Vergelijking en contrasterende amplitude-, frequentie- en fasemodulatie

Radiofrequentiemodulatie

Hoe verhouden de verschillende modulatieschema's zich qua prestaties en toepassingen? Laten we kijken.

Het is belangrijk om de meest opvallende kenmerken van de drie typen RF-modulatie te begrijpen. Maar deze informatie staat niet op zichzelf - het doel is om echte systemen te ontwerpen die effectief en efficiënt voldoen aan de prestatiedoelstellingen. We moeten dus een algemeen idee hebben van welk modulatieschema geschikt is voor een bepaalde toepassing.

Amplitude Modulatie
Amplitudemodulatie is eenvoudig in termen van implementatie en analyse. AM-golfvormen zijn ook vrij eenvoudig te demoduleren. 

Al met al kan AM dus worden gezien als een eenvoudig, goedkoop modulatieschema. Zoals gewoonlijk gaan eenvoud en lage kosten echter gepaard met prestatiecompromissen. We verwachten nooit dat de eenvoudigere, goedkopere oplossing de beste is.

Het is misschien niet juist om AM-systemen als "zeldzaam" te omschrijven, aangezien talloze voertuigen over de hele wereld AM-ontvangers bevatten. De toepassingen van analoge amplitudemodulatie zijn momenteel echter vrij beperkt, omdat AM twee belangrijke nadelen heeft.

 

Amplitude ruis
Ruis is een voortdurend probleem bij draadloze communicatiesystemen. In zekere zin kan de kwaliteit van een RF-ontwerp worden samengevat door de signaal-ruisverhouding van het gedemoduleerde signaal: minder ruis in het ontvangen signaal betekent een uitvoer van hogere kwaliteit (voor analoge systemen) of minder bitfouten (voor digitale systemen). Ruis is altijd aanwezig en we moeten het altijd erkennen als een fundamentele bedreiging voor de algehele prestaties van het systeem.

Ruis - willekeurige elektrische ruis, interferentie, elektrische en mechanische transiënten - werkt op de sterkte van een signaal. Met andere woorden, ruis kan amplitudemodulatie creëren. Dit is een probleem, aangezien de willekeurige amplitudemodulatie als gevolg van ruis niet kan worden onderscheiden van de opzettelijke amplitudemodulatie die door de zender wordt uitgevoerd. Ruis is een probleem voor elk RF-signaal, maar AM-systemen zijn bijzonder gevoelig.

Versterker Lineariteit
Een van de belangrijkste uitdagingen bij het ontwerp van RF-vermogensversterkers is lineariteit. (Meer specifiek is het moeilijk om zowel een hoog rendement als een hoge lineariteit te bereiken.) Een lineaire versterker past een bepaalde vaste versterking toe op het ingangssignaal; in grafische termen is de overdrachtsfunctie van een lineaire versterker gewoon een rechte lijn, waarbij de helling overeenkomt met de versterking.


Een rechte lijn vertegenwoordigt de respons van een perfect lineaire versterker: de uitgangsspanning is altijd de ingangsspanning vermenigvuldigd met een vaste versterking.

Real-life versterkers hebben altijd een zekere mate van niet-lineariteit, wat betekent dat de versterking die op het ingangssignaal wordt toegepast, wordt beïnvloed door de kenmerken van het ingangssignaal. Het resultaat van niet-lineaire versterking is vervorming, dwz de creatie van spectrale energie bij harmonische frequenties.

We kunnen ook zeggen dat niet-lineaire versterking een vorm van amplitudemodulatie is. Als de versterking van een versterker varieert in overeenstemming met de frequentie van het ingangssignaal, of in overeenstemming met externe factoren zoals temperatuur of voedingsomstandigheden, ondergaat het verzonden signaal onbedoelde (en ongewenste) amplitudemodulatie. 

Dit is een probleem in AM-systemen omdat de onechte amplitudemodulatie interfereert met de opzettelijke amplitudemodulatie.

Elk modulatieschema dat amplitudevariaties bevat, is gevoeliger voor de effecten van niet-lineariteit. Dit omvat zowel gewone analoge amplitudemodulatie als de veelgebruikte digitale schema's die gezamenlijk bekend staan ​​als kwadratuuramplitudemodulatie (QAM).

Hoekmodulatie

Frequentie- en fasemodulatie coderen informatie in de temporele kenmerken van het uitgezonden signaal, en zijn bijgevolg robuust tegen amplituderuis en niet-lineariteit van de versterker. 

De frequentie van een signaal kan niet worden gewijzigd door ruis of vervorming. Er kan aanvullende frequentie-inhoud worden toegevoegd, maar de oorspronkelijke frequentie blijft aanwezig. Ruis heeft natuurlijk negatieve effecten op FM- en PM-systemen, maar de ruis corrumpeert niet direct de signaalkarakteristieken die werden gebruikt om de basisbandgegevens te coderen.

Zoals hierboven vermeld, houdt het ontwerp van een eindversterker een afweging in tussen efficiëntie en lineariteit. Hoekmodulatie is compatibel met lage-lineariteitsversterkers, en deze lage-lineariteitsversterkers zijn efficiënter in termen van stroomverbruik. Hoekmodulatie is dus een goede keuze voor RF-systemen met laag vermogen.

bandbreedte
De frequentiedomeineffecten van amplitudemodulatie zijn eenvoudiger dan die van frequentie- en fasemodulatie. Dit kan als een voordeel van AM worden beschouwd: het is belangrijk om de bandbreedte te kunnen voorspellen die wordt ingenomen door het gemoduleerde signaal.

De moeilijkheid om de spectrale kenmerken van FM en PM te voorspellen is echter relevanter voor het theoretische gedeelte van het ontwerp. 

Als we ons concentreren op praktische overwegingen, zou hoekmodulatie als voordelig kunnen worden beschouwd omdat het een gegeven basisbandbandbreedte kan vertalen naar een iets kleinere (vergeleken met AM) transmissiebandbreedte.

Frequentie versus fase
Frequentiemodulatie en fasemodulatie zijn nauw verwant; toch zijn er situaties waarin de een een betere keuze is dan de ander. De verschillen tussen de twee zijn meer uitgesproken met digitale modulatie.

Analoge frequentie- en fasemodulatie
Zoals we zagen op de pagina over fasemodulatie, is een PM-golfvorm, wanneer het basisbandsignaal een sinusoïde is, gewoon een verschoven versie van een overeenkomstige FM-golfvorm. Het is dan ook niet verwonderlijk dat er geen grote FM- versus PM-voor- en nadelen zijn met betrekking tot spectrale kenmerken of ruisgevoeligheid.

Analoge FM komt echter veel vaker voor dan analoge PM, en de reden is dat FM-modulatie- en demodulatiecircuits eenvoudiger zijn. 

Frequentiemodulatie kan bijvoorbeeld worden bereikt met zoiets eenvoudigs als een oscillator die is opgebouwd rond een inductor en een spanningsgestuurde condensator (dwz een condensator die capaciteitsvariaties ervaart als reactie op de spanning van een basisbandsignaal).

Digitale frequentie- en fasemodulatie
De verschillen tussen PM en FM worden behoorlijk significant wanneer we het rijk van digitale modulatie betreden. De eerste overweging is het aantal bitfouten. Het is duidelijk dat de bitfoutenkans van elk systeem afhangt van verschillende factoren, maar als we een binair PSK-systeem wiskundig vergelijken met een equivalent binair FSK-systeem, vinden we dat binaire FSK aanzienlijk meer zendenergie nodig heeft om dezelfde bitfoutenkans te bereiken. Dit is een voordeel van digitale fasemodulatie.

Maar gewone digitale PM heeft ook twee belangrijke nadelen.

Zoals besproken op de pagina over digitale fasemodulatie, is gewone (dwz niet-differentiële) PSK niet compatibel met niet-coherente ontvangers. FSK vereist daarentegen geen coherente detectie.

Gewone PSK-schema's, met name QPSK, omvatten abrupte faseveranderingen die resulteren in signaalvariaties met een hoge helling, en delen met een hoge helling van de golfvorm nemen af ​​in amplitude wanneer het signaal wordt verwerkt door een laagdoorlaatfilter. 

Deze amplitudevariaties in combinatie met niet-lineaire versterking leiden tot een probleem dat spectrale hergroei wordt genoemd. Om spectrale hergroei te verminderen, kunnen we een meer lineaire (en dus minder efficiënte) eindversterker gebruiken of een gespecialiseerde versie van PSK implementeren. Of we kunnen overschakelen naar FSK, waarvoor geen abrupte faseveranderingen nodig zijn.

 

Hier ziet u amplitudevariaties veroorzaakt door laagdoorlaatfiltering van een PSK-signaal.

Samengevat

*Amplitudemodulatie is eenvoudig, maar is gevoelig voor ruis en vereist een eindversterker met hoge lineariteit.

*Frequentiemodulatie is minder gevoelig voor amplituderuis en kan worden gebruikt met versterkers met een hoger rendement en lagere lineariteit.

*Digitale fasemodulatie biedt betere theoretische prestaties in termen van bitfoutpercentage dan digitale frequentiemodulatie, maar digitale FM is voordelig in systemen met een laag vermogen omdat er geen versterker met hoge lineariteit voor nodig is.

Laat een bericht achter 

Message List