Moduleringsteknik

Eftersom data i slutändan består av bitar (nollor och ettor) behöver sändaren ett sätt att skicka anpassade signaler som representerar både nollor och ettor. Med anpassade signaler menas att signaler ändras/modifieras först så att de kan tolkas vara ettor eller nollor. Till exempel elektriska signaler vare sig växel- eller likström kan inte representera ettor eller nollor även om de transporteras från en plats till en annan utan att de modifieras först. Denna modifierade signaler läggs på en bärvåg så att den kan transporteras fram till mottagare.

Bild 1: Modulering

Metoden för att justera/modifiera signaler kallas modulering.  I trådlös  kommunikation används radiovågor (RF) som består av tre komponenter, amplitud, frekvens och fas. Dessa komponenter modifieras och modifieringarna kallas amplitudmodulering, frekvensmodulering, och fasmodulering. Vid digital modulering anpassas dessa namn utan att avvika mycket från de ursprungliga: Amplitude-shift keying (ASK), frequency-shift Keying (FSK)och Phase-shift Keying (PSK).

Moduleringsteknik

Även om det finns många moduleringsmetoder finns det två grundläggande moduleringsteknik: analog modulering och digital modulering. Huvudskillnaden mellan analog modulering och digital modulering är på det sätt som de överför data. Med analog modulering måste ingången vara i analog format, medan digital modulering behöver data i digitalt format.

Bild 2: Analog vs digital modulering

På grund av skillnaderna i ingångssignalen är utsignalen också helt annorlunda. Vid analog modulering anses något värde mellan max och minimum vara giltigt. Det är inte så med digital modulering eftersom endast två värden anses vara giltiga, ettor och nollor.

Eftersom de flesta signaler som vi sänder är analoga i naturen, som en röst, är det mycket enklare att göra analog modulering än digital. Om du vill överföra en röst med digital modulering, måste du skicka den via en analog-digital-omvandlare före överföring och en digital-analog-omvandlare på mottagaren för att återställa originalsignalen. Den stora fördelen med digital modulering är att endast känner igen 0 och 1 s, därmed elimineras eventuellt andra värden som anses vara brus.

Det finns tre typer av digital modulering (”Keying method”):

  • Amplituds modulering eller Amplitude-shift keying (ASK)
  • Frekvensmodulering eller frequency-shift Keying (FSK)
  • Fasmodulering eller Phase-shift Keying (PSK)

Digital moduleringsteknik använder två tillstånd hos signaler, aktuellt tillstånd (nuläge) och tillståndsändring (ändringsläge).

Nuläge eller Current State

Denna tillståndsteknik kan hjälpa till att generera ettor och nollor. Till exempel en vanlig dörrs läge kan representera ettor och nollor. Under en vis tid när dörren är öppen kan kodas som 1 och när den är stängd kan kodas som 0. Det vill säga att vid en specifik tidpunkt signalens värdet kan representera de två binära värden.

Ändringsläge eller State Transition

Ettor och nollor kan också representeras när signalernas tillstånd ändras eller övergår från ett tillstånd till ett annat. I denna definition inkluderas avsaknaden av förändringar i signalerna samt övergångarna för att bestämma det binära värdet.

En dörr kan användas igen för att förklara ändringsläge. När dörren är antingen stängd eller öppen under en vis tidsperiod kan tillståndet representera ettor, men när dörren rör sig (öppning eller stängning) representerar den rörelse nollor.

Amplituds modulering (AM) eller Amplitude-Shift Keying

Amplitude-shift keying (ASK) varierar höjden av en signal för att representera binär data. ASK är en nuvarande tillståndsteknik, där en nivå av amplitud kan representera en 0 bit och en annan amplitudnivå kan representera en 1 bit.

Bild 3: ASK modulering
  1. Digitala signaler i två spänningsnivåer det höga representerar ettor och det lägre nollor.
  2. Omodulerad bärvåg
  3. Modulerad signal där signaler är till (ettor) och från (nollor).
  4. Modulerad signal där låg amplitud representerar nollor och hög amplitud ettor.

Frekvensmodulering (FM) eller Frekvens-Shift Keying (FSK)

Bild 4: Frekvensmodulering

FSK är en nuläge tillståndsteknik där en viss frekvens kan representera en 0 bit och en annan frekvens kan representera en 1 bit. Ändringar i frekvensen bestämmer data som överförs. När mottagningsstationen samplar signaler under symbolperioden bestämmer den frekvensen för bärvågen och beroende på frekvensens värde kan stationen bestämma det binära värdet.

Bilden ovan visar hur en bärvåg kan moduleras med hjälp av frekvensmodulering. Den snabbare frekvensvågen tolkas som en binär 1, och den långsammare frekvensvågen tolkas som en binär 0. FSK används i några av de äldre implementeringarna av 802.11 trådlösa nätverk.

Fasmodulering eller Phase-Shift Keying (PSK)

Bild 5: Fasmodulering

PSK varierar signalens fas för att representera binärdata. PSK kan vara en övergångsteknik där ändring i signalens fasen kan representera en 0 bit och ingen ändring kan representera en 1 bit eller vice versa. PSK kan också vara en nuläge tillståndsteknik.

PSK-tekniken används i stor utsträckning för radiosändningar enligt 802.11-2012-standarden. Normalt samplar mottagningsstationen signalen under symbolperioden, jämför fasen hos den aktuella samplingen med föregående sampling och bestämmer skillnaden. Denna grad av skillnad används för att bestämma bitvärdet.

Mer avancerade versioner av PSK kan koda flera bitar per symbolperiod. I stället för att använda två faser för att representera de binära värdena kan man använda fyra faser. Var och en av de fyra faserna kan representera två binära värden (00, 01, 10 eller 11) istället för en (0 eller 1), vilket förkortar överföringstiden. När mer än två faser används, kallas detta för multipla fasmodulering (MPSK).

QAM

 

Spridningsspektrum

Förutom modifiering av signaler som representerar ettor och nollor,  finns det behöv av styrinformation som beskriver moduleringen i överföringen. Styr information används vid mottagande för att de-modulera mottagna signaler. Att lägga till styrinformation utan att påverka bärvågen kräver extra bandbredd i storleksordningen beroende på signaltyper. Till exempel ljudsignaler som bärs över AM eller FM radio har relativt låg bitmängd av styrinformation, medan i det lokala trådlösa nätverk är bitmängden betydligt större. Det är just detta som kallas “narrowband” och “broadband”.

Det man gör vid trådlöst kommunikation är att dela meddelandet i en uppsättning relaterade överföringar, skicka delarna över ett brett spektrum av radiofrekvenser, sedan samla och sätta ihop de på mottagningssida. Det är denna teknik som kallas spridningsspektrum.

Flera olika tekniker finns för att implementera spridningsspektrum för lokala trådlösa nätverk:

  • FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum. Är inte kompatibel med DSSS
  • DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum. Är inte kompatibel med FHSS
  • OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Wi-Fi protokoll använder både FHSS och DSSS spridningsspektrum.

Bild 6: Meddelande delas upp och skickas iväg över ett brett spektrum