик на несущей частоте (fнес), пик на fнес плюс частота модулирующего сигнала и пик на fнес минус частота модулирующего сигнала. Однако спектр амплитудной манипуляции имеет меньшие пики, соответствующие 3-й и 5-й гармоникам: основная частота (fF) равна 1 МГц, что означает, что 3-я гармоника (f3) равна 3 МГц, а 5-я гармоника (f5) равна 5 МГц. Таким образом, у нас есть пики при fнес плюс/минус fF, f3 и f5. И на самом деле, если бы вы расширили график, то увидели бы, что пики продолжают появляться в соответствии с этим примером.
Это имеет смысл. Преобразование Фурье прямоугольного сигнала состоит из синусоидальной волны на основной частоте и нечетных гармоник с понижающимися амплитудами, и эти гармонические составляющие являются тем, что мы видим на спектре, показанном выше.
Это обсуждение приводит нас к важной практической точке: резкие переходы, связанные с цифровыми методами модуляции, создают (нежелательные) высокочастотные составляющие. Мы должны помнить об этом, когда рассматриваем фактическую ширину полосы частот модулированного сигнала и наличие частот, которые могут мешать другим устройствам.
Цифровая частотная модуляция
Этот тип модуляции называется частотной манипуляцией (FSK, frequency shift keying). Для наших целей нет необходимости рассматривать математическое выражение частотной манипуляции; скорее мы просто можем указать, что будем иметь частоту f1, когда модулирующие данные равны логическому 0, и частоту f2, когда модулирующие данные равны логической 1.
Временная область
Одним из способов генерации готового для передачи FSK сигнала является сначала создание аналогового низкочастотного сигнала, который переключается между f1 и f2 в соответствии с цифровыми данными. Ниже приведен пример низкочастотного FSK сигнала с f1 = 1 кГц и f2 = 3 кГц. Чтобы гарантировать, что символ имеет одинаковую продолжительность и для логического 0, и для логической 1, мы используем один период для 1 кГц и три периода для 3 кГц.
Аналоговый низкочастотный FSK сигнал
Затем низкочастотный сигнал сдвигается (используя смеситель) до несущей частоты и передается. Этот подход особенно удобен в программных радиосистемах: аналоговый модулирующий сигнал является низкочастотным, и поэтому он может быть сгенерирован математически, а затем введен в аналоговую область с помощью ЦАП. Использование ЦАП для высокочастотного передаваемого сигнала было бы намного сложнее.
Более простой способ реализации FSK состоит в том, чтобы просто иметь два сигнала несущей с разными частотами (f1 и f2); и тот или иной сигнал подается на выход в зависимости от логического уровня двоичных данных. Это приводит к конечному передаваемому сигналу, который резко переключается между двумя частотами, так же, как низкочастотный FSK сигнал, за исключением того, что разница между двумя частотами здесь намного меньше по сравнению со средней частотой. Другими словами, если бы вы смотрели на график во временной области, было бы сложно визуально различить участки с f1 от участков с f2, потому что разница между f1 и f2 является лишь крошечной долей f1 (или f2).
Частотная область
Давайте посмотрим на результат частотной манипуляции в частотной области. В этом случае мы будем использовать ту же несущую частоту 10 МГц (или, в этом случае, среднюю частоту), и будем использовать ±1 МГц в качестве отклонения (это не реальный пример, но удобный для наших целей). Таким образом, передаваемый сигнал будет 9 МГц для логического 0 и 11 МГц для логической 1. Ниже показан спектр полученного сигнала:
Спектр сигнала с частотной манипуляцией
Обратите внимание, что на «несущей частоте» нет энергии. Это неудивительно, учитывая, что модулированный сигнал никогда не находится на частоте 10 МГц. Он всегда находится на частоте 10 МГц минус 1 МГц или 10 МГц плюс 1 МГц, и именно там мы видим два доминирующих всплеска: 9 МГц и 11 МГц.
Но что насчет других частот, присутствующих в этом спектре? Ну, спектральный анализ FSK не особенно прост. Мы знаем, что будет добавлена дополнительная энергия Фурье, связанная с резкими переходами между частотами. Оказывается, что FSK приводит к sinc-функциональному типу спектра для каждой частоты, то есть один центрирован на f1, а другой центрирован на f2. Они учитывают дополнительные частотные всплески по обе стороны от двух доминирующих пиков.
Амплитудные виды модуляции (OOK, ASK, M-ASK)
Наиболее простым видом манипуляции сигнала является амплитудная манипуляция. Модулированный сигнал имеет вид:
| s(t)= A(c(t)+ B)cos(ωt +φ0) (1) |
где c(t) – информационный цифровой сигнал, A, B и φ0постоянные, B ≥0, ω – несущая частота.
Если В=0, то такой тип манипуляции называется OOK (On-OffKeying, Включено-Выключено) и часто используется в системах сигнализации и охранных системах.
Рис.9. Модуляция OOК
а – информационное сообщение; б – модулирующий цифровой сигнал; в – модулированный радиосигнал.
Для модуляций OOK и ASK сигнальное созвездие изображено на рис.2.
Рис. 10. а- сигнальное созвездие модуляции ООК, б – сигнальное созвездие модуляции ASK.
Многопозиционная амплитудная модуляция (M-ASK)
При модуляции ASK множество возможных значений амплитуды радиосигнала ограничивается двумя значениями. Спектральная эффективность может быть существенно повышена, если использовать большее количество значений амплитуды радиосигнала.
Сгруппируем биты исходного информационного сообщения в пары. Каждая такая пара называется символом. Если каждый бит имеет множество значений <0,1>, то каждый символ имеет четыре возможных значения из множества <00, 01, 10, 11>. Сопоставим каждому из возможных значений символа значение амплитуды радиосигнала из множества <0, A, 2A, 3A>.
Сигнал M-ASK имеет вид, аналогичный (1), но c(t) в данном случае представляет собой многоуровневый информационный сигнал, представляющий собой последовательность символов с возможными значениями <0,1,2. M-1>.
Сигнальное созвездие для 8-ASK приведено на рис.3.
Рис. 11. Сигнальное созвездие модуляции 8-ASK
Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 4963 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Переключение амплитуды
Amplitude Shift Keying (ASK) — это тип амплитудной модуляции, который представляет двоичные данные в форме изменений амплитуды сигнала.
Любой модулированный сигнал имеет высокочастотную несущую. Двоичный сигнал, когда модулируется ASK, дает нулевое значение для низкого входа, в то время как он дает выход несущей для высокого входа.
На следующем рисунке представлен ASK-модулированный сигнал вместе с его входом.
Чтобы найти процесс получения этой ASK-модулированной волны, давайте узнаем о работе модулятора ASK.
ASK Модулятор
Блок-схема модулятора ASK состоит из генератора несущего сигнала, двоичной последовательности из сигнала сообщения и фильтра с ограниченной полосой частот. Ниже приведена блок-схема модулятора ASK.
Генератор несущих, посылает непрерывную высокочастотную несущую. Бинарная последовательность из сигнала сообщения делает униполярный вход высоким или низким. Высокий сигнал замыкает переключатель, позволяя несущей волне. Следовательно, на выходе будет сигнал несущей на высоком входе. При низком входе переключатель размыкается, и напряжение не появляется. Следовательно, выход будет низким.
Фильтр ограничения полосы формирует импульс в зависимости от амплитудных и фазовых характеристик фильтра ограничения полосы или фильтра формирования импульса.
АСК Демодулятор
Существует два типа методов демодуляции ASK. Они —
Асинхронный демодулятор ASK
Асинхронный детектор ASK состоит из полуволнового выпрямителя, фильтра низких частот и компаратора. Ниже приведена блок-схема для того же.
Модулированный сигнал ASK поступает на полуволновой выпрямитель, который выдает положительную половину выходного сигнала. Фильтр нижних частот подавляет более высокие частоты и дает выходной сигнал с обнаруженной огибающей, с которого компаратор выдает цифровой выход.
Синхронный демодулятор ASK
Синхронный детектор ASK состоит из детектора квадратичного закона, фильтра низких частот, компаратора и ограничителя напряжения. Ниже приведена блок-схема для того же.
Модулированный входной сигнал ASK подается на детектор квадратичного закона. Квадратный детектор — это детектор, выходное напряжение которого пропорционально квадрату амплитудно-модулированного входного напряжения. Фильтр нижних частот минимизирует более высокие частоты. Компаратор и ограничитель напряжения помогают получить чистый цифровой выход.
Русские Блоги
FPGA цифровая обработка сигналов (десять) Технология модуляции ASK
В статьях этой серии от 1 до 9 представлены основные понятия о системах цифровой обработки сигналов и трех основных арифметических единицах FIR, IIR и FFT. В начале этой статьи мы представим некоторые системы цифровой обработки сигналов. Эта статья познакомит с реализацией FPGA технологии модуляции ASK в цифровых системах связи.
Техника модуляции
В системе связи, из-за общей ситуацииканалНе могу передать напрямуюОсновной сигнал, Поэтому необходимо использовать пару сигналов основной полосыСигнал несущей(Обычно синусоида) определенные параметры контролируются для изменения с сигналом основной полосы. Этот процесс называетсямодуляцияПолученный сигнал называетсяМодулированный сигнал(Модулированный сигнал).
Синусоида как несущий сигнал имеет три параметра, которые могут нести информацию: амплитуда (AM), Частота (FM) И фаза (Фазовая модуляция PM). В цифровых системах, поскольку все сигналы являются дискретными значениями, параметры модуляции также являются некоторыми дискретными состояниями, поэтому модулированный сигнал обычно называетсяУправляющий сигнал, Три метода модуляции также соответственно называютсяАмплитудная настройка ASK、Частотная манипуляция ФСКс участиемФазовая манипуляция ПСК。
ASK модуляция
ASK может быть разделен на двоичную амплитудную модуляцию (2ASK) и многозначную амплитудную модуляцию (например, 4ASK), где «шестнадцатеричный» относится к количеству информации, переносимой сигналом.
Такие как2ASK система модуляцииВ цифровой информации есть только два вида 0 и 1. Состояние изменения амплитуды модулированного несущего сигнала требует только двух видов: когда нет выхода несущей, это означает отправку 0, когда есть выход несущей, это означает отправку 1.4АСК система модуляцииВ цифровой информации существует четыре типа 00, 01, 10 и 11, которые требуют четырех уровней амплитуды несущего сигнала. Очевидно, что чем больше базовое число, тем больше объем данных, которые могут быть переданы в одной и той же полосе частот, то есть чем выше использование полосы частот.
Модель системы модуляции ASK выглядит следующим образом:
Сигнал основной полосы частот m (n) можно рассматривать как последовательность прямоугольных импульсных сигналов, состоящих из 0 и 1. Ширина полосы частот теоретически не ограничена, а сигнал ключа s ( n) Пропускная способность также не ограничена. Чтобы улучшить коэффициент использования полосы частот в проекте, ширина полосы сигнала должна быть ограничена. Обычно, только сигнал, содержащий 90% энергии в ширине полосы основного лепестка, должен быть отправлен.
Есть два способа достижения: (1). Добавить на выходеПолосовой фильтрСкрининг полосы пропускания основного лепестка; (2). Делать сигнал основной полосы частот m (n) перед модуляциейФормирование фильтрации, Отфильтруйте частотные компоненты, кроме главного лепестка. Формирующие фильтры обычно выбираютсяСнятый косинусный фильтрПо сути, это КИХ-фильтр.
MATLAB дизайн
До проектирования ПЛИС MATLAB обычно использовался для моделирования и симуляции системы. При проектировании системы модуляции ASK выбираются системные параметры: частота Rb символов сигнала основной полосы частот, несущая частота Fc, частота дискретизации Fs и коэффициент спада α фильтра повышенного косинуса.
Вы можете использовать функцию randi для генерации случайной двоичной последовательности в качестве сигнала основной полосы частот, функция rectpulse реализует дискретизацию сигнала основной полосы частот, функции rcosflt (старая версия) или rcosdesign (новая версия) реализуют фильтрацию формы. Основной код выглядит следующим образом:
Эта серия в основном посвящена разработке ПЛИС и не рассматривает использование вышеупомянутых функций подробно. Вы можете запросить справку по MATLAB для конкретных ситуаций.
Дизайн FPGA
Завершите проектирование и моделирование технологии модуляции 4ASK в среде разработки Vivado (для более интуитивного наблюдения за эффектом модуляции здесь не используются формирующий фильтр и полосовой фильтр). Интерфейс модуля выглядит следующим образом:
Тактовая частота дискретизации установлена в 8 раз больше частоты символов сигнала основной полосы частот, а ширина в битах выходного сигнала модуляции ASK определяется шириной в битах сигнала несущей.
Частота несущего сигнала установлена на 2 МГц, генерируемой IP-ядром компилятора DDS, предоставленным Vivado (это IP-ядро можно использовать для справкиhttps://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80512067). Настройка параметра DDS будет определять битовую ширину несущего сигнала и, кроме того, будет определять битовую ширину сигнала модуляции ASK. Этот дизайн устанавливает динамический диапазон DDS без паразитов равным 80 дБ, а соответствующая ширина бита равна 14 бит. Созданный код выглядит следующим образом:
Конструкция использует 0, 1/3, 2/3 и 1-кратную максимальную амплитуду сигнала несущей для представления 00, 01, 10 и 11 четвертичного сигнала основной полосы частот соответственно. Код модуляционной части следующий:
Под управлением тактовой частоты дискретизации синтаксис регистра Verilog HDL используется для оценки данных din сигнала основной полосы частот, тем самым определяя выходную амплитуду сигнала модуляции ASK. Поскольку реализация FPGA операций деления 1/3 и 2/3 очень ресурсоемка, используйте здесьКомбинация «Shift-add» вместо деленияДля достижения того же эффекта. Обратите внимание, что вся система использует дополнение со знаком два, поэтому старшие биты должны быть дополнены знаковым битом при сдвиге.
Конечно, модуляция также может быть реализована с помощью умножителя, особенно если сигнал основной полосы частот фильтруется с использованием формирующего фильтра (ширина бита будет расширяться), только умножитель может использоваться для модуляции, и его нельзя оценить с помощью операторов регистра, как указано выше. Код для модуляции с использованием множителей выглядит следующим образом:
Порт A (соответствующий входному сигналу основной полосы частот) умножителя установлен на число без знака, а порт B (соответствующий входному сигналу несущей) установлен на число со знаком, а выход усекается и используется в качестве выходного сигнала модуляции ASK. RTL-представление всего проекта выглядит следующим образом:
Из рисунка видно, что сигнал несущей и сигнал основной полосы частот, выводимые посредством DDS, отправляются в умножитель, а выход модулированного сигнала ASK получается после усечения.
Симуляторы и инженерные загрузки
Написание тестового стенда в основном для генерации сигналов основной полосы. Конечно, вы можете использовать MATLAB для генерации набора случайных двоичных данных и сохранения их в txt, как в предыдущем моделировании FIR и FFT, и считывать файл txt как сигнал основной полосы частот в testbench.
В этой схеме используется простой метод генерации сигнала основной полосы частот, устанавливающий 5-битный счетчик cnt, пересекающий верхние два бита cnt [4: 3] в качестве сигнала основной полосы частот. Эффект симуляции показан на следующем рисунке (результаты симуляции двух методов модуляции выше одинаковы):
Очевидно, что выходной сигнал модуляции ASK имеет 4 уровня, и имеется взаимно-однозначное соответствие со значением сигнала основной полосы частот. Полный проект Vivado (включая симуляцию тестового стенда) можно скачать здесь:https://download.csdn.net/download/fpgadesigner/10481532 。