Istnieje wiele rodzajów modulacji cyfrowych. Sprowadzają się one do zastąpienia większej liczby bitów sygnałem będącym wycinkiem sygnału sinusoidalnego lub impulsem prostokątnym. Utworzony w ten sposób sygnał ma pewne widmo, które w maksymalny sposób powinno być dopasowane do przepustowości kanału transmisyjnego, co jest jednym z celów zastosowania modulacji. Modulacja cyfrowa powinna być w maksymalnym stopniu odporna na zakłócenia, tak by po stronie odbiorczej wiernie odtworzyć przesyłaną sekwencję bitów.
Powszechnie wykorzystywane w technikach łączności bezprzewodowej modulacje cyfrowe, to modulacja ASK (Amplitude-Shift Keying), PSK (Phase-Shift Keying), FSK (Frequency-Shift Keying) i QAM (Quadrature Amplitude Modulation). W systemach modulacji cyfrowych informacja o sygnale jest przesyłana do odbiornika w postaci ciągu impulsów, których amplituda (ASK), faza (PSK) lub częstotliwość (FSK) jest uzmienniana w zależności od transmitowanej informacji. W praktyce stosuje się również różne warianty podstawowych rodzajów modulacji cyfrowych, np. CPFSK, MSK, BPSK, DPSK, wielowartościowe kwadraturowe modulacje fazy i amplitudy QPSK, QAM.
W użytkowanych dziś systemach łączności najczęściej stosowana jest modulacja PSK z kluczowaniem fazy i jej odmiany. Kluczowanie oznacza, że proces modulacji polega na przełączaniu parametru sygnału okresowego, którym w tym przypadku jest faza. Dane są reprezentowane za pośrednictwem dyskretnych zmian fazy fali nośnej. Liczba takich zmian może być dowolna i z reguły jest równa potędze liczby 2 – w ten sposób rozróżnia się podrodzaje modulacji PSK, którymi są na przykład BPSK i jej odmiana DBPSK oraz QPSK i jej odmiana DQPSK. W przypadku PSK używana jest skończona liczba faz sygnału, a każdej z nich przypisany jest unikatowy układ bitów. Zazwyczaj każda faza dekoduje tę samą liczbę bitów, a każda sekwencja bitów tworzy symbol reprezentowany przez pojedynczą fazę. Demodulator, specjalnie dopasowany do sekwencji symboli, które tworzy modulator, określa fazę otrzymanego sygnału i na tej podstawie odtwarza oryginalne dane. Metoda ta wymaga specjalnego sygnału odniesienia, do którego odbiornik mógłby porównać sygnał otrzymany w celu określenia fazy. Takie systemy nazywane są systemami koherentnymi. Zamiast przyporządkowywać każdemu układowi bitów konkretną fazę, można również nadawać im odpowiednią jej zmianę. Demodulator będzie wtedy wykrywał zmiany fazy w nadawanym sygnale, a nie samą fazę. System taki nazywany jest różnicowym PSK, ponieważ metoda polega na obliczaniu różnicy między kolejnymi fazami. Metoda ta jest łatwiejsza w implementacji, ponieważ niepotrzebny jest w niej sygnał odniesienia, z drugiej zaś strony produkuje ona więcej błędów.
Graficznym odzwierciedleniem sygnału poddanego modulacji cyfrowej jest umieszczony w przestrzeni liczb zespolonych tzw. diagram konstelacji, składający się z punktów konstelacyjnych. Na jego podstawie można ocenić jakość transmitowanego sygnału. Sygnał zmodulowany, który został poddany procesowi transmisji, oprócz informacji użytecznej zawiera także szumy, zakłócenia i interferencje. Aby demodulator poprawnie zdemodulował bit sygnału użytecznego, odebrany symbol musi zostać dopasowany do właściwego punktu konstelacyjnego (bitu). W innym razie odebrany sygnał będzie przekłamany. Poniższa grafika przedstawia diagram konstelacji idealnego sygnału użytecznego (po lewej) oraz sygnału przekłamanego – na podstawie modulacji 8-PSK.
Najprostszą formą modulacji PSK jest BPSK (Binary Phase Shift Keying), w której faza może przyjmować jedną z dwóch wartości przesuniętych względem siebie o 180° reprezentując logiczne „0” lub „1”. W tej modulacji dane binarne są poddawane bezpośredniemu kodowaniu – poziomom logicznym odpowiadają dwa różne napięcia o różnej polaryzacji. Przemnożenie otrzymanego sygnału z sygnałem nośnej daje na wyjściu modulatora pożądaną falę BPSK. Odebrany z kanału radiowego sygnał BPSK zostaje podany na wejście korelatora, który składa się z układu mnożącego i układu całkującego. Sygnał po wyjściu z korelatora poddawany jest komparacji z poziomem progowym, w celu otrzymania sygnału binarnego. W przypadku braku sygnału BPSK na wejściu demodulatora, na wyjściu komparatora pojawi się losowa sekwencja binarna, powstała w wyniku komparacji szumu własnego odbiornika oraz odebranego szumu z kanału radiowego.
Kolejną odmianą jest modulacja DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) – różnicowa binarna modulacja z kluczowaniem fazy) – analogicznie jak BPSK w modulacji tej także stosuje się dwie wartości, jakie może przyjąć faza: –180° i +180°; w kodzie binarnym to logiczne „0” lub „1”. Różnica pomiędzy BPSK a DBPSK kryje się w przesyłanej informacji, którą nie jest już faza, jak w BPSK, ale informacja o zmianie fazy sygnału nośnego. Diagram konstelacji DBPSK jest identyczny jak diagram konstelacji BPSK, ponieważ obie modulacje są binarnymi. Jeden punkt konstelacyjny (jedna cyfrowa/binarna wartość zmiany fazy) zakodowany jest w jednym bicie „0” lub „1”. Prędkość modulacji BPSK i DBPSK jest równa i wynosi 1 Mbit/s. Modulacje BPSK i DBPSK stosowane są w routerach Wi-Fi oraz w punktach dostępowych.
Bardziej rozwojowymi wariantami modulacji PSK są QPSK i DQPSK. QPSK (ang. Quadrature Phase Shift Keying), to modulacja polegająca na dwubitowym kodowaniu transmitowanego sygnału na 4 ortogonalnych przesunięciach fazy. Ta modulacja charakteryzuje się czterema wartościami przesunięć fazy, które mogą wynosić –45°, –135°, +45° oraz +135° (przesunięcie co 90°), co w kodzie binarnym zostało zapisane na dwóch bitach: 00, 01, 11 lub 10.
Modulacja DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying różnicowa kwadraturowa modulacja z kluczowaniem fazy) – podstawowa różnica między QPSK a DQPSK sprowadza się do tego, że w punktach konstelacyjnych jest zapisana informacja o zmianie fazy sygnału nośnego (nie o fazie – jak w przypadku QPSK). Diagram konstelacji DQPSK jest identyczny z diagramem konstelacji QPSK, ponieważ obie modulacje są kwadraturowe. Jeden punkt konstelacyjny jest zakodowany w dwóch bitach wynoszących 00, 01, 11 lub 10. Odbiornik DQPSK jest skonstruowany tak, że porównuje fazę aktualnego sygnału z sygnałem uprzednio odebranym. Jeśli okaże się, że faza nie zmieniała się, sygnał zapamiętany zostanie jako punkt 00 w diagramie konstelacji (logiczne zero). Natomiast jeżeli faza się zmieni, to sygnał zapamiętany zostanie jako 01, 11 lub 10 w zależności od wartości zmiany fazy. Modulacje kwadraturowe (QPSK/DQPSK) wyróżniają się zastosowaniem dwóch niezależnych nośnych, dlatego ich diagramy konstelacji zawierają dwa razy więcej punktów konstelacyjnych niż modulacje binarne (BPSK/DBPSK). Stosuje się je w routerach Wi-Fi, punktach dostępowych, oraz w technice nadawczej naziemnej telewizji DVB-T.
Warto wspomnieć również o modulacji QAM. To kwadraturowa modulacja amplitudowo-fazowa służąca do przesyłania danych cyfrowych przez kanał radiowy, stosowana m.in. w transmisjach DVB. Modulacja QAM jest połączeniem modulacji amplitudy i modulacji fazy. Dane formowane są w dwójki, trójki, czwórki itd., które odpowiadają zarówno amplitudzie, jak i fazie. Tworzone są według diagramu konstelacji (ang. constellation diagram). Sygnał QAM jest kombinacją liniową dwóch ortogonalnych przebiegów (przesuniętych w fazie o π/2): kosinusoidalnego i sinusoidalnego. Dane w postaci cyfrowej dzielone są na dwa strumienie, a następnie każdy strumień zamienianyjest na sygnał analogowy w przetworniku cyfrowo-analogowym. Analogowy sygnał może następnie przechodzić przez filtr dolnoprzepustowy (ang. Low Pass Filter). W kolejnym etapie jeden sygnał mnożony jest przez nośną (ang. carrier), a drugi przez nośną przesuniętą w fazie o π/2, by w końcu obydwa sygnały zostały zsumowane i wysłane jako sygnał QAM.
MACIEJ SKORASZEWSKI, Biuro PTPiREE
