Modulasi Digital: Amplitudo dan Frekuensi

Modulasi Frekuensi Radio

Meskipun didasarkan pada konsep yang sama, bentuk gelombang modulasi digital terlihat sangat berbeda dari rekan analog mereka.

Meskipun jauh dari kepunahan, modulasi analog sama sekali tidak kompatibel dengan dunia digital. 

Kami tidak lagi memfokuskan upaya kami untuk memindahkan bentuk gelombang analog dari satu tempat ke tempat lain. Sebaliknya, kami ingin memindahkan data: jaringan nirkabel, sinyal audio digital, pengukuran sensor, dan sebagainya. Untuk mentransfer data digital, kami menggunakan modulasi digital.

Namun, kita harus berhati-hati dengan terminologi ini. "Analog" dan "digital" dalam konteks ini merujuk pada jenis informasi yang ditransfer, bukan ke karakteristik dasar dari bentuk gelombang yang ditransmisikan. 

Baik modulasi analog dan digital menggunakan sinyal yang bervariasi secara halus; perbedaannya adalah bahwa sinyal termodulasi analog didemodulasi menjadi bentuk gelombang basis pita analog, sedangkan sinyal termodulasi secara digital terdiri dari unit modulasi diskrit, yang disebut simbol, yang ditafsirkan sebagai data digital.

Ada versi analog dan digital dari ketiga jenis modulasi. Mari kita mulai dengan amplitudo dan frekuensi.

Modulasi Amplitudo Digital
Jenis modulasi ini disebut sebagai amplitudo shift keying (ASK). Kasus yang paling mendasar adalah "penguncian saat tidak aktif" (OOK), dan ini berhubungan hampir secara langsung dengan hubungan matematika yang dibahas dalam halaman yang didedikasikan untuk [[modulasi amplitudo analog]]: Jika kita menggunakan sinyal digital sebagai bentuk gelombang baseband, mengalikan baseband dan carrier menghasilkan bentuk gelombang termodulasi yang normal untuk logika tinggi dan "mati" untuk logika rendah. Amplitudo logika-tinggi sesuai dengan indeks modulasi.

Domain waktu
Plot berikut menunjukkan OOK yang dihasilkan menggunakan pembawa 10 MHz dan sinyal clock digital 1 MHz. Kami beroperasi di bidang matematika di sini, sehingga amplitudo logika-tinggi (dan amplitudo pembawa) tidak berdimensi “1”; dalam rangkaian nyata Anda mungkin memiliki gelombang pembawa 1 V dan sinyal logika 3.3 V.

Anda mungkin telah memperhatikan satu inkonsistensi antara contoh ini dan hubungan matematika yang dibahas di halaman [[Modulasi Amplitudo]]: kami tidak menggeser sinyal baseband. Jika Anda berurusan dengan bentuk gelombang digital DC-coupled khas, tidak ada pergeseran ke atas diperlukan karena sinyal tetap di bagian positif dari sumbu y.

Domain Frekuensi
Berikut adalah spektrum yang sesuai:




Bandingkan ini dengan spektrum untuk modulasi amplitudo dengan gelombang sinus 1 MHz:




Sebagian besar spektrumnya sama — lonjakan pada frekuensi pembawa (fC) dan lonjakan pada fC ditambah frekuensi baseband dan fC minus frekuensi baseband. 

Namun, spektrum ASK juga memiliki lonjakan lebih kecil yang sesuai dengan harmonik ke-3 dan ke-5: Frekuensi fundamental (fF) adalah 1 MHz, yang berarti bahwa harmonik ke-3 (f3) adalah 3 MHz dan harmonik ke-5 (f5) adalah 5 MHz . Jadi kami memiliki paku di fC plus / minus fF, f3, dan f5. Dan sebenarnya, jika Anda memperluas plot, Anda akan melihat bahwa paku terus berlanjut sesuai dengan pola ini.

Ini masuk akal. Transformasi Fourier dari gelombang persegi terdiri dari gelombang sinus pada frekuensi dasar bersama dengan gelombang sinus amplitudo menurun pada harmonik ganjil, dan konten harmonik ini adalah apa yang kita lihat dalam spektrum yang ditunjukkan di atas.

Diskusi ini membawa kita ke poin praktis penting: transisi mendadak yang terkait dengan skema modulasi digital menghasilkan konten frekuensi tinggi (tidak diinginkan). Kita harus mengingat hal ini ketika kita mempertimbangkan bandwidth sebenarnya dari sinyal termodulasi dan kehadiran frekuensi yang dapat mengganggu perangkat lain.

Modulasi Frekuensi Digital
Jenis modulasi ini disebut frequency shift keying (FSK). Untuk keperluan kami, tidak perlu mempertimbangkan ekspresi matematika FSK; sebaliknya, kita cukup menentukan bahwa kita akan memiliki frekuensi f1 ketika data baseband adalah logika 0 dan frekuensi f2 ketika data baseband adalah logika 1.

Domain waktu
Salah satu metode untuk menghasilkan gelombang FSK siap-transmisi adalah dengan terlebih dahulu membuat sinyal pita dasar analog yang beralih antara f1 dan f2 sesuai dengan data digital. Berikut adalah contoh bentuk gelombang baseband FSK dengan f1 = 1 kHz dan f2 = 3 kHz. Untuk memastikan bahwa simbol memiliki durasi yang sama untuk logika 0 dan logika 1, kami menggunakan satu siklus 1 kHz dan tiga siklus 3 kHz.

Bentuk gelombang baseband kemudian digeser (menggunakan mixer) ke frekuensi pembawa dan ditransmisikan. Pendekatan ini sangat berguna dalam sistem radio yang ditentukan oleh perangkat lunak: bentuk gelombang pita dasar analog adalah sinyal frekuensi rendah, dan karenanya dapat dihasilkan secara matematis kemudian dimasukkan ke dalam bidang analog oleh DAC. Menggunakan DAC untuk membuat sinyal yang ditransmisikan frekuensi tinggi akan jauh lebih sulit.

Cara yang lebih mudah secara konseptual untuk mengimplementasikan FSK adalah dengan hanya memiliki dua sinyal pembawa dengan frekuensi yang berbeda (f1 dan f2); satu atau yang lainnya diarahkan ke output tergantung pada tingkat logika data biner. 

Ini menghasilkan bentuk gelombang akhir yang ditransmisikan yang beralih secara tiba-tiba antara dua frekuensi, mirip seperti gelombang baseband FSK di atas kecuali bahwa perbedaan antara dua frekuensi jauh lebih kecil dalam kaitannya dengan frekuensi rata-rata. Dengan kata lain, jika Anda melihat plot waktu-domain, akan sulit untuk membedakan secara visual bagian f1 dari bagian f2 karena perbedaan antara f1 dan f2 hanya sebagian kecil dari f1 (atau f2).

Domain Frekuensi
Mari kita lihat efek FSK di domain frekuensi. Kami akan menggunakan frekuensi pembawa 10 MHz yang sama (atau frekuensi pembawa rata-rata dalam kasus ini), dan kami akan menggunakan ± 1 MHz sebagai penyimpangan. (Ini tidak realistis, tetapi nyaman untuk keperluan kita saat ini.) Jadi sinyal yang ditransmisikan akan menjadi 9 MHz untuk logika 0 dan 11 MHz untuk logika 1. Berikut adalah spektrum:

Perhatikan bahwa tidak ada energi pada "frekuensi pembawa." Ini tidak mengejutkan, mengingat sinyal termodulasi tidak pernah pada 10 MHz. Itu selalu di 10 MHz minus 1 MHz atau 10 MHz plus 1 MHz, dan di sinilah kita melihat dua paku dominan: 9 MHz dan 11 MHz.

Tetapi bagaimana dengan frekuensi lain yang ada dalam spektrum ini? Analisis spektral FSK tidak terlalu mudah. Kita tahu bahwa akan ada tambahan energi Fourier yang terkait dengan transisi mendadak antara frekuensi. 

Ternyata FSK menghasilkan jenis spektrum fungsi-tulus untuk setiap frekuensi, yaitu satu berpusat pada f1 dan yang lainnya berpusat pada f2. Ini menjelaskan lonjakan frekuensi tambahan yang terlihat di kedua sisi lonjakan dominan.

Kesimpulan
* Modulasi amplitudo digital melibatkan memvariasikan amplitudo gelombang pembawa di bagian-bagian terpisah menurut data biner.

* Pendekatan paling mudah untuk modulasi amplitudo digital adalah on-off keying.

* Dengan modulasi frekuensi digital, frekuensi pembawa atau sinyal pita dasar bervariasi di bagian-bagian terpisah menurut data biner.

* Jika kita membandingkan modulasi digital dengan modulasi analog, kita melihat bahwa transisi mendadak yang diciptakan oleh modulasi digital menghasilkan energi tambahan pada frekuensi yang lebih jauh dari pembawa.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan