Điều chế kỹ thuật số: Biên độ và tần số

Điều chế tần số vô tuyến

Mặc dù dựa trên cùng các khái niệm, các dạng sóng điều chế kỹ thuật số trông khá khác biệt so với các đối tác tương tự của chúng.

Mặc dù cách xa tuyệt chủng, điều chế tương tự đơn giản là không tương thích với một thế giới kỹ thuật số. 

Chúng tôi không còn tập trung nỗ lực của mình để di chuyển các dạng sóng tương tự từ nơi này sang nơi khác. Thay vào đó, chúng tôi muốn di chuyển dữ liệu: mạng không dây, tín hiệu âm thanh số hóa, đo cảm biến, v.v. Để chuyển dữ liệu kỹ thuật số, chúng tôi sử dụng điều chế kỹ thuật số.

Tuy nhiên, chúng ta phải cẩn thận với thuật ngữ này. Phần mềm tương tự và phần cứng kỹ thuật số trong bối cảnh này đề cập đến loại thông tin được truyền, không phải là đặc điểm cơ bản của dạng sóng truyền thực tế. 

Cả điều chế analog và kỹ thuật số đều sử dụng các tín hiệu khác nhau; sự khác biệt là tín hiệu điều chế tương tự được giải điều chế thành dạng sóng cơ sở tương tự, trong khi tín hiệu điều chế kỹ thuật số bao gồm các đơn vị điều chế rời rạc, được gọi là ký hiệu, được hiểu là dữ liệu số.

Có phiên bản tương tự và kỹ thuật số của ba loại điều chế. Hãy bắt đầu với biên độ và tần số.

Điều chế biên độ số
Kiểu điều chế này được gọi là khóa dịch chuyển biên độ (ASK). Trường hợp cơ bản nhất là khóa bật tắt tiếng gõ (OOK) và nó tương ứng trực tiếp với mối quan hệ toán học được thảo luận trong trang dành riêng cho [[điều chế biên độ tương tự]]: Nếu chúng ta sử dụng tín hiệu số làm dạng sóng cơ sở, nhân lên băng cơ sở và sóng mang dẫn đến một dạng sóng được điều chế, điều này là bình thường đối với logic cao và ra khỏi chế độ logic đối với logic thấp. Biên độ logic cao tương ứng với chỉ số điều chế.

Miền thời gian
Biểu đồ sau đây cho thấy OOK được tạo bằng sóng mang 10 MHz và tín hiệu đồng hồ kỹ thuật số 1 MHz. Chúng ta đang hoạt động trong lĩnh vực toán học ở đây, vì vậy biên độ logic cao (và biên độ sóng mang) chỉ đơn giản là không giới hạn 1 trong một mạch thực, bạn có thể có dạng sóng mang 1 V và tín hiệu logic 3.3 V.

Bạn có thể đã nhận thấy một sự không nhất quán giữa ví dụ này và mối quan hệ toán học được thảo luận trong trang [[Điều chế biên độ]]: chúng tôi đã không thay đổi tín hiệu băng cơ sở. Nếu bạn đang xử lý một dạng sóng kỹ thuật số kết hợp DC điển hình, không cần dịch chuyển lên trên vì tín hiệu vẫn nằm trong phần dương của trục y.

Tần số khu vực
Đây là phổ tương ứng:




So sánh điều này với phổ để điều chế biên độ với sóng hình sin 1 MHz:




Hầu hết các phổ là cùng một tần số tăng đột biến ở tần số sóng mang (fC) và tăng đột biến ở fC cộng với tần số băng cơ sở và fC trừ tần số dải tần cơ sở. 

Tuy nhiên, phổ ASK cũng có các xung nhỏ hơn tương ứng với sóng hài thứ 3 và thứ 5: Tần số cơ bản (fF) là 1 MHz, có nghĩa là sóng hài bậc 3 (f3) là 3 MHz và sóng hài thứ 5 (f5) là 5 MHz . Vì vậy, chúng tôi có các đột biến tại fC cộng / trừ fF, f3 và f5. Và thực tế, nếu bạn mở rộng cốt truyện, bạn sẽ thấy rằng các gai tiếp tục theo mô hình này.

Điều này làm cho ý nghĩa hoàn hảo. Một biến đổi Fourier của sóng vuông bao gồm sóng hình sin ở tần số cơ bản cùng với sóng hình sin có biên độ giảm dần ở các sóng hài lẻ và nội dung hài này là những gì chúng ta thấy trong phổ hiển thị ở trên.

Thảo luận này dẫn chúng ta đến một điểm thực tế quan trọng: chuyển đổi đột ngột liên quan đến các sơ đồ điều chế kỹ thuật số tạo ra nội dung tần số cao hơn (không mong muốn). Chúng ta phải ghi nhớ điều này khi xem xét băng thông thực tế của tín hiệu được điều chế và sự hiện diện của các tần số có thể gây nhiễu cho các thiết bị khác.

Điều chế tần số kỹ thuật số
Kiểu điều chế này được gọi là khóa dịch chuyển tần số (FSK). Đối với các mục đích của chúng tôi, không cần thiết phải xem xét một biểu thức toán học của FSK; thay vào đó, chúng ta có thể chỉ định đơn giản rằng chúng ta sẽ có tần số F1 khi dữ liệu băng cơ sở là logic 0 và tần số f2 khi dữ liệu băng cơ sở là logic 1.

Miền thời gian
Một phương pháp tạo ra dạng sóng FSK sẵn sàng để truyền trước tiên là tạo tín hiệu băng cơ sở tương tự chuyển đổi giữa F1 và f2 theo dữ liệu kỹ thuật số. Dưới đây là một ví dụ về dạng sóng cơ sở FSK với F1 = 1 kHz và f2 = 3 kHz. Để đảm bảo rằng một ký hiệu có cùng thời lượng cho logic 0 và logic 1, chúng tôi sử dụng một chu kỳ 1 kHz và ba chu kỳ 3 kHz.

Dạng sóng cơ sở sau đó được dịch chuyển (sử dụng bộ trộn) lên đến tần số sóng mang và được truyền đi. Cách tiếp cận này đặc biệt tiện dụng trong các hệ thống vô tuyến được xác định bằng phần mềm: dạng sóng cơ sở tương tự là tín hiệu tần số thấp, và do đó nó có thể được tạo ra một cách toán học sau đó được đưa vào cõi tương tự bởi một bộ xử lý tín hiệu. Sử dụng một bộ xử lý tín hiệu để tạo tín hiệu truyền tần số cao sẽ khó khăn hơn nhiều.

Một cách đơn giản hơn để thực hiện FSK là chỉ cần có hai tín hiệu sóng mang với tần số khác nhau (F1 và f2); cái này hay cái kia được định tuyến đến đầu ra tùy thuộc vào mức logic của dữ liệu nhị phân. 

Điều này dẫn đến một dạng sóng truyền cuối cùng chuyển đổi đột ngột giữa hai tần số, giống như dạng sóng FSK cơ sở ở trên, ngoại trừ sự khác biệt giữa hai tần số nhỏ hơn nhiều so với tần số trung bình. Nói cách khác, nếu bạn đang xem xét một biểu đồ miền thời gian, sẽ rất khó để phân biệt trực quan các phần F1 với các phần f2 vì sự khác biệt giữa F1 và f2 chỉ là một phần rất nhỏ của F1 (hoặc f2).

Tần số khu vực
Hãy xem xét ảnh hưởng của FSK trong miền tần số. Chúng tôi sẽ sử dụng cùng tần số sóng mang 10 MHz (hoặc tần số sóng mang trung bình trong trường hợp này) và chúng tôi sẽ sử dụng độ lệch ± 1 MHz làm độ lệch. (Điều này không thực tế, nhưng thuận tiện cho các mục đích hiện tại của chúng tôi.) Vì vậy, tín hiệu truyền đi sẽ là 9 MHz cho logic 0 và 11 MHz cho logic 1. Đây là phổ:

Lưu ý rằng không có năng lượng ở tần số sóng mang. Điều này không đáng ngạc nhiên, vì tín hiệu điều chế không bao giờ ở mức 10 MHz. Nó luôn luôn ở mức 10 MHz trừ đi 1 MHz hoặc 10 MHz cộng với 1 MHz và đây chính xác là nơi chúng ta thấy hai xung đột trội: 9 MHz và 11 MHz.

Nhưng những gì về các tần số khác hiện diện trong phổ này? Vâng, phân tích quang phổ FSK không đặc biệt đơn giản. Chúng tôi biết rằng sẽ có thêm năng lượng Fourier liên quan đến sự chuyển đổi đột ngột giữa các tần số. 

Nó chỉ ra rằng FSK dẫn đến một loại phổ chức năng chân thực cho từng tần số, nghĩa là một tần số được tập trung vào F1 và loại còn lại tập trung vào f2. Những tài khoản này cho các xung tần số bổ sung được nhìn thấy ở hai bên của hai gai trội.

Tổng kết
* Điều chế biên độ kỹ thuật số liên quan đến việc thay đổi biên độ của sóng mang trong các phần riêng biệt theo dữ liệu nhị phân.

* Cách tiếp cận đơn giản nhất để điều chế biên độ số là khóa bật tắt.

* Với điều chế tần số kỹ thuật số, tần số của sóng mang hoặc tín hiệu băng cơ sở được thay đổi trong các phần riêng biệt theo dữ liệu nhị phân.

* Nếu chúng ta so sánh điều chế kỹ thuật số với điều chế tương tự, chúng ta sẽ thấy rằng các chuyển đổi đột ngột được tạo ra bởi điều chế kỹ thuật số dẫn đến năng lượng bổ sung ở tần số xa hơn sóng mang.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn