Vergleich mehrerer gängiger Modulationsverfahren für Funkmodule

Derzeit gibt es viele Arten gängiger Funkmodule auf dem Markt. Die Unterschiede zwischen ihnen spiegeln sich häufig in der unterstützten Frequenz, der maximalen Rate, der Modulationsmethode, dem Stromverbrauch usw. wider. In diesem Artikel werden verschiedene Modulationsmethoden verglichen, die üblicherweise in drahtlosen Modulen verwendet werden.

ASK-Definition

ASK ist die Abkürzung für Amplitude Shift Keyingmodulation. Beispielsweise werden binär und die Binärsymbole 0 und 1 durch unterschiedliche Amplituden dargestellt, was ASK ist.

„Amplitude Shift Keying“, auch bekannt als „Amplitude Shift Keying“, heißt ASK und ist eine gängige Methode der Modulationstechnik. Wenn der mögliche Zustand des digitalen Modulationssignals dem binären Informationssymbol oder seinem entsprechenden Basisbandsignalzustand eins zu eins entspricht, wird das modulierte Signal als binäres digitales Modulationssignal bezeichnet. Die Kodierung mit binären Informationssymbolen wird als binäre Amplitudentastung bezeichnet und durch 2ASK dargestellt.

Schematische Darstellung der Umschalttaste

Im Modus „Amplitudenumtastung“ wird der Träger mit der Amplitude A eingeschaltet, wenn „1“ erscheint, und wenn „0“ erscheint, wird der Träger ausgeschaltet. Dies entspricht einer Verschiebung des Spektrums des ursprünglichen Basisbandsignals (Pulsfolge) zur Seite.

Die Amplitudenumtastung (ASK) entspricht der Amplitudenmodulation in einem analogen Signal, mit der Ausnahme, dass es sich um eine Binärzahl handelt, die mit einem Trägerfrequenzsignal multipliziert wird. Bei der Amplitudenverschiebung werden Frequenz und Phase als Konstanten und die Amplitude als Variablen verwendet. Informationsbits werden über die Amplitude des Trägers übertragen. Binäre Amplitudentastung (2ASK): Da das Modulationssignal nur zwei Pegel von 0 oder 1 hat, entspricht das Ergebnis der Multiplikation dem Ein- und Ausschalten der Trägerfrequenz. Die praktische Bedeutung besteht darin, dass der Träger übertragen wird, wenn das modulierte digitale Signal „1“ ist. Wenn das modulierte digitale Signal „0“ ist, wird der Träger nicht übertragen. Das Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei s (t) ein rechteckiger Basisbandimpuls ist. Kosinussignale werden im Allgemeinen für Trägersignale verwendet, und modulierte Signale werden verwendet, um digitale Sequenzen in unipolare Basisband-Rechteckimpulssequenzen umzuwandeln, und die Rolle dieser Ein-Aus-Umtastung besteht darin, dieses Ausgangssignal mit dem Träger zu multiplizieren, um das Spektrum auf die Trägerfrequenz zu verschieben. In der Nähe erkennen Sie 2ASK. Die realisierte 2ASK-Wellenform ist in Abbildung 2 dargestellt.

2ASK-Wellenform

Die einfachste und am häufigsten verwendete Form der Amplitudenmodulation für diese Modulationstechnik ist das Umschalten. Das Vorhandensein eines Trägers wird durch eine „1“ dargestellt und das Fehlen eines Trägers wird durch eine „0“ dargestellt. Diese Art der Modulation wird On-Off Keying (OOK) genannt und ist die energieeffizienteste Modulationsmethode, da sie nur dann Energie abstrahlt, wenn eine „1“ gesendet wird. Die Amplitudenumtastung erfordert ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zur Demodulation des Signals, da die meisten Signale aufgrund ihrer Eigenschaften mit sehr geringer Leistung übertragen werden. Die Vorteile des ASK-modulierten Hochfrequenzsystems bestehen darin, dass die Struktur der Sende- und Empfangsgeräte einfach ist und der Stromverbrauch relativ gering ist. Leider beträgt die vom ASK/OOK-Modulationssystem belegte Bandbreite weniger als 500 kHz oder die Spitzendichte nicht in den vom „digitalen Modulationssystem“ geforderten Bereich fallen. Dies zeigt, dass die Sendeleistung des ASK/OOK-Modulationssystems auf 50 mV/m begrenzt ist oder dass eine FHSS-Technologie übernommen werden muss, um die Anforderungen der FCC-Klausel 15.247 zu erfüllen. 

OK

Ein-Aus-Tasten

OOK ist ein Sonderfall der ASK-Modulation. Wenn eine Amplitude 0 und die andere ungleich Null ist, ist sie OOK. Bei der binären Ein-Aus-Umtastung (OOK: On-Off Keying), auch bekannt als binäre Amplitudenumtastung (2ASK), handelt es sich um eine unipolare, nicht auf Null zurückgehende Codesequenz zur Steuerung des Öffnens und Schließens eines Sinusträgers. Diese Modulationsmethode erschien früher als die aloge Modulationsmethode, und die Morsecode-Funkübertragung verwendet diese Modulationsmethode. Die Anti-Rausch-Leistung von OOK ist nicht so gut wie bei anderen Modulationsmethoden, daher wird diese Modulationsmethode in der aktuellen Satellitenkommunikation und digitalen Mikrowellenkommunikation nicht verwendet. Da die Modulationsmethode jedoch einfach zu implementieren ist, ist die Amplitudentastungsmethode in faseroptischen Kommunikationssystemen weit verbreitet. Die Analysemethode dieser Modulationsmethode ist grundlegend, sodass Sie die grundlegende Theorie der digitalen Modulation ab dem Einstieg in die OOK-Modulationsmethode studieren können.

FSK (Frequenzumtastung)

Eine Winkelmodulation, bei der sich die Frequenz einer Sinusschwingung zwischen einer Reihe diskreter Werte ändert, wobei jeder diskrete Wert einen charakteristischen Zustand eines zeitlich verteilten modulierten Signals darstellt.

Angewandte Disziplinen: Kommunikationstechnologie (Disziplin der ersten Ebene); Kommunikationsprinzipien und Basistechnologien (Nebenfach)

Bei der Frequenzumtastung werden zwei Oszillatoren mit unterschiedlichen Frequenzen F1 und F2 verwendet, um die Signale 1 und 0 darzustellen. Verwenden Sie 1 und 0 des digitalen Signals, um zwei unabhängige Oszillationsquellen für die abwechselnde Ausgabe zu steuern. Bei der binären Frequenzumtastungsmodulation beträgt die effektive Bandbreite B = 2xF + 2Fb, wobei xF die Bandbreite des binären Basisbandsignals und der maximale Frequenzversatz des FSK-Signals ist. Da die Bandbreite des digitalen Signals der Fb-Wert ist, ist die Signalbandbreite der Steuerung relativ groß und die Frequenzbandauslastung gering.

GFSK

Gaußsche Frequenzumtastung GFSK-Gaußsche Frequenzumtastung ist ein Gaußscher Tiefpassfilter vor der Modulation, um die spektrale Breite des Signals zu begrenzen.

Modulationsprinzip

Die GFSK-Gaußsche Frequenzumtastungsmodulation ist eine digitale Modulationsmethode, bei der Eingangsdaten vormoduliert und durch einen Gaußschen Tiefpassfilter gefiltert und anschließend FSK-moduliert werden. Unter Beibehaltung einer konstanten Amplitude kann das Spektrum des modulierten Signals durch Ändern der 3-dB-Bandbreite des Gaußschen Tiefpassfilters gesteuert werden. Es verfügt über die von drahtlosen Kommunikationssystemen gewünschten Eigenschaften, wie z. B. eine Hüllkurve mit konstanter Amplitude, ein konzentriertes Leistungsspektrum und ein schmales Spektrum. Daher wird die GFSK-Modulations- und Demodulationstechnologie in vielen Bereichen wie der Mobilkommunikation, der Luftfahrt und der Schiffskommunikation häufig eingesetzt.

Die GFSK-Modulation kann in Direktmodulation und Quadraturmodulation unterteilt werden.

Direkte Modulation

Bei der Direktmodulation wird die Frequenzmodulation des HF-Trägers direkt simuliert, nachdem das digitale Signal durch einen Gaußschen Tiefpass gefiltert wurde. Wenn der Modulationsindex des Frequenzmodulators gleich 0,5 ist, handelt es sich um die bekannte GMSK-Modulation (Gaussian Minimum Frequency ShiftKeying), sodass die GMSK-Modulation als Sonderfall der GFSK-Modulation angesehen werden kann. In einigen Literaturstellen wird das GFSK-Modulationsverfahren mit unterschiedlichem BT-Produkt und Modulationsindex als GMSK/FM bezeichnet, was tatsächlich darauf hinweist, dass dieses Verfahren nicht GMSK genannt werden kann, wenn der Modulationsindex nicht gleich 0,5 ist.

Obwohl die Direktmodulationsmethode einfach ist, da das Modulationssignal normalerweise dem VCO des PLL-Frequenzsynthesizers hinzugefügt wird, führt die inhärente Hochpasscharakteristik der Schleife dazu, dass die Niederfrequenzkomponente des Modulationssignals verloren geht. Um die idealen GFSK-Modulationseigenschaften zu erhalten, wird daher eine direkte Frequenzmodulationstechnik namens Zweipunktmodulation vorgeschlagen. Bei dieser Technik wird das Modulationssignal in zwei Teile geteilt, ein Teil wird gemäß der herkömmlichen Frequenzmodulationsmethode zum VCO-Ende der PLL hinzugefügt und der andere Teil wird zum Hauptoszillatorende der PLL hinzugefügt.Da der Hauptoszillator Befindet sich das Signal nicht in der Regelrückkopplungsschleife, kann es durch die Niederfrequenzkomponente des Signals moduliert werden. Auf diese Weise verfügt das erzeugte zusammengesetzte GFSK-Signal über spektrale Eigenschaften, die auf Gleichstrom erweitert werden können, und die Modulationsempfindlichkeit ist grundsätzlich eine Konstante, die nicht von der Schleifenbandbreite beeinflusst wird. Allerdings erhöht die Zweipunktmodulation die Schwierigkeit der GFSK-Modulationsindexsteuerung.

Quadraturmodulation

Die orthogonale Modulation ist ein indirektes Modulationsverfahren. Bei dieser Methode wird ein digitales Signal einer Gaußschen Tiefpassfilterung und einer geeigneten Phasenintegrationsoperation unterzogen und dann in zwei Teile geteilt: Inphase und Quadratur. Die Inphase- und Quadraturkomponenten des Trägers werden jeweils multipliziert und dann das GFSK-Signal synthetisiert. Relativ gesehen ist das physikalische Konzept dieser Methode klar und vermeidet außerdem die Beschädigung der spektralen Signaleigenschaften während der Direktmodulation. Andererseits kann die GFSK-Parametersteuerung in einem Gauß-Filter mit einem Kalibrierungsfaktor implementiert werden und wird durch die nachfolgende Frequenzmodulationsschaltung nicht beeinflusst, sodass die Parametersteuerung einfacher ist. Aus diesem Grund eignet sich die Basisbandsignalverarbeitung des GFSK-Quadraturmodems besonders für die digitale Umsetzung.

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