変調

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データとキャリアタイプに基づく信号変調の分類

電子機器電気通信では変調とは、搬送波信号と呼ばれる周期的な波形の1つまたは複数の特性を、通常は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。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2桁のシーケンスを表すデジタル信号、ビットストリームである可能性があります。コンピューターから。搬送波は、変調信号よりも周波数が高くなっています。変調の目的は、情報を別の場所に運ぶために使用される搬送波に情報を印象付けることです。無線通信では、変調された搬送波が電波として宇宙を介し無線受信機に送信されます。もう1つの目的は、周波数分割多重(FDM)を使用して、単一の通信媒体を介して複数のチャネルの情報を送信することです。たとえば、FDMを使用するケーブルテレビでは、それぞれが異なるテレビチャンネルで変調された多くのキャリア信号があります。、1本のケーブルでお客様に輸送されます。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、キャリア信号が復調されて、情報を含む変調信号が抽出されます。

変調器は、変調を実行するデバイスまたは回路です。復調器(場合によっては検出器)は、変調の逆である復調実行する回路です。双方向通信で使用されるモデム(modulator– dem odulatorから)は、両方の操作実行できます変調信号が占める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より高い周波数帯域は通過帯域と呼ばれます。

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。例としては、変調信号によって搬送波の振幅(強度)を変化させる振幅変調(AM)や、変調信号によって搬送波の周波数を変化させる周波数変調(FM)などがあります。これらは最も初期の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、 2進数のシーケンスで構成されるデジタル信号を印加するデジタル変調を使用しています。(ビット)、ビットストリーム、キャリア上。コンピュータバステレメトリで使用される周波数シフトキーイング(FSK)変調ではキャリア信号は2つの2桁を表す2つの周波数間で周期的にシフトされます。シリアルコンピュータバスケーブルおよびイーサネットなどの有線LANコンピュータネットワークでデータを送信するために使用されるデジタルベースバンド変調ラインコーディング) 、ライン上の電圧は、2つの2桁の0と1を表す2つの振幅(電圧レベル)の間で切り替えられ、キャリア(クロック)周波数がデータと結合されます。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方式(OFDM)は、WiFiネットワーク、デジタルラジオ局、およびデジタルケーブルテレビ伝送で使用されます。

音楽制作では、モジュレーションという用語は別の意味を持ちます。それは、オーディオ録音の動きと奥行きの感覚を再現するために、サウンドのプロパティを徐々に変化させるプロセスです。これには、ソース信号(変調器と呼ばれる)を使用して、さまざまな効果音や合成方法を通じて別の信号(キャリア)を制御することが含まれます。[1]歌手や他のボーカリストの場合、モジュレーションとは、パフォーマンス中にラウドネスやピッチなどの声の特性を変更することを意味します。

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電波によって運ばれる場合があります。
1,000Hzの正弦波による振幅変調を使用した146.52MHzの無線キャリアのウォーターフォールプロット。搬送周波数から+ 1kHzと-1kHzの2つの強い側波帯が示されています。
1,000Hzの正弦波によって周波数変調された搬送波。変調指数約2.4に調整されているため、搬送周波数の振幅は小さくなっています。いくつかの強力な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、変調はアナログ情報信号に応答して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、搬送波信号の振幅は、変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します)
  • ほぼ一定のエンベロープである角度変調
    • 周波数変調(FM)(ここでは、搬送波信号の周波数は、変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します)
    • 位相変調(PM)(ここでは、搬送波信号の位相シフトは、変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します)
    • Transpositional Modulation(TM)。波形の変化が変更され、変調プロセスで各1/4サイクルが転置される信号が生成されます。TMは疑似アナログ変調(AM)です。AMキャリアが位相可変位相f(ǿ)も運ぶ場合。TMはf(AM、ǿ)です

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は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と見なすことができ、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見なすことができます。キャリア信号の変化は、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概略図。

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で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。4つの代替シンボル(一度に1つずつ4つの異なるトーンを生成できる楽器に対応)がある場合、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を表す場合があります。 1000トーン/秒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)は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、つまり毎秒2000ビットです。

デジタル信号の1つの定義によれば[2]変調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形態です。ほとんどの教科書は、デジタル変調方式をデータ伝送の同義語であるデジタル伝送の形式と見なします。アナログ伝送と見なす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(またはI、一例は正弦波形)と直交位相信号(またはQ、例は正弦波)は、有限数の振幅で振幅変調されてから合計されます。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見なすことができます。結果として得られる信号は、PSKとASKの組み合わせに相当します。

上記のすべての方法で、これらの位相、周波数、または振幅のそれぞれに、バイナリ ビットの一意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、または振幅で表される シンボルを構成します。

アルファベットが代替シンボル。各シンボルは、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(ボーレートも呼ばれます)がシンボル/秒(またはボー)、データレートはビット/秒。

たとえば、16個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。

変調信号の搬送周波数が一定であるPSK、ASK、またはQAMの場合、変調アルファベットは x軸でのI信号の振幅と、各シンボルのy軸のQ信号。

変調器と検出器の動作原理

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、複素数値の信号I + jQj虚数単位)に組み合わせることが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、実数値の変調された物理信号(いわゆる通過帯域信号またはRF信号)の複素数値表現です。

これらは、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. 着信データビットを、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にマップします。たとえば、I信号とQ信号(同等のローパス信号)の振幅、または周波数または位相の値などです。
  3. 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、通常はデジタル信号処理を使用して、同等の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(今日から、上記のすべては通常、デジタル信号処理、DSPを使用して実現されます)。
  5. 高周波の正弦波搬送波と、おそらく余弦の直交成分も生成します。たとえば、正弦波形と余弦波形にI信号とQ信号を乗算し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。これは、DSPテクノロジーを使用して実現される場合があります。たとえば、アナログ信号処理の代わりに、波形テーブルを使用したダイレクトデジタルシンセシスです。その場合、上記のDACステップはこのステップの後に実行する必要があります。
  6. 高調波歪みと周期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。

受信機側では、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. 自動利得制御、AGC(減衰、たとえばフェージングを補正するため)。
  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る、RF信号の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)信号への周波数シフト(スーパーヘテロダイン受信機の原理を参照)。
  4. サンプリングおよびアナログ-デジタル変換(ADC)(たとえば、アンダーサンプリングによる上記のポイントの前または代わりに)。
  5. シンボル間干渉とシンボル歪みを回避するための、整合フィルター、マルチパス伝搬の補償、時間拡散、位相歪み、周波数選択性フェージングなどのイコライゼーションフィルタリング。
  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、許可されている最も近いシンボル値に量子化します。
  8. 量子化された振幅、周波数、または位相のコードワード(ビットグループ)へのマッピング。
  9. コードワードのビットストリームへのパラレルからシリアルへの変換。
  10. 結果のビットストリームを渡して、エラー訂正コードの削除などのさらなる処理を行います。

すべてのデジタル通信システムに共通しているように、変調器と復調器の両方の設計は同時に行う必要があります。送信機と受信機のペアは、通信システムでデータがどのようにエンコードおよび表現されるかについて事前に知っているため、デジタル変調方式が可能です。すべてのデジタル通信システムでは、送信機の変調器と受信機の復調器の両方が、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、送信側のキャリア信号と位相同期された受信側の基準クロック信号は必要ありませんこの場合、(ビット、文字、またはデータパケットではなく)変調シンボルが非同期に転送されます。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、連続位相変調の特定のケースです。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定のケースであり、1シンボル時間の持続時間の長方形の周波数パルス(つまり、線形に増加する位相パルス)によって定義されます(トータルレスポンスシグナリング)。

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、単一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を介して転送されます。変調されたサブキャリアは合計されてOFDM信号を形成します。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つの通信チャネルを介して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見なされます。OFDMは、直交周波数分割多元接続(OFDMA)およびマルチキャリア符号分割多元接続(MC-CDMA)スキーム。異なるサブキャリアを提供したり、異なるユーザーにコードを拡散したりすることで、複数のユーザーが同じ物理メディアを共有できるようにします。

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、同じ出力パワー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て済みます。ただし、これらは角度変調(FSKまたはPSK)やCDMAなどの比較的一定の振幅変調信号でのみ機能し、QAMやOFDMでは機能しません。それでも、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変調原理を使用してこれらのFMおよびその他の波形でスイッチングアンプを駆動し、QAM復調器を使用してこれらのスイッチングアンプから出力される信号を受信することもあります。

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自動デジタル変調認識は、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広がりによると、自動変調認識は、通信システムおよびコンピュータエンジニアリングにおいて挑戦的なトピックになります。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では重要な問題です。通常、このようなシステムでは、システム構成に関する追加情報がいくつかありますが、インテリジェントレシーバーでのブラインドアプローチを考慮すると、情報の過負荷を減らし、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、送信データの知識がなく、信号電力、搬送周波数と位相オフセット、タイミング情報などの受信機での多くの未知のパラメータがないため、変調のブラインド識別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、および時変チャネルを使用する実際のシナリオではさらに困難になります。[3]

自動変調認識には、主に2つのアプローチがあります。最初のアプローチでは、尤度ベースのメソッドを使用して、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またはラインコーディング

デジタルベースバンド変調(またはデジタルベースバンド伝送)という用語は、ラインコードと同義です。これらは、ケーブルまたはシリアルバスの電圧または電流を直接変調することにより、パルス列、つまり離散数の信号レベルを使用して、アナログベースバンドチャネル(別名ローパスチャネル)を介してデジタルビットストリームを転送する方法です。一般的な例は、ユニポーラ非ゼロ復帰(NRZ)、マンチェスター、および代替マーク反転(AMI)コーディングです。[4]

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、アナログベースバンドチャネルを介して狭帯域アナログ信号を2レベル信号として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、たとえば一部の回線を介して転送できます。コードこれらはチャネルコーディング方式ではないため、従来の意味での変調方式ではありませんが、ソースコーディング方式、場合によってはアナログ-デジタル変換技術 と見なす必要があります。

アナログオーバーアナログ方式

アナログオーバーデジタル方式

その他の変調技術

も参照してください

参考文献

  1. ^ Rory PQ(2019年5月8日)。「変調とは何ですか、それはあなたの音楽をどのように改善しますか」アイコンコレクティブ2020年8月23日取得
  2. ^ 「変調方式|電子工学の基礎|ローム」www.rohm.com 2020年5月15日取得
  3. ^ Dobre、Octavia A.、Ali Abdi、Yeheskel Bar-Ness、WeiSu。コミュニケーション、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傾向」(PDF)IETコミュニケーション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
  4. ^ Ke-Lin Du&MNS Swamy(2010)。無線通信システム:RFサブシステムから4G対応技術までケンブリッジ大学出版局。p。188. ISBN  978-0-521-11403-5
  5. ^ Lin、James C.(2021年8月20日)。マイクロ波放射の聴覚効果シカゴ:スプリンガー。p。326. ISBN 978-3030645434
  6. ^ Justesen、Don(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2021年10月5日取得
  7. ^ Justesen、Don(1975年3月1日)。「マイクロ波と振る舞い」アメリカの心理学者ワシントンDC:アメリカ心理学会2021年10月15日取得

さらに読む

外部リンク