変調

データとキャリアのタイプに基づいた信号変調の分類

エレクトロニクスおよび電気通信における変調は搬送波信号と呼ばれる周期波形の 1 つまたは複数の特性を、通常送信される情報を含む変調信号と呼ばれる別の信号で変化させるプロセスです。[要出典]たとえば、変調信号は、マイクからのを表すオーディオ信号ビデオ カメラからの動画を表すビデオ信号、またはデジタル信号である可能性があります。一連の 2 進数、つまりコンピューターからの ビットストリームを表します。

この搬送波は通常、メッセージ信号よりもはるかに高い周波数を持っています。これは、低い周波数で信号を送信するのが現実的ではないためです。無線通信では、変調された搬送波が電波として空間を介して無線受信機に送信されます

変調のもう 1 つの目的は、周波数分割多重(FDM)を使用して、単一の通信媒体を通じて複数の情報チャネルを送信することです。たとえば、ケーブル テレビ(FDM を使用) では、それぞれが異なるテレビ チャネルで変調された多くの搬送波信号が1 本のケーブルを通じて顧客に伝送されます。各キャリアは異なる周波数を占有するため、チャネルは互いに干渉しません。宛先側では、搬送波信号が復調されて、情報を含む変調信号が抽出されます。

変調は、変調を実行するデバイスまたは回路です。復調(場合によっては検出器) は、変調の逆である復調を実行する回路です双方向通信に使用されるモデム(変調- 復調器) は両方の操作を実行できます変調信号が占める低い周波数帯域はベースバンドと呼ばれ、変調された搬送波が占める高い周波数帯域はパスバンドと呼ばれます。[要出典]

アナログ変調ではアナログ変調信号が搬送波に「印加」されます。例えば、変調信号によって搬送波の振幅(強度)が変化する振幅変調( AM )や、変調信号によって搬送波の周波数が変化する周波数変調(FM)などがあります。これらは最も初期タイプの変調であり AM および FMラジオ放送で音声を表すオーディオ信号を送信するために使用されます最近のシステムではデジタル変調が使用されており、一連の2 進数(ビット)で構成されるデジタル信号、ビットストリーム。ビットを、送信される個別のアルファベットの要素にマッピングすることによって、搬送波上に送信されます。このアルファベットは、一連の実数または複素数、またはさまざまな周波数の発振、いわゆる周波数シフト キーイング(FSK) 変調のようなシーケンスで構成されます。複数のキャリアを使用するより複雑なデジタル変調方式である直交周波数分割多重(OFDM) は、WiFiネットワーク、デジタル ラジオ局、デジタル ケーブル テレビ伝送で使用されています。

アナログ変調方式

低周波メッセージ信号 (上) は、AM または FM 電波によって搬送される場合があります。
1,000 Hz 正弦波による振幅変調を伴う 146.52 MHz 無線搬送波のウォーターフォール プロット。搬送波周波数から + および - 1 kHz にある 2 つの強い側波帯が示されています。
1,000 Hz の正弦波で周波数変調された搬送波。変調指数は約 2.4 に調整されているため、搬送波周波数の振幅は小さくなります。いくつかの強い側波帯が明らかです。原則として、FM では無限の数が生成されますが、高次の側波帯の大きさは無視できます。

アナログ変調では、アナログ情報信号に応じて変調が継続的に適用されます。一般的なアナログ変調技術には次のものがあります。

  • 振幅変調(AM)(ここでは、搬送波信号の振幅が変調信号の瞬時振幅に従って変化します)
  • 角度変調、ほぼ一定の包絡線
    • 周波数変調(FM) (ここでは、キャリア信号の周波数が変調信号の瞬間振幅に従って変化します)
    • 位相変調(PM) (ここでは、キャリア信号の位相シフトが変調信号の瞬時振幅に従って変化します)
    • 転置変調 (TM)。波形の屈曲が変更され、変調プロセスで各 4 分の 1 サイクルが転置された信号が生成されます。TM は擬似アナログ変調 (AM) です。ここで、AM 搬送波は位相可変位相 f(Ͽ) も搬送します。TM は f(AM,í)

デジタル変調方式

デジタル変調では、アナログ搬送波信号が離散信号によって変調されます。デジタル変調方式はデジタルからアナログへの変換、および対応する復調または検出はアナログからデジタルへの変換と考えることができます。搬送波信号の変化は、有限数の M 個の代替シンボル (変調アルファベット) から選択されます。

任意に選択された値を含む 4 ボー、8 ビット/秒のデータ リンクの回路図

簡単な例:電話回線は、デジタル ビット (0 と 1) ではなく、トーンなどの可聴音を転送するように設計されています。ただし、コンピュータは、シンボルと呼ばれるトーンによってデジタル ビットを表すモデムを使用して電話回線を介して通信する場合があります。代替シンボルが 4 つある場合 (4 つの異なるトーンを一度に 1 つずつ生成できる楽器に対応)、最初のシンボルはビット シーケンス 00、2 番目の 01、3 番目の 10、および 4 番目の 11 を表す可能性があります。 1 秒あたり 1000 トーンで構成されるメロディーを再生します。シンボル レートは 1000 シンボル/秒、つまり 1000ボーです。この例では、各トーン (つまりシンボル) が 2 つのデジタル ビットで構成されるメッセージを表すため、ビット レートはシンボル レートの 2 倍、つまり 2000 ビット/秒です。

デジタル信号の 1 つの定義によれば[1]変調された信号はデジタル信号です。別の定義によれば、変調はデジタルからアナログへの変換の一種ですほとんどの教科書では、デジタル変調方式をデジタル伝送の形式、つまりデータ伝送と同義であるとみなします。これをアナログ伝送と考える人はほとんどいません

基本的なデジタル変調方式

最も基本的なデジタル変調技術はキーイングに基づいています。

QAM では、同相信号 (I、コサイン波形の一例) と直交位相信号 (Q、サイン波など) が有限の振幅で振幅変調され、加算されます。これは、各チャネルが ASK を使用する 2 チャネル システムとして見ることができます。結果として得られる信号は、PSK と ASK を組み合わせたものと等価です。

上記のすべての方法では、これらの位相、周波数、または振幅のそれぞれに、バイナリ ビットの固有のパターンが割り当てられます。通常、各位相、周波数、または振幅は同じ数のビットをエンコードします。このビット数は、特定の位相、周波数、または振幅によって表される シンボルを構成します。

アルファベットが代替記号で構成されている場合、各記号はNビットで構成されるメッセージを表しますシンボル レート(ボー レートとも呼ばれます) がシンボル/秒 (またはbaud ) の場合、データ レートはビット/秒です。

たとえば、16 の代替記号で構成されるアルファベットの場合、各記号は 4 ビットを表します。したがって、データレートはボーレートの 4 倍になります。

PSK、ASK、または QAM の場合、変調信号の搬送波周波数が一定であるため、変調アルファベットは多くの場合コンスタレーション ダイアグラムで便宜的に表され、X 軸はI信号の振幅、X 軸は I 信号の振幅を示します。各シンボルの Y 軸の Q 信号。

変調器と検波器の動作原理

PSK と ASK、場合によっては FSK も、QAM の原理を使用して生成および検出されることがよくあります。I 信号と Q 信号は、複素数値信号I + jQ ( j虚数単位)に結合できます結果として得られるいわゆる等価ローパス信号または等価ベースバンド信号は、実数値の変調物理信号 (いわゆるパスバンド信号またはRF 信号)の複素数値表現です

以下は、変調器がデータを送信するために使用する一般的な手順です

  1. 受信データ ビットを、送信されるシンボルごとに 1 つずつコードワードにグループ化します。
  2. コードワードを属性 (I 信号と Q 信号 (同等のローパス信号) の振幅、周波数または位相値など) にマップします。
  3. 通常はデジタル信号処理を使用して、パルス整形またはその他のフィルタリングを適応させて帯域幅を制限し、等価なローパス信号のスペクトルを形成します。
  4. I 信号と Q 信号のデジタルからアナログへの変換 (DAC) を実行します (今日では、上記のすべては通常、デジタル信号処理、DSP を使用して達成されます)。
  5. 高周波サイン搬送波波形を生成し、場合によってはコサイン直交成分も生成します。たとえばサイン波形とコサイン波形に I 信号と Q 信号を乗算することによって変調を実行すると、等価なローパス信号が変調された通過帯域信号またはRF信号に周波数シフトされます。場合によっては、これは、アナログ信号処理の代わりに、波形テーブルを使用した直接デジタル合成などのDSP テクノロジーを使用して実現されますその場合は、このステップの後に上記の DAC ステップを実行する必要があります。
  6. 高調波歪みと周期的なスペクトルを回避するための増幅とアナログバンドパスフィルタリング。

受信側では、復調器は通常、次のことを実行します。

  1. バンドパスフィルタリング。
  2. 自動ゲイン制御、AGC (フェージングなどの減衰を補償するため)。
  3. RF 信号に局部発振器の正弦波および余弦波周波数を乗算することにより、RF 信号を同等のベースバンド I および Q 信号、または中間周波数 (IF) 信号に周波数シフトします (スーパーヘテロダイン受信機の原理を参照)
  4. サンプリングとアナログデジタル変換 (ADC) (アンダーサンプリングなどにより、上記のポイントの前または代わりに行われる場合もあります)。
  5. 等化フィルタリング、たとえば、整合フィルタ、マルチパス伝播、時間拡散、位相歪み、および周波数選択性フェージングの補償により、シンボル間干渉やシンボル歪みを回避します。
  6. I信号とQ信号の振幅、またはIF信号の周波数または位相の検出。
  7. 振幅、周波数、または位相を最も近い許容シンボル値に量子化します。
  8. 量子化された振幅、周波数、または位相をコードワード (ビット グループ) にマッピングします。
  9. コードワードをビット ストリームにパラレル/シリアル変換します。
  10. 結果のビット ストリームを、エラー訂正コードの削除などのさらなる処理に渡します。

すべてのデジタル通信システムに共通していることですが、変調器と復調器の両方の設計を同時に行う必要があります。デジタル変調方式が可能になるのは、送信機と受信機のペアが、通信システム内でデータがどのように符号化され、表現されるかについての事前の知識があるためです。すべてのデジタル通信システムでは、送信側の変調器と受信側の復調器は両方とも、逆の動作を実行するように構成されています。

非同期方式では、送信側の搬送波信号と位相同期した受信側基準クロック信号は必要ありませんこの場合、変調シンボル (ビット、文字、データ パケットではなく) が非同期で転送されます。その反対は同期変調です。

一般的なデジタル変調技術のリスト

最も一般的なデジタル変調技術は次のとおりです。

MSKGMSK は連続位相変調の特殊なケースです。実際、MSKは、連続位相周波数シフト キーイング(CPFSK)として知られる CPM のサブファミリーの特別なケースであり、1 シンボル時間の持続時間の方形周波数パルス (つまり、直線的に増加する位相パルス) によって定義されます (合計応答シグナリング)。

OFDM は周波数分割多重(FDM)の概念に基づいていますが、多重化されたストリームはすべて 1 つの元のストリームの一部です。ビット ストリームはいくつかの並列データ ストリームに分割され、それぞれが従来のデジタル変調方式を使用して独自のサブキャリア上で転送されます。変調された副搬送波が加算されて、OFDM 信号が形成されます。この分割と再結合は、チャネル障害の処理に役立ちます。OFDM は、いわゆる OFDM シンボルの 1 つのシーケンスを使用して 1 つの通信チャネル上で 1 つのビット ストリームを転送するため、多重化技術ではなく変調技術とみなされます。OFDM は、直交周波数分割多元接続(OFDMA)におけるマルチユーザーチャネル アクセス方式に拡張できます。マルチキャリア符号分割多元接続(MC-CDMA) 方式。異なるサブキャリアまたは拡散コードを異なるユーザーに与えることで、複数のユーザーが同じ物理媒体を共有できるようになります。

2 種類のRF パワー アンプのうち、スイッチング アンプ(クラス D アンプ) は、同じ出力電力のリニア アンプよりもコストが低く、バッテリー消費量も少なくなります。ただし、これらは角度変調 (FSK または PSK) やCDMAなどの比較的定振幅の変調信号でのみ機能し、QAM や OFDM では機能しません。それにもかかわらず、スイッチングアンプは通常の QAM コンステレーションにはまったく適していませんが、多くの場合、QAM 変調原理は、これらの FM およびその他の波形でスイッチングアンプを駆動するために使用され、場合によっては、これらのスイッチングアンプによって出力される信号を受信するために QAM 復調器が使用されます。

自動デジタル変調認識 (ADMR)

インテリジェント通信システムにおけるデジタル変調の自動認識は、ソフトウェア無線およびコグニティブ無線における最も重要な問題の 1 つですインテリジェント受信機の漸進的な拡大に伴い、自動変調認識は通信システムおよびコンピュータ工学における課題となるトピックとなっています。このようなシステムには多くの民間および軍事用途があります。さらに、変調タイプのブラインド認識は商用システム、特にソフトウェア無線において重要な問題です。通常、このようなシステムでは、システム構成のために追加の情報がいくつかありますが、インテリジェント受信機でのブラインドアプローチを考慮すると、情報の過負荷を軽減し、伝送パフォーマンスを向上させることができます。明らかに、送信データに関する知識がなく、信号電力、搬送波周波数と位相オフセット、タイミング情報など受信機での多くの未知のパラメータが存在するため、変調をブラインドで識別することはかなり困難になります。これは、マルチパス フェージング、周波数選択性、時間変動チャネルを伴う現実のシナリオではさらに困難になります。[2]

自動変調認識には 2 つの主なアプローチがあります。最初のアプローチでは、尤度ベースの方法を使用して、入力信号を適切なクラスに割り当てます。もう 1 つの最近のアプローチは、特徴抽出に基づいています。

デジタルベースバンド変調

デジタル ベースバンド変調は、ベースバンド信号、つまりより高い周波数の搬送波のない信号の特性を変更します。

これは、後で搬送周波数に周波数変換される等価信号として、またはベースバンドでの直接通信に使用できます。後者の方法はどちらも、ローカル バスでよく使用されるような比較的単純な回線コードと、 DSLで使用されるような複雑なベースバンド信号方式を必要とします。

パルス変調方式

パルス変調方式は、パルス波を変調することにより、狭帯域アナログ信号を 2 レベル信号としてアナログ ベースバンド チャネル上で転送することを目的としています。一部のパルス変調方式では、狭帯域アナログ信号を固定ビット レートのデジタル信号として (つまり、量子化された 離散時間信号として) 転送することもできます。これは、基盤となるデジタル伝送システム (回線など) を介して転送できます。コードこれらはチャネル符号化方式ではないため、従来の意味での変調方式ではありませんが、ソース符号化方式、場合によってはアナログデジタル変換技術 として考慮される必要があります。

アナログオーバーアナログ方式
デジタル方式よりアナログ方式

その他の変調テクニック

こちらも参照

参考文献

  1. ^ “変調方式 | エレクトロニクスの基礎 | ローム”. www.ローム.com 2020年5月15日に取得
  2. ^ ドブレ、オクタヴィア・A.、アリ・アブディ、イェヘスケル・バー=ネス、ウェイ・スー。通信、IET 1、いいえ。2 (2007): 137–156。(2007)。「自動変調分類技術の調査: 古典的なアプローチと新しいトレンド」(PDF)IETコミュニケーションズ1 (2): 137-156。土井:10.1049/iet-com:20050176。 {{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  3. ^ リン、ジェームス C. (2021 年 8 月 20 日)。マイクロ波放射の聴覚への影響シカゴ:スプリンガー。p. 326.ISBN _ 978-3030645434
  4. ^ ドン、ジュストセン (1975 年 3 月 1 日)。「マイクロ波と行動」(PDF)アメリカの心理学者ワシントン DC: アメリカ心理学会。2016 年 9 月 10 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました2021 年10 月 5 日に取得
  5. ^ ドン、ジュストセン (1975 年 3 月 1 日)。「マイクロ波と行動」。アメリカの心理学者Vol. 30、いいえ。3. ワシントン DC: アメリカ心理学会。391–401ページ。土井:10.1037/0003-066x.30.3.391。PMID  1137231 2021 年10 月 15 日に取得

参考文献

  • 乗算器と変調器のアナログ対話、2013 年 6 月

外部リンク

  • シュトゥットガルト大学電気通信研究所の Web デモでの AWGN チャネルのソフト デマッピングのインタラクティブなプレゼンテーション
  • モデム (変調と復調)
  • CodSim 2.0: デジタル データ通信モデルのオープン ソース仮想研究所、マラガ大学コンピューター アーキテクチャ学部。デジタル ライン エンコーディングとデジタル変調をシミュレートします。あらゆる Web ブラウザ用の HTML で記述されています。