Basit bir şekilde açıklayın: sinyal modülasyonunun çalışma prensibi
Kablosuz veri iletiminin nasıl gerçekleştirileceğini anlamak için şunu anlamamız gerekir:
-
Frekans nedir?
-
Bilgi / veri sinyali
-
Zaman gösterimi
-
Frekans gösterimi, neden önemlidir?
-
Filtre nasıl çalışır?
-
FCC iletişim frekans bandı
-
Modülasyon ve demodülasyon
Bu konuları üniversite profesyonel kurslarında öğrenmiş olabilirsiniz (Wikipedia'da da bakabilirsiniz) ve bunlar büyük miktarda bilgi içerir. İleri proje grubundaki elektronik mühendisliği dışındaki öğrenciler için hazırladığım PPT'de bu konular birlikte tanıtıldı - öğrenciler konuştuğumuz "900MHz", "2.4GHz" veya "frekans atlama" terimlerini netleştirebilmeyi umuyorlar. . Bu makale alanla sınırlıdır ve bu konuları tam ve ayrıntılı olarak açıklamak zordur.Profesyonel kurslarda yer alan birçok ayrıntıyı göz ardı eder ve yalnızca kablosuz iletim hakkında kavramsal açıklamalar sağlar.
Frekans nedir?
Frekans, ne sıklıkla salındığını veya tekrar ettiğini açıklayan bir terimdir Birim, hertz (Hz) veya saniyelerin tersidir. Saniyede 60 kez salınırsa frekansı 60 Hz'dir. Bu makalede, esas olarak ses dalgalarını (hava basıncındaki salınımlar) ve bunların radyo istasyonlarından araç radyonuza (veya herhangi bir AM radyo istasyonuna) yüzlerce kilohertz frekansında nasıl gittiğini tartışacağız. Herhangi bir dalganın bir frekansı vardır ve aynı şey ışık dalgaları için de geçerlidir. Işık dalgaları ve diğer yüksek frekans dalgaları (X ışınları, gama ışınları ve mikrodalgalar gibi) genellikle frekansla değil dalga boyu cinsinden ifade edilir. Örneğin, yeşil ışığın dalga boyu yaklaşık 400 nanometredir. Aşağıdaki şekil, hareket eden dalga birimleri arasındaki ilişkiyi göstermektedir:
Sinüs dalgasının temel birimi.
Sabit bir sinyal hızı, dalga boyu ve frekansın dönüştürülebileceğini varsayarsak bu, bu makalenin kapsamı dışındadır.
Farklı karmaşıklıktaki bilgi sinyalleri
Saf sinüs dalgası sinyali gönderirseniz ("ses" olarak adlandırılır). Herhangi bir gerçek bilgi taşımıyor ve kulağa hoş gelmiyor. Aşağıdaki şekil sinüs dalgasının bir görüntüsüdür X ekseni zaman ve Y ekseni voltajdır Bu 150 Hz referans sinyalidir.
Tek ses sinyali (zaman alanı)
Öyleyse neden bu resme bakalım? Zaman alanında artan karmaşıklığın sinyaline bakalım. Bu, çift tonlu bir sinyaldir (iki ton üst üste bindirilir). Bu sinüs dalgası, frekans çarpanı (300 Hz) olan başka bir sinüs dalgasının eklenmesi dışında önceki sinüs dalgasıyla aynıdır.
Çift ses sinyali (zaman alanı)
Öyleyse, farklı frekanslara sahip birden çok ses frekansından oluşan bir sinyal neye benzer?
Çok tonlu sinyal (zaman alanı)
Daha fazla hata olur. Bu grafikte görebileceğiniz tek gerçek bilgi, belirtilen süre boyunca voltaj seviyesidir. Bilginin doğası budur ve son derece önemlidir - ama aynı zamanda analizi karmaşıklaştırır ve modülasyonu anlamayı zorlaştırır. Bunun için sinyal görüntüsünü farklı bir şekilde (frekans alanı) çizmek isteyebilirsiniz. Sinyalin çeşitli frekanslar üzerindeki gücünü gösterir. Hadi bir bakalım.
Sinyalin frekans spektrumu neden önemlidir?
Çok sayıda sinyali frekans alanına dönüştürmek için, kesin matematiksel işlemler gereklidir. Bu görev çok zordur ve ustalaşmak için çok fazla hesaplama gerektirir. Hatta dönüştürme yeteneğimi geliştirmek için bu önemli sinyaller üzerinde düzenli olarak evrişim işlemleri gerçekleştiriyorum. Her neyse, yukarıdaki üç sinyalin bu formda nasıl temsil edildiğine bir göz atalım (buradaki ara kesinti işlemlerini göz ardı edin). Artık sinyal voltajındaki değişimi zamanla değil, sinyal gücündeki değişikliği frekansla çiziyoruz.
Tek ses sinyali (frekans alanı)
Çift ses sinyali (frekans alanı)
Çok tonlu sinyal (frekans alanı)
Resimdeki belirgin sivri uçları fark ettiniz mi? Bu, belirli bir frekanstaki (X ekseni) bir sinüs dalgasının matematiksel temsilidir. İdeal olarak, bu sivri uçların sonsuz derecede dar (genişlik) ve sonsuz yükseklikte olması gerekir, ancak kullandığım Spice yazılımının teknik seviyesi ile sınırlı, mükemmel değildir. Bu tür sinyale nabız sinyali denir. Bu sinyalin ayrıntılı açıklaması için lütfen burayı okuyun! Bu ses için, 150 Hz'de frekans alanında bir artış görüyoruz. Çift tonlu sinyal, frekans alanında 150 Hz ve 300 Hz'de iki tepe noktasına sahiptir. Çoklu ses sinyalleri temelde zaman alanında yorumlanamaz Zaman alanı sinyalindeki birçok küçük artış, çoklu frekans noktalarından oluşur.
Son bir örnek, gerçek bir ses sinyali. Aşağıdaki resimde gösterildiği gibi, şarkıcı Cream'in "Beyaz Oda" şarkısını 15 saniye örnekledim. Uzun sinyal için endişelenmeyin Eric Clapton'ın gitar solosunda mikrofonların hiçbiri hasar görmedi.
ses sinyali
Çoğu sinyal, özellikle analog sinyaller bu şekilde görünür. İnsanların ve müzik aletlerinin sesleri ayrı frekanslarda çalınmaz ve frekans içerikleri frekans aralığı boyunca dağıtılır (bazı içerikler neredeyse duyulamaz olsa da). Bu aralık, yaklaşık olarak insan kulağının duyabileceği frekans aralığı olan 3 Hz ile 20 kHz arasındadır. Bas bölümü daha düşük bir frekansa ve tiz bölümü daha yüksek bir frekansa sahiptir. Y ekseni ölçeği dB cinsinden ifade edilir ve dB, birim içermeyen bir orandır. Esasen, dB değeri ne kadar yüksekse, o frekansa karşılık gelen sinyal o kadar yüksek olur.
Teorik olarak, bu analog sinyali temsil etmek için sayısız ses sinyalinin kümülatif toplamını kullanabiliriz.
filtre!
Neyse ki, frekans alanının grafik temsili, filtre tasarımı için biraz yardım sağlayabilir. Aşağıdakiler dahil dört tür filtre vardır:
-
Alçak geçiren filtre: "Kesme frekansı" ndan daha yüksek tüm frekanslar filtrelenir.
-
Yüksek geçiş filtresi: "Kesme frekansı" nın altındaki tüm frekanslar filtrelenir.
-
Bant geçiş filtresi: "Merkez frekanstan" belirli bir aralığın dışındaki tüm frekanslar filtrelenir.
-
Bant durdurma filtresi: "Merkez frekanstan" belirli bir aralıktaki tüm frekanslar filtrelenir.
Yukarıdan aşağıya: bant geçiş filtresi, düşük geçiş filtresi, yüksek geçiş filtresi
"3dB" noktası, sinyal çıkışının yaklaşık% 30 azaltıldığı yerdir. dB, logaritmik bir ölçektir:
x = 10 * günlük (x)
x = 10 ^ (x / 10)
Bu formüle göre, x = 0.7, karşılık gelen x yaklaşık -3.0 dB'dir, 0.7% 70'tir, yani sinyal% 30 oranında zayıflatılır ve karşılık gelen frekansa filtrenin kesme frekansı denir. Araç sesi pratik bir örnektir: Düşük frekansı woofer'a ve yüksek frekansı tweeter'a değiştirebilen özel bir filtre tasarımına sahip bir "crossover" içerebilir. Bu, kablosuz alıcılar için çok önemlidir.
FCC İletişim frekans bandı
FCC ve diğer uluslararası kuruluşlar, herhangi birinin herhangi bir frekansı istediği zaman kullanmasına izin verilirse, bunun kaçınılmaz olarak mutlak kaosa yol açacağını kabul eder. Bu nedenle, farklı kullanıcılara farklı frekans aralıkları atanmalıdır. Örneğin, FM radyo, AM radyo, WiFi, cep telefonları, deniz iletişimi, hava trafik kontrolü, amatör radyo, telsiz, askeri iletişim, polis telsizi ve diğer uygulamalar için farklı frekans bantları tahsis edilmiştir. Bu arada, henüz uydu veya uzay iletişiminden bahsetmedik! Bu gerçekten dağınık, FCC'nin yönetmesine yardımcı olması sayesinde. Merak ediyorsanız, Google'da da arama yapabilirsiniz ve hemen daha ayrıntılı bir tablo bulacaksınız.
FCC Spektrum Tahsis Tablosu
FCC, küçük ölçekli kişisel uygulamalar, amatör uygulamalar ve diğer geleneksel "ISM bandı" uygulamaları (endüstriyel, bilimsel ve tıbbi) için bazı frekans bantlarını ayırmıştır. Bu, WiFi, telsiz, kablosuz sensörler ve diğer iletişim cihazlarının çalışma frekansı bandıdır. Frekansı tekrar tartışalım! İnsan kulağının işitme aralığı 20Hz ila 20kHz'dir. AM radyomuz 680kHz ise, radyo kulesi sesi bu frekansa nasıl değiştirir? Diğer istasyonlarla etkileşimi nasıl engeller? Alıcı, sinyal frekansını duyulabilir aralığa nasıl geri dönüştürür?
modülasyon
Frekans alanını bırakıp zaman alanına dönelim. Tekrarlamak gerekirse: tartışmamız çok basit ve birçok ayrıntı atlandı! Bu sadece kavramsal bir sonuç elde etmek içindir. Bunu söylüyorum çünkü matematiksel temsiller en iyi zaman alanında kullanılırken, grafiksel gösterimler en iyi frekans alanında çalışır.
Modülasyonun rolü, sinyali düşük frekanstan (bilgi) yüksek frekansa (taşıyıcıya) dönüştürmektir. Fikir basit: bilgilerinizi 680 kHz gibi yüksek frekanslı bir taşıyıcıyla çarpın ve bu AM yayınıdır! Bir dakika, gerçekten bu kadar basit mi? Birkaç matematiksel ilişkiye bakalım. Bu örnekte, bilgidir (duyulabilir içerik) ve ise taşıyıcıdır (örneğin, AM yayın frekansı).
Resimdeki Çince-İngilizce metin
Üründen toplama
çünkü
günah
Kümülatif toplam fark
çünkü
günah
AM sinyalimiz bir formülle ifade edilirse, zaman veya frekans alanında hayal edilmesi zor olan çoklu sinyallerin çarpılmasını içerir, çünkü yalnızca sesin nasıl göründüğünü görürüz. Ancak yukarıda bahsedilen yazışma bize şunu söyler: iki sinyalin çarpımı iki sinyalin eklenmesiyle temsil edilebilir! Şimdi, frekans alanında çarpma ile elde edilen sinyali kolayca çizebiliriz.
Taşıyıcıda modüle edilmiş tek ton (150 Hz) (1000 Hz)
Bu şekilde, 150Hz ses frekansını 1000Hz taşıyıcıyla çarpıyoruz. Yukarıdaki tablo sırasıyla 1000-150 ve 1000 + 150 Hz'de, yani 850 Hz ve 1150 Hz'de bulunan iki yarı güç sinyalini göstermektedir. Öyleyse modülasyondan sonra her heceyi nasıl gerçekleştiririz?
700 kHz'e kadar ses modülasyonu
Beklendiği gibi iki sinyal gördük. Biri taşıyıcı + bilgisi, diğeri ise taşıyıcı bilgisi (hatta nasıl tersine çevrildiğine dikkat edin).
Bu, AM spektrumunun ve sinyal içeriğinin kaba bir diyagramıdır.
demodülasyon
Şimdi alıcıya geliyoruz. Tüm sinyaller antenden başlar ve tüm sinyallere aynı anda baktığınızda bir karmaşa görürsünüz. Anten çok fazla veri toplar, ancak sınıflandırmadan sorumlu değildir Bu, tuner ve diğer donanımın işidir. Sinyal demodülasyonu prensibi, modülasyon ile tamamen aynıdır, bu da çok uygundur! Ses sinyalimizi tekrar "ana bant" a dönüştürmek ve hoparlöre göndermek için, tüm sinyali taşıyıcıyla tekrar çarpabiliriz.
Bu formül, çok sayıda matematiksel fonksiyon, parantez ve frekans değişkenleri içerir. Ama doğru, bundan dört sinyal çıkardık:
-
1/4 güç sinyali, (2 * taşıyıcı + bilgi)
-
1/4 güç sinyali, (bilgi)
-
1/4 güç sinyali, (2 * taşıyıcı bilgisi)
-
1/4 güç sinyali, (bilgi)
Negatif frekanslar içeren bu terimi görmezden gelelim: Modülasyonu ve ilgili işlemleri tartıştığımızda sıklıkla ortaya çıkan matematiksel bir üründür. Çift taşıyıcıdaki iki sinyal (taşıyıcının bilgiden çok daha büyük olduğu varsayılırsa, neredeyse aynıdır) bir düşük geçişli filtre ile filtrelenebilir. Düşük geçiş filtresi, sinyalin tüm yüksek frekans içeriğini bloke eder, bu nedenle yalnızca orijinal bilgiler bize kalır. Orijinal bilgileri bir amplifikatör ile güçlendirebilir ve ardından hoparlöre gönderebiliriz. çok havalı! Bu onun görüntüsü, ancak biraz gecikmeli.
sonuç olarak
Bu makalenin amacı, radyo sinyallerinin nasıl iletildiğine ve modüle edildiğine dair üst düzey bir genel bakış sunmaktır. Birden çok ses (veya temel bant) sinyalini farklı yüksek frekanslı sinyallerle (taşıyıcılar) çarparak, birden fazla veri akışını aynı kanal üzerinden karşılıklı girişim olmadan başarıyla iletebiliriz. Modüle edilmiş sinyali tekrar ana banda dönüştürmek için taşıyıcı dalgayı tekrar çarpın, ardından sinyali düşük geçişli bir filtre ve amplifikatörle temizleyin ve güçlendirin, böylece her türlü güzel sesi duyabiliriz!
Daha fazlasını görmek için orijinal metni okumak için tıklayın
