Ero sivun ”Vaihemodulaatio” versioiden välillä

Radioamatööriwikistä
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
>Oh2mqk
p (lisää avainsanoja)
p (ingressi, pieniä parannuksia)
 
(8 välissä olevaa versiota 4 käyttäjän tekeminä ei näytetä)
Rivi 1: Rivi 1:
[[Category:Lähetelajit]]
<div class="floatright">__TOC__</div>
Vaihemodulaatiossa lähetteen signaalin vaihetta siirrellään tyypillisesti ±20&deg; suhteessa alkuperäiseen kantoaaltoon.
'''Vaihemodulaatio''' (PM tai PhM, engl. ''phase modulation'') on tapa [[modulaatio|moduloida]] signaalia ja sitä käytetään sekä analogi- että digitaalisignaalin siirtoon. Vaihemodulaatiossa informaatio lisätään kantoaaltoon kantoaallon vaihetta muuttamalla.


Vaiheen muuttuessa esiintyy myös [[deviaatio|taajuuspoikkeamaa]], joka palaa nollaan muutoksen loppuessa (vaiheen ollessa paikallaan) ja sen asiosta vaihemodulaattoria voidaan käyttää tuottamaan [[FM|taajuusmoduloitu]] versio [[taajuus|kiinteätaajuisen]] (esim. kide-) [[oskillaattori|oskillaattorin]] signaalista.
Signaalien erilainen luonne ja tarkkuusvaatimukset johtavat helposti aivan erilaisiin modulaattoriratkaisuihin. Puheensiirrossa siirretään monitaajuinen vaihteleva-amplitudinen signaali ja modulaattorin tulisi olla lineaarinen. Digitaalisignaalin siirrossa siirrettävällä signaalilla on rajallinen määrä eri arvoja, tyypillisesti kahdesta kuuteentoista ja vastaavasti signaalilla on vastaava määrä arvoja.  


Siinä missä taajuusmodulaattorilla maksimipoikkeama esiintyy syötesignaalin suurimmalla amplitudilla, vaihemodulaattorin tuottama suurin taajuuspoikkeama esiintyy nopeimman muutoksen aikaan.
==Puheensiirron vaihemodulaattori==
Puheensiirrossa vaihemodulaatiossa lähetteen signaalin vaihetta siirrellään tyypillisesti ±20&deg; suhteessa alkuperäiseen [[kantoaalto|kantoaaltoon]]. Modulaattoria seuraa taajuuskertoja, joka lisää vaihesiirtoa kerronnan määrällä.


==Vaihemodulaattori==
Vaihemodulaatio ja [[taajuusmodulaatio]] ovat määrätyllä äänitaajuudella sama asia. Moduloivan taajuuden muuttuessa niiden ero tulee esiin. Samalla modulaatiosignaalin voimakkuudella vaihemodulaatiossa taajuusdeviaatio muuttuu suoraan verrannollisena moduloivan signaalin taajuuteen ja taajuusmodulaatiossa taajuusdeviaatio pysyy vakiona moduloivasta taajuudesta riippumatta. Vaihemodulaattoria voidaan käyttää taajuusmodulaattorin tilalla, kun moduloiva signaali ensin integroidaan. Yksinkertaisin integraattori on RC-alipäästösuodatin, jota käytetään sen rajataajuuden yläpuolella eli "estoalueella". Tuo toiminta vastaa FM-vastaanottimen jälkikorjauspiiriä.


Vaihemodulaattori ei kykene ylläpitämään syötesignaalissa mahdollisesti esiintyvää [[tasavirta|tasavirtatasoa]].
On huomattava, että vaihemodulaattori ei muuta vaihetta tasajännitteellä eli sitä ei voi käyttää taajuuden säätöön. Toisaalta tuo ominaisuus mahdollistaa äänitaajuusmoduloidun taajuusmodulaation signaalin [[taajuus|kiinteätaajuisen]] (esim. kide-) [[oskillaattori|oskillaattorin]] signaalista.
Vaihemodulaattori tuottaa myös enemmän taajuuspoikkeamaa korkeammilla syötesignaalin taajuuksilla ja amplitudeilla.


Jos vaihemodulaattorilla halutaan tuottaa puhesignaalia joka on yhteensopiva taajuusmodulaattorin tuottaman kanssa, käytettävissä on yksinkertainen ''pre-emphasis'' kytkentä.
==Digitaalisiirron vaihemodulaattori==
Digitaalisignaalissa voi olla pitkiä jaksoja, jolloin signaalin arvo ei muutu. Tilanne vastaa samaa kuin modulaattoriin syötettäisiin tasajännite. Edellä esitetty puheensiirron vaihemodulaattori ei tässä mielessä ole suoraan sopiva. Toisaalta modulaattorin pitää muodostaa vain rajallinen määrä vaihesiirtoja.  


(TODO:kytkentäkuvat)
Esimerkiksi [[PSK]] eli kaksivaihemodulaatio tarvitsee vain esim. vaiheet 0 ja 180 astetta. Tuollainen modulaattori vastaa signaalin etumerkin vaihtoa ja voidaan toteuttaa esim. vaiheenkääntömuuntajalla ja valintakytkimellä, jolla valitaan "+"-signaali tai "-"-signaali. Hyvin hitaalla modulaationopeudella kytkimenä on käytetty mekaanista vaihtorelettä.


QPSK eli nelivaihemodulaattori voidaan toteuttaa digitaalisesti usealla eri tavalla joko digitaalipiireillä tai signaaliprosessoreilla. Amatöörien käyttämillä modulointinopeuksilla ja kaistaleveyksillä tavallisen PC:n laskentavoima on täysin riittävä ja kaikkien vaiheensiirtoavainnusten toteuttamiseen äänitaajuudella. Äänitaajuus voidaan siirtää normaalilla SSB-lähettimellä halutulle suurtaajuudelle.


==Vaihedemodulaattori==
Digitaalisen vaihemoduloidun signaalin kaistaleveys määräytyy lähinnä modulaattorin avainnusnopeudesta ja vaiheensiirron nopeudesta. Siitä johtuen samalla kaistaleveydellä PSK (2-PSK) verrattuna QPSK siirtonopeus on kaksinkertainen, 8-PSK kolminkertainen ja 16-PSK nelinkertainen. Siirtonopeuden kasvattaminen vaatii signaalikohinasuhteen kasvattamista kiihtyvään tahtiin.
 
===Digitaalivaihemodulaation sivunauhat===
 
Vaihemodulaation nopeat vaihehypyt muodostavat hitaasti vaimenevia [[Sivunauha|sivunauhoja]] pääkaistan molemmille puolille. Nuo sivukaistat ovat ylimääräisiä signaalin vastaanoton kannalta ja voidaan poistaa lähetyssignaalista. Poisto tehdään suorittamalla vaihesiirto juoheasti. Gaussin summakäyrän mukainen vaiheensiirto on tehokas menetelmä. Sen voi parhaiten toteuttaa digitaalisesti vaihemodulaation muodostamisen yhteydessä. Käytännössä suodatus tehdään suodattamalla I/Q-modulaattorin I- ja Q-haaroja alipäästösuodattimilla. Silloin moduloituun signaaliin tulee amplitudimodulaatio, jonka verhokäyrä menee 180 asteen vaihesiirrossa nolla kautta.
 
Amplitudimodulaation johdosta signaalia pitää vahvistaa lineaarisella vahvistimella, koska epälineaarinen vahvistin muodostaa uudelleen nuo suodattamalla poistetut sivunauhat. Tässä suhteessa digitaalinen vaihemodulaatio eroaa taajuussiirtoavainnuksesta, jossa amplitudi pysyy vakiona.
 
==Analogisen signaalin vaiheilmaisin==


Vaihemoduloidun signaalin ilmaisuun voidaan käyttää samanlaista [[PLL]]:ää, kuin [[FM|taajuusmoduloidun]] signaalinkin ilmaisuun.
Vaihemoduloidun signaalin ilmaisuun voidaan käyttää samanlaista [[PLL]]:ää, kuin [[FM|taajuusmoduloidun]] signaalinkin ilmaisuun.
==Digitaalisen signaalin vaiheilmaisin==
Koherentti digitaalisen signaalin ilmaisu vaatii referenssitaajuuden muodostamisen ja tavan määritellä nollavaihesiirto. Jälkimmäinen vaatimus voidaan kiertää differentiaalisella vaiheensiirtokoodauksella, jolloin ilmaisussa käytetään tietoa vaiheensiirrosta eikä absoluuttista vaihetietoa ei tarvita.
Kantoaallon taajuus ja vaihetiedon lisäksi digitaalisen modulaation ilmaisussa tarvitaan modulaationopeuden kellosignaali, jolla vastaanotetusta signaalista otetaan ilmaistusta signaalista näyte optimaalisesta kohdasta.Kellotaajuus voidaan uuttaa vastaanotetusta signaalista sopivalla epälineaarissella signaalikäsittelyllä tai signaali- ja kellotaajuudet määritellään erityisen synkronointikuvion avulla.
[[Luokka:Lähetelajit]][[Luokka:Tekniikka]][[Luokka:Modulaatio]]

Nykyinen versio 22. maaliskuuta 2022 kello 10.30

Vaihemodulaatio (PM tai PhM, engl. phase modulation) on tapa moduloida signaalia ja sitä käytetään sekä analogi- että digitaalisignaalin siirtoon. Vaihemodulaatiossa informaatio lisätään kantoaaltoon kantoaallon vaihetta muuttamalla.

Signaalien erilainen luonne ja tarkkuusvaatimukset johtavat helposti aivan erilaisiin modulaattoriratkaisuihin. Puheensiirrossa siirretään monitaajuinen vaihteleva-amplitudinen signaali ja modulaattorin tulisi olla lineaarinen. Digitaalisignaalin siirrossa siirrettävällä signaalilla on rajallinen määrä eri arvoja, tyypillisesti kahdesta kuuteentoista ja vastaavasti signaalilla on vastaava määrä arvoja.

Puheensiirron vaihemodulaattori

Puheensiirrossa vaihemodulaatiossa lähetteen signaalin vaihetta siirrellään tyypillisesti ±20° suhteessa alkuperäiseen kantoaaltoon. Modulaattoria seuraa taajuuskertoja, joka lisää vaihesiirtoa kerronnan määrällä.

Vaihemodulaatio ja taajuusmodulaatio ovat määrätyllä äänitaajuudella sama asia. Moduloivan taajuuden muuttuessa niiden ero tulee esiin. Samalla modulaatiosignaalin voimakkuudella vaihemodulaatiossa taajuusdeviaatio muuttuu suoraan verrannollisena moduloivan signaalin taajuuteen ja taajuusmodulaatiossa taajuusdeviaatio pysyy vakiona moduloivasta taajuudesta riippumatta. Vaihemodulaattoria voidaan käyttää taajuusmodulaattorin tilalla, kun moduloiva signaali ensin integroidaan. Yksinkertaisin integraattori on RC-alipäästösuodatin, jota käytetään sen rajataajuuden yläpuolella eli "estoalueella". Tuo toiminta vastaa FM-vastaanottimen jälkikorjauspiiriä.

On huomattava, että vaihemodulaattori ei muuta vaihetta tasajännitteellä eli sitä ei voi käyttää taajuuden säätöön. Toisaalta tuo ominaisuus mahdollistaa äänitaajuusmoduloidun taajuusmodulaation signaalin kiinteätaajuisen (esim. kide-) oskillaattorin signaalista.

Digitaalisiirron vaihemodulaattori

Digitaalisignaalissa voi olla pitkiä jaksoja, jolloin signaalin arvo ei muutu. Tilanne vastaa samaa kuin modulaattoriin syötettäisiin tasajännite. Edellä esitetty puheensiirron vaihemodulaattori ei tässä mielessä ole suoraan sopiva. Toisaalta modulaattorin pitää muodostaa vain rajallinen määrä vaihesiirtoja.

Esimerkiksi PSK eli kaksivaihemodulaatio tarvitsee vain esim. vaiheet 0 ja 180 astetta. Tuollainen modulaattori vastaa signaalin etumerkin vaihtoa ja voidaan toteuttaa esim. vaiheenkääntömuuntajalla ja valintakytkimellä, jolla valitaan "+"-signaali tai "-"-signaali. Hyvin hitaalla modulaationopeudella kytkimenä on käytetty mekaanista vaihtorelettä.

QPSK eli nelivaihemodulaattori voidaan toteuttaa digitaalisesti usealla eri tavalla joko digitaalipiireillä tai signaaliprosessoreilla. Amatöörien käyttämillä modulointinopeuksilla ja kaistaleveyksillä tavallisen PC:n laskentavoima on täysin riittävä ja kaikkien vaiheensiirtoavainnusten toteuttamiseen äänitaajuudella. Äänitaajuus voidaan siirtää normaalilla SSB-lähettimellä halutulle suurtaajuudelle.

Digitaalisen vaihemoduloidun signaalin kaistaleveys määräytyy lähinnä modulaattorin avainnusnopeudesta ja vaiheensiirron nopeudesta. Siitä johtuen samalla kaistaleveydellä PSK (2-PSK) verrattuna QPSK siirtonopeus on kaksinkertainen, 8-PSK kolminkertainen ja 16-PSK nelinkertainen. Siirtonopeuden kasvattaminen vaatii signaalikohinasuhteen kasvattamista kiihtyvään tahtiin.

Digitaalivaihemodulaation sivunauhat

Vaihemodulaation nopeat vaihehypyt muodostavat hitaasti vaimenevia sivunauhoja pääkaistan molemmille puolille. Nuo sivukaistat ovat ylimääräisiä signaalin vastaanoton kannalta ja voidaan poistaa lähetyssignaalista. Poisto tehdään suorittamalla vaihesiirto juoheasti. Gaussin summakäyrän mukainen vaiheensiirto on tehokas menetelmä. Sen voi parhaiten toteuttaa digitaalisesti vaihemodulaation muodostamisen yhteydessä. Käytännössä suodatus tehdään suodattamalla I/Q-modulaattorin I- ja Q-haaroja alipäästösuodattimilla. Silloin moduloituun signaaliin tulee amplitudimodulaatio, jonka verhokäyrä menee 180 asteen vaihesiirrossa nolla kautta.

Amplitudimodulaation johdosta signaalia pitää vahvistaa lineaarisella vahvistimella, koska epälineaarinen vahvistin muodostaa uudelleen nuo suodattamalla poistetut sivunauhat. Tässä suhteessa digitaalinen vaihemodulaatio eroaa taajuussiirtoavainnuksesta, jossa amplitudi pysyy vakiona.

Analogisen signaalin vaiheilmaisin

Vaihemoduloidun signaalin ilmaisuun voidaan käyttää samanlaista PLL:ää, kuin taajuusmoduloidun signaalinkin ilmaisuun.

Digitaalisen signaalin vaiheilmaisin

Koherentti digitaalisen signaalin ilmaisu vaatii referenssitaajuuden muodostamisen ja tavan määritellä nollavaihesiirto. Jälkimmäinen vaatimus voidaan kiertää differentiaalisella vaiheensiirtokoodauksella, jolloin ilmaisussa käytetään tietoa vaiheensiirrosta eikä absoluuttista vaihetietoa ei tarvita.

Kantoaallon taajuus ja vaihetiedon lisäksi digitaalisen modulaation ilmaisussa tarvitaan modulaationopeuden kellosignaali, jolla vastaanotetusta signaalista otetaan ilmaistusta signaalista näyte optimaalisesta kohdasta.Kellotaajuus voidaan uuttaa vastaanotetusta signaalista sopivalla epälineaarissella signaalikäsittelyllä tai signaali- ja kellotaajuudet määritellään erityisen synkronointikuvion avulla.