Modulacija

Modulacija je proces u kojem signal informacije mijenja drugi signal više frekvencije, takozvani nosilac, da bi se omogućio prenos.

Prikaz modulacije. Na vrhu - signal informacije. Sredina - amplitudno modulirani nosilac. Dno - frekventno modulirani nosilac.

Nosilac ili noseća frekvencija je obično sinusoidalni talas stvoren u oscilatoru. I nosilac i signal informacije se uvode u modulator, i tu signal informacije mijenja nosilac na neki način. Modulirani nosilac je tad pojačan i poslat u antenu ili kabl za prenos.

U prijemniku, antena prima modulirani signal koji je zatim pojačan i procesiran. Šalje se u demodulator (detektor) na čijem izlazu se dobija originalni signal informacije.

Mogući oblici modulacije

Razmotrimo matematički izraz za sinusoidalni talas:

v = Vp sin (2πft+θ) ili

v = Vp sin (ωt+θ)

gde je

• v = trenutna vrijednost sinusoidalnog napona
• Vp = vršna vrijednost sinusoidalnog napona
• f = frekvencija (Hz)
• ω = 2πf = ugaona brzina
• t = vrijeme (s)
• ωt = 2πft = ugao u radijanima
• θ = fazni ugao

Iz ovoga možemo vidjeti da postoje tri načina modulacije, zavisno od toga na koji način se mijenja nosilac. To su amplitudna, frekventna i fazna modulacija.

Amplitudna modulacija

Glavni članak: Amplitudna modulacija

Kod amplitudne modulacije (AM), signal informacije mijenja amplitudu nosioca, dok frekvencija ostaje stalna. Komercijalne radio stanice na dugim, srednjim i kratkim talasima uglavnom koriste amplitudnu modulaciju. To je najstariji način modulacije.

Frekventna modulacija

Glavni članak: Frekventna modulacija

Frekventna modulacija (FM) mijenja frekvenciju nosioca u određenom opsegu, dok njegova amplituda ostaje konstantna. Komercijalne radio-stanice u opsegu ultrakratkih talasa (UKT) koriste frekventnu modulaciju. Koristi se i za prenos zvuka u televizijskom sistemu.

Fazna modulacija

Glavni članak: Fazna modulacija

Fazna modulacija (PM) mijenja fazu noseće frekvencije, a pritom stvara i frekventnu modulaciju nosioca. Zbog toga je modulirani signal sličan frekventno-moduliranom signalu. FM i PM su forme uglovne modulacije (engl. angle modulation).

Metode digitalne modulacije

U digitalnoj modulaciji, analogni noseći signal je modulisan diskretnim signalom. Metode digitalne modulacije mogu se smatrati digitalno-analognom konverzijom, a odgovarajuća demodulacija ili detekcija analogno-digitalnom konverzijom. Promene u signalu nosioca biraju se od konačnog broja M alternativnih simbola (modulaciona abeceda).

Šema veze za prenos podataka od 4 baud, 8 bit/s koja sadrži proizvoljno izabrane vrednosti

Jednostavan primer: telefonska linija je dizajnirana za prenos čujnih zvukova, na primer, tonova, a ne digitalnih bitova (nula i jedinica). Računari mogu, međutim, da komuniciraju preko telefonske linije pomoću modema, koji predstavljaju digitalne bitove tonovima, koji se nazivaju simboli. Ako postoje četiri alternativna simbola (koji odgovaraju muzičkom instrumentu koji može da generiše četiri različita tona, jedan po jedan), prvi simbol može predstavljati niz bitova 00, drugi 01, treći 10 i četvrti 11. Ako modem reprodukuje melodiju koja se sastoji od 1000 tonova u sekundi, brzina simbola je 1000 simbola/sekundi, ili 1000 bodova. Pošto svaki ton (tj. simbol) predstavlja poruku koja se sastoji od dva digitalna bita u ovom primeru, brzina bitova je dvostruko veća od brzine simbola, odnosno 2000 bita u sekundi.

Prema jednoj definiciji digitalnog signala, modulisani signal je digitalni signal. Prema drugoj definiciji, modulacija je oblik digitalno-analogne konverzije. Većina udžbenika bi razmatrala digitalne modulacione šeme kao oblik digitalnog prenosa, sinonim za prenos podataka; malo ko bi ih smatrao analognim prenosom.

Fundamentalne metode digitalne modulacije

Najosnovnije tehnike digitalne modulacije zasnovane su na modulaciji:

• PSK (faza-pomeraj modulacija): koristi se konačan broj faza.
• FSK (frekvencija-pomeraj modulacija): koristi se konačan broj frekvencija.
• ASK (amplituda-pomeraj modulacija): koristi se konačan broj amplituda.
• QAM (kvadraturna amplitudna modulacija): koristi se konačan broj od najmanje dve faze i najmanje dve amplitude.

U QAM-u, signal u fazi (ili I, gde je jedan primer kosinusni talasni oblik) i signal kvadrature faze (ili Q, gde je primer sinusni talas) se amplitudno moduliraju sa konačnim brojem amplituda i zatim se sabiraju. Može se posmatrati kao dvokanalni sistem, svaki kanal koristi ASK. Dobijeni signal je ekvivalentan kombinaciji PSK i ASK.

U svim gore navedenim metodama, svakoj od ovih faza, frekvencijama ili amplitudama se dodeljuje jedinstveni obrazac binarnih bitova. Obično svaka faza, frekvencija ili amplituda kodira jednak broj bitova. Ovaj broj bitova sadrži simbol koji je predstavljen određenom fazom, frekvencijom ili amplitudom.

Ako se abeceda sastoji od alternativnih simbola $M=2^{N}$, svaki simbol predstavlja poruku koja se sastoji od N bitova. Ako je brzina simbola (poznata i kao brzina prenosa) $f_{S}$ simbola/sekundi (ili bodova), brzina prenosa podataka je $Nf_{S}$ bit/sekundi.

Na primer, sa abecedom koja se sastoji od 16 alternativnih simbola, svaki simbol predstavlja 4 bita. Dakle, brzina prenosa podataka je četiri puta veća od brzine prenosa podataka.

U slučaju PSK, ASK ili QAM, gde je noseća frekvencija modulisanog signala konstantna, modulaciona abeceda je često prikladno predstavljena na dijagramu konstelacije, pokazujući amplitudu I signala na x-osi i amplitudu Q signala na y-osi, za svaki simbol.

Razne tehnike modulacije

• Upotreba prekidnog tastera za prenos Morzeovog koda na radio frekvencijama poznata je kao rad na kontinuiranom talasu (CW).
• Adaptivna modulacija
• Prostorna modulacija je metoda kojom se signali moduliraju unutar vazdušnog prostora kao što je onaj koji se koristi u sistemima za instrumentalno sletanje.
• Mikrotalasni slušni efekat je pulsno modulisan sa audio talasnim oblicima kako bi se dočarali razumljivo izgovoreni brojevi.

Vidi još

• Demodulacija

Literatura

• Principles of Electronic Communication Systems, Louis E. Frenzel, Glencoe/McGraw-Hill. ISBN 9780-02-800409-9. str. 12-14.
• Bell Telephone Laboratories, Transmission Systems for Communications, 5th Edition, Holmdel, NJ, 1982, Chapter 6—Signal Conditioning, p.93.
• C. E. Shannon, A mathematical theory of communication, Bell System Technical Journal, vol. 27, pp. 379–423 and 623–656, (July and October, 1948)
• Amin Shokrollahi, LDPC Codes: An Introduction Arhivirano 2017-05-17 na sajtu Wayback Machine
• „Father Landell de Moura : Radio Broadcasting Pioneer : FABIO S. FLOSI : UNICAMP – University of Campinas, State of São Paulo” (PDF). Aminharadio.com. Arhivirano (PDF) iz originala 2022-10-09. g. Pristupljeno 15. 7. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Bray, John (2002). Innovation and the Communications Revolution: From the Victorian Pioneers to Broadband Internet. Inst. of Electrical Engineers. str. 59, 61—62. ISBN 0852962185. 
• A.P.Godse and U.A.Bakshi (2009). Communication Engineering. Technical Publications. str. 36. ISBN 978-81-8431-089-4. 
• Silver, Ward, ur. (2011). „Ch. 15 DSP and Software Radio Design”. The ARRL Handbook for Radio Communications (Eighty-eighth izd.). American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-096-0. 
• Silver, Ward, ur. (2011). „Ch. 14 Transceivers”. The ARRL Handbook for Radio Communications (Eighty-eighth izd.). American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-096-0. 
• Frederick H. Raab; et al. (maj 2003). „RF and Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies - Part 2”. High Frequency Design: 22ff. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Laurence Gray and Richard Graham (1961). Radio Transmitters. McGraw-Hill. str. 141ff. 
• Cavell, Garrison C. (2018). National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 11th Ed. Routledge. str. 1099ff. 
• US 4580111, Swanson, Hilmer, "Amplitude modulation using digitally selected carrier amplifiers", published 1986-04-01, assigned to Harris Corp 
• Newkirk, David and Karlquist, Rick (2004). Mixers, modulators and demodulators. In D. G. Reed (ed.), The ARRL Handbook for Radio Communications (81st ed.), pp. 15.1–15.36. Newington: ARRL. ISBN 0-87259-196-4.
• Bellis, Mary (2017-12-31). „History of the Modem”. ThoughtCo.com. Pristupljeno 2021-04-05. 
• „National Security Agency Central Security Service > About Us > Cryptologic Heritage > Historical Figures and Publications > Publications > WWII > Sigsaly – The Start of the Digital Revolution”. NSA.gov. Pristupljeno 2020-08-13. 
• Manjoo, Farhad (2009-02-24). „The unrecognizable Internet of 1996.”. Slate Magazine (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2020-08-10. 
• Brenner, Joanna. „3% of Americans use dial-up at home”. Pew Research Center (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2020-08-10. 
• Internet, Tamsin Oxford 2009-12-26T11:00:00 359Z (26. 12. 2009). „Getting connected: a history of modems”. TechRadar (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2018-12-12. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• „Computerworld”. Internet Archive (na jeziku: engleski). 1969-03-05. Pristupljeno 2020-08-13. 
• „Pennywhistle 103, modem kit 1976: : Free Download, Borrow, and Streaming”. Internet Archive (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2020-08-13. 
• „Bell 103A Interface Specifications” (PDF). 1967. 
• „Lockheed MAC 16 options reference manual”. Internet Archive (na jeziku: engleski). 1969-11-01. Pristupljeno 2020-08-14. 
• Enterprise, I. D. G. (1976-09-27). Computerworld (na jeziku: engleski). IDG Enterprise. 
• Jennings, Fred (1986). Practical data communications : modems, networks and protocols : Jennings, Fred : Free Download, Borrow, and Streaming. Internet Archive (na jeziku: engleski). ISBN 9780632013067. Pristupljeno 2020-08-14. 
• „Compute! Magazine Issue 012 : Free Download, Borrow, and Streaming”. Internet Archive (na jeziku: engleski). maj 1981. Pristupljeno 2020-08-14. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Enterprise, I. D. G. (1987-03-30). Computerworld (na jeziku: engleski). IDG Enterprise. 
• Held, Gilbert (2000). Understanding Data Communications: From Fundamentals to Networking Third Edition. New York: John Wiley & Sons Ltd. 

Spoljašnje veze

• Multipliers vs. Modulators Arhivirano na sajtu Wayback Machine (20. mart 2016) Analog Dialogue, June 2013
• Interactive presentation of soft-demapping for AWGN-channel in a web-demo Institute of Telecommunications, University of Stuttgart
• Modem (Modulation and Demodulation)
• CodSim 2.0: Open source Virtual Laboratory for Digital Data Communications Model Department of Computer Architecture, University of Malaga. Simulates Digital line encodings and Digital Modulations. Written in HTML for any web browser.
• Amplitude Modulation by Jakub Serych, Wolfram Demonstrations Project.
• Amplitude Modulation, by S Sastry.
• Amplitude Modulation, an introduction by Federation of American Scientists.
• Amplitude Modulation tutorial including related topics of modulators, demodulators, etc...
• Analog Modulation online interactive demonstration using Python in Google Colab Platform, by C Foh.