Modulação

Categorização para modulação de sinal com base em dados e tipos de portador

Em eletrônica e telecomunicações, modulação é o processo de variação de uma ou mais propriedades de uma forma de onda periódica, chamada de sinal de portadora, com um sinal separado chamado de sinal de modulação que normalmente contém informações a serem transmitidas. Por exemplo, o sinal de modulação pode ser um sinal de áudio representando o som de um microfone, um sinal de vídeo representando imagens em movimento de uma câmera de vídeo ou um sinal digital representando uma sequência de dígitos binários, um fluxo de bits de um computador.

Essa onda portadora geralmente tem uma frequência muito mais alta do que o sinal de mensagem. Isso porque é impraticável transmitir sinais com baixas frequências. Na comunicação por rádio, a portadora modulada é transmitida através do espaço como uma onda de rádio para um receptor de rádio.

Outro propósito da modulação é transmitir múltiplos canais de informação através de um único meio de comunicação, usando multiplexação por divisão de frequência (FDM). Por exemplo, na televisão a cabo (que usa FDM), muitos sinais de portadora, cada um modulado com um canal de televisão diferente, são transportados por um único cabo até os clientes. Como cada portadora ocupa uma frequência diferente, os canais não interferem entre si. Na extremidade de destino, o sinal da portadora é demodulado para extrair o sinal de modulação do rolamento de informação.

Um modulador é um dispositivo ou circuito que realiza modulação. Um demodulador (às vezes detector) é um circuito que executa a demodulação, o inverso da modulação. Um modem (de modulator–demodulator), usado em comunicação bidirecional, pode realizar ambas as operações. A banda de frequência mais baixa ocupada pelo sinal de modulação é chamada de banda base, enquanto a banda de frequência mais alta ocupada pela portadora modulada é chamada de banda passante.

Na modulação analógica, um sinal de modulação analógica é "impresso" na transportadora. Exemplos são modulação de amplitude (AM) na qual a amplitude (força) da onda portadora é variada pelo sinal de modulação e modulação de frequência (FM) na qual a frequência da onda portadora é variada pelo sinal de modulação. Esses foram os primeiros tipos de modulação e são usados para transmitir um sinal de áudio que representa o som na transmissão de rádio AM e FM. Sistemas mais recentes usam modulação digital, que imprime um sinal digital que consiste em uma sequência de dígitos binários (bits), um fluxo de bits, na portadora, por meio do mapeamento de bits para elementos de um alfabeto discreto a ser transmitido. Esse alfabeto pode consistir em um conjunto de números reais ou complexos, ou sequências, como oscilações de diferentes frequências, a chamada modulação de chaveamento por deslocamento de frequência (FSK). Um método de modulação digital mais complicado que emprega múltiplas portadoras, multiplexação ortogonal por divisão de frequência (OFDM), é usado em redes Wi-Fi, estações de rádio digital e transmissão digital de televisão a cabo.

Métodos de modulação analógica

Um sinal de mensagem de baixa frequência (top) pode ser transportado por uma onda de rádio AM ou FM.

Terreno de cachoeira de 146.52 Transportador de rádio MHz, com modulação de amplitude por um sinusóide de 1000 Hz. Duas bandas laterais fortes em + e - 1 kHz da frequência da transportadora são mostradas.

Uma transportadora, frequência modulada por um sinusóide de 1000 Hz. O índice de modulação foi ajustado para cerca de 2.4, de modo que a frequência do transportador tem pequena amplitude. Várias bandas laterais fortes são aparentes; em princípio um número infinito é produzido em FM, mas as bandas laterais de ordem superior são de magnitude negligível.

Na modulação analógica, a modulação é aplicada continuamente em resposta ao sinal de informação analógica. Técnicas comuns de modulação analógica incluem:

• Amplitude modulação (AM) (aqui a amplitude do sinal de portador é variada de acordo com a amplitude instantânea do sinal de modulação)
  • Modulação de banda dupla (DSB)
    • Modulação de banda dupla com portador (DSB-WC) (usado na banda de rádio AM)
    • Transmissão de dupla face (DSB-SC)
    • Transmissão de portador reduzida de banda dupla (DSB-RC)
  • Modulação de banda única (SSB, ou SSB-AM)
    • modulação de banda única com portador (SSB-WC)
    • modulação de banda única suprimida transportadora modulação (SSB-SC)
  • Modulação de banda lateral vestigial (VSB, ou VSB-AM)
  • modulação de amplitude de quadratura (QAM)
• modulação angular, que é aproximadamente envelope constante
  • Modulação de frequência (FM) (aqui a frequência do sinal de portador é variada de acordo com a amplitude instantânea do sinal de modulação)
  • Modulação de fase (PM) (aqui a mudança de fase do sinal de portador é variada de acordo com a amplitude instantânea do sinal de modulação)
  • Modulação Transposicional (TM), em que a inflexão de forma de onda é modificada resultando em um sinal onde cada ciclo de trimestre é transposto no processo de modulação. TM é uma modulação pseudo-analog (AM). Onde uma transportadora AM também carrega uma fase variável f().). TM é f(AM,))

Métodos de modulação digital

Na modulação digital, um sinal de portadora analógica é modulado por um sinal discreto. Os métodos de modulação digital podem ser considerados como conversão digital para analógico e a demodulação ou detecção correspondente como conversão analógico para digital. As mudanças no sinal da portadora são escolhidas entre um número finito de M símbolos alternativos (o alfabeto de modulação).

Esquema de 4 baud, 8 bits / s link de dados contendo valores arbitrariamente escolhidos

Um exemplo simples: Uma linha telefônica é projetada para transferir sons audíveis, por exemplo, tons e não bits digitais (zeros e outros). Os computadores podem, no entanto, comunicar-se sobre uma linha telefônica por meio de modems, que representam os bits digitais por tons, chamados símbolos. Se houver quatro símbolos alternativos (correspondendo a um instrumento musical que pode gerar quatro tons diferentes, um de cada vez), o primeiro símbolo pode representar a sequência de bits 00, o segundo 01, o terceiro 10 e o quarto 11. Se o modem tocar uma melodia composta de 1000 tons por segundo, a taxa de símbolo é 1000 símbolos / segundo, ou 1000 baud. Uma vez que cada tom (isto é, símbolo) representa uma mensagem que consiste em dois bits digitais neste exemplo, a taxa de bits é duas vezes a taxa de símbolo, ou seja, 2000 bits por segundo.

De acordo com uma definição de sinal digital, o sinal modulado é um sinal digital. De acordo com outra definição, a modulação é uma forma de conversão digital para analógico. A maioria dos livros didáticos consideraria os esquemas de modulação digital como uma forma de transmissão digital, sinônimo de transmissão de dados; poucos a considerariam como transmissão analógica.

Métodos de modulação digital fundamentais

As técnicas de modulação digital mais fundamentais são baseadas em chaveamento:

• PSK (fase-shift keying): um número finito de fases são usados.
• FSK (chave de frequência-shift): um número finito de frequências são usados.
• ASK (amplitude-shift keying): um número finito de amplitudes são usados.
• QAM (modulação da amplitude da esquadratura): um número finito de pelo menos duas fases e pelo menos duas amplitudes são usadas.

Em QAM, um sinal em fase (ou I, com um exemplo sendo uma forma de onda cosseno) e um sinal de fase em quadratura (ou Q, com um exemplo sendo uma onda senoidal) são modulados em amplitude com um número finito de amplitudes e então somado. Pode ser visto como um sistema de dois canais, cada canal usando ASK. O sinal resultante é equivalente a uma combinação de PSK e ASK.

Em todos os métodos acima, cada uma dessas fases, frequências ou amplitudes recebe um padrão único de bits binários. Normalmente, cada fase, frequência ou amplitude codifica um número igual de bits. Este número de bits compreende o símbolo que é representado pela fase, frequência ou amplitude em particular.

Se o alfabeto consiste em M= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2NNão. M=2^{N}} símbolos alternativos, cada símbolo representa uma mensagem que consiste em N bits. Se a taxa de símbolo (também conhecida como taxa de baud) é fSNão. f_{S}} símbolos/segundo (ou baud), a taxa de dados é NfSNão. Nf_{S}} bit/second.

Por exemplo, com um alfabeto composto por 16 símbolos alternativos, cada símbolo representa 4 bits. Assim, a taxa de dados é quatro vezes a taxa de transmissão.

No caso de PSK, ASK ou QAM, onde a frequência portadora do sinal modulado é constante, o alfabeto de modulação é muitas vezes convenientemente representado em um diagrama de constelação, mostrando a amplitude do sinal I no eixo x, e a amplitude do sinal Q no eixo y, para cada símbolo.

Princípios de operação do modulador e do detector

PSK e ASK, e às vezes também FSK, são frequentemente gerados e detectados usando o princípio de QAM. Os sinais I e Q podem ser combinados em um sinal de valor complexo I+jQ (onde j é a unidade imaginária). O chamado sinal passa-baixa equivalente resultante ou sinal de banda base equivalente é uma representação de valor complexo do sinal físico modulado de valor real (o chamado sinal de banda passante ou sinal de RF).

Estas são as etapas gerais usadas pelo modulador para transmitir dados:

1. Grupo os dados recebidos bits em codewords, um para cada símbolo que será transmitido.
2. Mapeie as palavras-chave para atributos, por exemplo, amplitudes dos sinais I e Q (o sinal de baixa passagem equivalente), ou valores de frequência ou fase.
3. Adapte a modelagem de pulso ou alguma outra filtragem para limitar a largura de banda e formar o espectro do sinal de baixa passagem equivalente, normalmente usando o processamento de sinal digital.
4. Execute a conversão digital analógica (DAC) dos sinais I e Q (desde que hoje todo o acima é normalmente alcançado usando o processamento de sinal digital, DSP).
5. Gerar uma forma de onda de portador de seios de alta frequência, e talvez também um componente de quadratura cosina. Realizar a modulação, por exemplo, multiplicando a forma de onda sine e cosina com os sinais I e Q, resultando no sinal de baixa passagem equivalente sendo a frequência deslocada para o sinal de banda passe modulada ou sinal de RF. Às vezes isso é alcançado usando a tecnologia DSP, por exemplo, a síntese digital direta usando uma tabela de forma de onda, em vez de processamento de sinal analógico. Nesse caso, o passo acima do DAC deve ser feito após este passo.
6. Amplificação e filtragem analógico bandpass para evitar distorção harmônica e espectro periódico.

No lado do receptor, o demodulador normalmente executa:

1. Filtragem de Bandpass.
2. Controle automático de ganho, AGC (para compensar a atenuação, por exemplo, desvanecendo).
3. Mudança de frequência do sinal de RF para os sinais de base I e Q equivalentes, ou para um sinal de frequência intermediária (IF), multiplicando o sinal de RF com uma onda de sine oscilador local e frequência de onda cosina (veja o princípio do receptor de superheterodyne).
4. Amostragem e conversão analógico-a-digital (ADC) (às vezes antes ou em vez do ponto acima, por exemplo, por meio de undersampling).
5. A filtragem de equalização, por exemplo, um filtro combinado, compensação para a propagação de multipatias, a disseminação de tempo, a distorção de fase e a desvanecimento seletivo de frequência, para evitar interferências intersímbolos e distorção de símbolos.
6. Detecção das amplitudes dos sinais I e Q, ou a frequência ou fase do sinal IF.
7. Quantização das amplitudes, frequências ou fases aos valores de símbolo mais próximos permitidos.
8. Mapeamento das amplitudes quantificadas, frequências ou fases para palavras-chave (grupos bits).
9. Conversão paralela ao serial das palavras-chave em um fluxo de bits.
10. Passe o fluxo de bits resultante para processamento posterior, como remoção de quaisquer códigos de correção de erros.

Como é comum a todos os sistemas de comunicação digital, o projeto do modulador e do demodulador deve ser feito simultaneamente. Esquemas de modulação digital são possíveis porque o par transmissor-receptor tem conhecimento prévio de como os dados são codificados e representados no sistema de comunicação. Em todos os sistemas de comunicação digital, tanto o modulador no transmissor quanto o demodulador no receptor são estruturados de forma que executem operações inversas.

Os métodos assíncronos não requerem um sinal de clock de referência do receptor que esteja sincronizado em fase com o sinal da portadora do emissor. Nesse caso, os símbolos de modulação (em vez de bits, caracteres ou pacotes de dados) são transferidos de forma assíncrona. O oposto é a modulação síncrona.

Lista de técnicas comuns de modulação digital

As técnicas de modulação digital mais comuns são:

• Teclado de fase (PSK)
  • Binary PSK (BPSK), utilizando símbolos M=2
  • Quadrature PSK (QPSK), usando símbolos M=4
  • 8PSK, usando símbolos M=8
  • 16PSK, usando símbolos M=16
  • PSK diferencial (DPSK)
  • QPSK diferencial (DQPSK)
  • Offset QPSK (OQPSK)
  • π/4–QPSK
• Teclado de frequência (FSK)
  • Teclado de frequência de áudio (AFSK)
  • Chaves de deslocamento de várias frequências (FSK M-ary ou MFSK)
  • Multi-frequência de toque duplo (DTMF)
• Chaveiro Amplitude-shift (ASK)
• Teclado on-off (OOK), o formulário ASK mais comum
  • modulação de banda lateral vestigial M-ary, por exemplo 8VSB
• modulação de amplitude de quadratura (QAM), uma combinação de PSK e ASK
  • modulação polar como QAM uma combinação de PSK e ASK
• Métodos de modulação de fase contínua (CPM)
  • Teclado mínimo (MSK)
  • Chaveiro de desvio mínimo gaussiano (GMSK)
  • Teclado contínuo de deslocamento de frequência (CPFSK)
• modulação de multiplexação de divisão de frequência ortogonal (OFDM)
  • Multitone discreto (DMT), incluindo modulação adaptativa e carregamento de bits
• Modulação de Wavelet
• Trellis modulação codificada (TCM), também conhecido como modulação Trellis
• Técnicas de espectro de propagação
  • Espectro de propagação de sequência direta (DSSS)
  • Espectro de propagação de chirp (CSS) de acordo com IEEE 802.15.4a CSS usa codificação pseudo-escástica
  • O espectro de spread de espera de frequência (FHSS) aplica um esquema especial para liberação de canal

MSK e GMSK são casos particulares de modulação de fase contínua. De fato, o MSK é um caso particular da subfamília do CPM conhecido como chaveamento de mudança de frequência de fase contínua (CPFSK), que é definido por um pulso de frequência retangular (ou seja, um pulso de fase linearmente crescente) de um símbolo de duração de tempo (sinalização de resposta total).

OFDM é baseado na ideia de multiplexação por divisão de frequência (FDM), mas os fluxos multiplexados são todos partes de um único fluxo original. O fluxo de bits é dividido em vários fluxos de dados paralelos, cada um transferido por sua própria subportadora usando algum esquema de modulação digital convencional. As subportadoras moduladas são somadas para formar um sinal OFDM. Essa divisão e recombinação ajudam a lidar com as deficiências do canal. O OFDM é considerado uma técnica de modulação em vez de uma técnica multiplex, pois transfere um fluxo de bits por um canal de comunicação usando uma sequência dos chamados símbolos OFDM. O OFDM pode ser estendido para o método de acesso de canal multiusuário nos esquemas de acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal (OFDMA) e acesso múltiplo por divisão de código multiportadora (MC-CDMA), permitindo que vários usuários compartilhem o mesmo meio físico, fornecendo diferentes subportadoras ou espalhando códigos para diferentes usuários.

Dos dois tipos de amplificador de potência de RF, os amplificadores de comutação (amplificadores de classe D) custam menos e usam menos energia da bateria do que os amplificadores lineares com a mesma potência de saída. No entanto, eles funcionam apenas com sinais de modulação de amplitude relativamente constante, como modulação de ângulo (FSK ou PSK) e CDMA, mas não com QAM e OFDM. No entanto, embora os amplificadores de comutação sejam completamente inadequados para constelações QAM normais, muitas vezes o princípio de modulação QAM é usado para acionar amplificadores de comutação com essas FM e outras formas de onda, e às vezes os demoduladores QAM são usados para receber os sinais emitidos por esses amplificadores de comutação.

Reconhecimento automático de modulação digital (ADMR)

O reconhecimento de modulação digital automática em sistemas de comunicação inteligentes é uma das questões mais importantes em rádio definido por software e rádio cognitivo. De acordo com a expansão incremental de receptores inteligentes, o reconhecimento de modulação automática torna-se um tópico desafiador em sistemas de telecomunicações e engenharia de computação. Tais sistemas têm muitas aplicações civis e militares. Além disso, o reconhecimento cego do tipo de modulação é um problema importante em sistemas comerciais, especialmente em rádios definidos por software. Normalmente em tais sistemas, existem algumas informações extras para configuração do sistema, mas considerando abordagens cegas em receptores inteligentes, podemos reduzir a sobrecarga de informações e aumentar o desempenho da transmissão. Obviamente, sem conhecimento dos dados transmitidos e muitos parâmetros desconhecidos no receptor, como a potência do sinal, frequência da portadora e deslocamentos de fase, informações de tempo, etc., a identificação cega da modulação é bastante difícil. Isso se torna ainda mais desafiador em cenários do mundo real com canais multipercursos com desvanecimento, seleção de frequência e variação de tempo.

Existem duas abordagens principais para o reconhecimento automático de modulação. A primeira abordagem usa métodos baseados em probabilidade para atribuir um sinal de entrada a uma classe adequada. Outra abordagem recente é baseada na extração de características.

Modulação de banda base digital

A modulação de banda base digital altera as características de um sinal de banda base, ou seja, sem portadora em uma frequência mais alta.

Isso pode ser usado como sinal equivalente para ser posteriormente convertido em frequência para uma frequência portadora ou para comunicação direta em banda base. Os últimos métodos envolvem códigos de linha relativamente simples, como frequentemente usados em barramentos locais, e complicados esquemas de sinalização de banda base, como os usados em DSL.

Métodos de modulação de pulso

Os esquemas de modulação de pulso visam transferir um sinal analógico de banda estreita sobre um canal analógico de banda base como um sinal de dois níveis modulando uma onda de pulso. Alguns esquemas de modulação de pulso também permitem que o sinal analógico de banda estreita seja transferido como um sinal digital (ou seja, como um sinal quantizado de tempo discreto) com uma taxa de bits fixa, que pode ser transferido por um sistema de transmissão digital subjacente, por exemplo, alguma linha código. Estes não são esquemas de modulação no sentido convencional, uma vez que não são esquemas de codificação de canal, mas devem ser considerados esquemas de codificação de fonte e, em alguns casos, técnicas de conversão analógico-digital.

Métodos analógicos sobre analógicos

• Modulação de pressão (PAM)
• modulação de largura de pulso (PWM) e modulação de profundidade de pulso (PDM)
• Modulação de frequência de pulso (PFM)
• Modulação de posição de pulso (PPM)

Métodos analógico-sobre-digital

• Modulação de código de pulso (PCM)
  • PCM diferencial (DPCM)
    • DPCM adaptativo (ADPCM)
• Modulação Delta (DM ou modulação Δ)
  • Modulação Delta-sigma (ΣΔ)
  • Modulação delta de inclinação continuamente variável (CVSDM), também chamada modulação delta adaptativa (ADM)
• Modulação de densidade de pulso (PDM)

Técnicas de modulação diversas

• O uso de teclas on-off para transmitir O código morse em frequências de rádio é conhecido como operação de onda contínua (CW).
• Modulação adaptativa
• A modulação do espaço é um método pelo qual os sinais são modulados dentro do espaço aéreo, como o usado em sistemas de aterragem de instrumentos.
• O efeito auditivo do micro-ondas foi modificado com formas de onda de áudio para evocar números falados compreensíveis.