Tehnici de transmisiuni digitale si domenii de aplicabilitate. Modulatia digitala

Spre deosebire de prelucrarea prin modulatie analogica unde semnalul modulator este analogic, in cazul prelucrarii prin modulatie digitala semnalul modulator are forma digitala. Semnalele digitale se pot transmite in banda de baza (neprelucrate), sau intr-o banda translatata pe axa frecventelor, prin procedeul de modulatie. Alegerea unei tehnici adecvate de modulatie permite obtinerea performantelor maxime.

Cele mai importante tehnici digitale de transmisiuni sunt:

Tehnici de modulatie in amplitudine

1. SC-AM (Modulatie digitala de amplitudine cu purtatoare suprimata);
2. DSB-SC-AM (Modulatie digitala de amplitudine cu purtatoare suprimata si banda laterala dubla);

Tehnici de modulatie in frecventa

1. FSK (Modulatie digitala cu deplasare de frecventa);
2. MSK (Modulatie digitala cu deplasare minima de frecventa);
3. DMSK (Modulatie MSK diferentiala);
4. GMSK (Modulatie MSK generalizata sau gaussiana);

Tehnici de modulatie in faza

1. PSK (Modulatie digitala cu deplasare de faza);
2. DPSK (Modulatie PSK diferentiala);

Tehnici combinate de modulatie

1. QAM (Modulatie de amplitudine in cuadratura);
2. QPSK (Modulatie PSK in cuadratura);
3. APK (Modulatie de amplitudine si faza);
4. ADSL (Modulatie multi-tonala discreta).

In fig. 1 sunt prezentate semnalele care rezulta in urma modulatiilor digitale in amplitudine, in frecventa si in faza.

a-semnal binar; b-semnal digital cu MA; c- semnal digital cu MF (FSK); d-semnal digital MP (PSK)

Fig. 1. Semnale modulate digital

Modulatia digitala de amplitudine - transmiterea unei anumite frecvente (F) pentru valoarea binara "unu", iar pentru valoarea binara "zero" linia de transmisie este in asteptare (repaus). Acest tip de modulatie este rar utilizata fara alte prelucrari, deoarece are rezistenta mica la zgomote.

Modulatia digitala de frecventa consta in asocierea unei frecvente ''F1'' pentru valoarea binara "unu" si asocierea altei frecvente "F2" pentru valoarea binara "zero". Semnalul cu modulatie binara de frecventa este cunoscut sub denumirea de semnal FSK (Frecvency Shift Keyng) si a fost frecvent utilizata la realizarea primelor modemuri de banda vocala. Prin varianta GMSK acest tip de modulatie digitala este prezenta in transmisiile de radiotelefonie mobila.

Modulatia digitala de faza consta in asocierea unui semnal sinusoidal cu faza zero pentru valoarea binara "unu" si cu faza deplasata (intre 0⁰ si 180⁰) pentru valoarea binara "zero". Semnalul cu modulatie binara de faza se numeste semnal PSK   (Phase Shift Keyng). Acest tip de modulatie prin varianta DPSK a contribuit substantial la cresterea vitezelor de transmisie ale modemurilor.

La inceputul prelucrarilor prin modulatie, fiecare bit era semnalizat printr-o singura modificare facuta semnalului purtator (in amplitudine, in frecventa, sau in faza). Viteze marite au putut fi insa obtinute cand o semnalizare s-a asociat unui grup de biti. In cazul modulatiei digitale DPSK, daca se face o semnalizare pentru un grup de 2 biti vor fi necesare 4 modificari de faza, iar daca se face o semnalizare pentru un grup de 3 biti vor fi necesare 8 modificari de faza (o "deplasare" de faza pentru fiecare combinatie diferita a grupului de trei biti). In cazul modulatiei QAM, daca se face o semnalizare pentru fiecare grup de cate 8 biti, va fi necesar ca fiecare semnalizare sa poata avea 256 de "variante distincte" (256 de semnalizari, care sa se asocieze cu cele 256 combinatii posibile cu 8 biti).

Tehnicile combinate de modulatie au mai multe grade de libertate pentru realizarea practica a unui numar mare de stari. De exemplu, modulatia digitala QAM fiind simultan o "modulatie in amplitudine si in faza", rezulta ca una dintre stari va fi definita de o amplitudine din N nivele posibile si de o faza din M unghiuri posibile. Daca se analizeaza modulatia digitala 16-QAM, aceasta are 16 tipuri de semnalizari (16 stari), care sunt definite prin 8 unghiuri posibile, iar fiecare unghi avand asociate 2 amplitudini (8 2=16). In Fig. 2 este reprezentata "constelatia de stari" a unui astfel de modem (16-QAM).

Constelatia starilor, sau diagrama spatiala a semnalului modulat digital devine tot mai complexa pe masura ce numarul de biti transmisi printr-o semnalizare creste. Acest lucru este evident, deoarece in cazul cand se semnalizeaza fiecare grup de 8 biti constelatia va evidentia 256 de puncte, iar pentru un grup de 10 biti constelatia va avea 1024 puncte. In astfel de situatii, este obligatoriu sa se lucreze cu mai multe deplasari in amplitudine, mai multe deplasari in frecventa, mai multe deplasari in faza. Transmisii QAM cu 16 sau 32 nivele, cu 16 sau 32 deplasari ale fazei, nu mai sunt proiecte ci au devenit aplicatii. In figura 3 sunt reprezentate schematic o constelatie cu 4 simboluri de semnalizare (QPSK), cu 16 simboluri (16QAM) si cu 64 simboluri (64QAM).

a-QPSK; b-16QAM; c-64QAM

Fig. 3  Exemple de constelatii (Modulatie digitala)

Tehnica de modulatie ADSL face parte din tehnicile combinate, deoarece la aceeasi transmisie sunt utilizate in paralel mai multe semnale purtatoare.

Domenii de aplicabilitate:

Transformarea prin modulatie digitala este utilizata in tehnologia modemurilor digitale, necesare in transmisiile eficiente (viteza, spectru, putere consumata) pe diverse suporturi: cabluri cu perechi simetrice, cabluri coaxiale, legaturi in microunde.

Majoritatea tehnicilor de modulatie digitala dupa ce au fost abordate si dezvoltate pentru aplicatii specifice retelei telefonice cu banda de trecere de la 300 Hz la 3400 Hz, au fost ulterior adaptate canalelor de transmisiuni cu banda mai extinsa, asa cum sunt canalele de comunicatii pe cablu coaxial sau legaturile radio in microunde. Modemurile 64-QAM, sau 256-QAM au fost utilizate cu rezultate foarte bune in echipamentele de telecomunicatii din sistemele terestre pentru microunde.