A digitális modulációk

A digitális modulációkat funkciójuk szerint két részre osztottam: segédinformációkat továbbító és adattovábbító célú modulációkra. Mint elnevezésük is mutatja, teljesen más céllal lettek kifejlesztve.

Tartalomjegyzék

1. Segédinformáció átvitelére:
  1. Morze kód, mint segédinformáció
  2. DTMF: zajzár feloldásra illetve tetszőleges választáshoz
  3. CTCSS: zajzár nyitvatartásra
  4. DCS: zajzár nyitvatartásra
2. Adatátvitelre:
  1. AFSK
  2. FSK
  3. FFSK
  4. Tisztán fázisváltáson alapuló megoldások
  5. Fázisváltáson és amplítudóváltoztatáson alapuló megoldások
  6. Több frekvenciás billentyűzés

1. Segédinformációk átvitelére

1.1 Morze kód, mint segédinformáció

A rádióforgalmazás során szükségünk lehet segédinformációkra. A legegyszerűbb segédinformáció továbbító rendszer az adás végén elhangzó morze kód, amit a rádióamatőr átjátszóknál ma is használnak.

1.2 DTMF

A DTMF (Dual Tone Multi-Frequency) kód a legrégebben rádiós kiválasztáshoz alkalmazott kód. Népszerűségét az analóg áramkörökkel történő egyszerű dekódolhatóságának köszönhette, mivel összesen 8 szűrőre volt szükség a detektálása során.

Hz1209133614771633
697123A
770456B
852789C
941*0#D

Mint a táblázatból is kitűnik, a DTMF kód az alapvető billentyűzet-információ továbbítására volt alkalmas. Ha például a 4-es kódot akartuk átjuttatni, akkor egy 770 Hz-es és egy 1209 Hz-es moduláló frekvenciát kellett egyidejűleg megszólaltatnunk. Az előállítása és a demodulálása olyan egyszerű, hogy analóg áramkörrel is könnyen megvalósítható volt.

1.3 CTCSS

Zajzár vezérlésre alkalmas a CTCSS (Continuous Tone Coded Squelch System) kód. Amint az alábbi táblázatból kitűnik 67-254 Hz tartományban adják, így a hallgatót nem zavarja, mivel a rádió vevő 300 Hz alatt nem engedi át a hangot a hangszóró felé. A CTCSS zajzár frekvenciája 50 szabványos frekvencia közül választható ki. Az alábbi táblázatban külön kiemeltem azokat a CTCSS frekvenciákat, amelyeket PMR-446 rádióknál is használnak szelektív híváshoz.

PMR sqlkódFrekv. (Hz)
1.67.0
-69.3
2.71.9
3.74.4
4.77.0
5.79.7
6.82.5
7.85.4
8.88.5
9.91.5
PMR sqlkódFrekv. (Hz)
10.94.8
11.97.4
12.100.0
13.103.5
14.107.2
15.110.9
16.114.8
17.118.8
18.123.0
19.127.3
PMR sqlkódFrekv. (Hz)
20.131.8
21.136.5
22.141.3
23.146.2
24.151.4
25.156.7
-159.8
26.162.2
-165.5
27.167.9
PMR sqlkódFrekv. (Hz)
-171.3
28.173.8
-177.3
29.179.9
-183.5
30.186.2
-189.9
31.192.8
-196.6
-199.5
PMR sqlkódFrekv. (Hz)
32.203.5
-206.5
33.210.7
34.218.1
35.225.7
-229.1
36.233.6
37.241.8
38.250.3
-254.1
Napjainkban sok rádió a PTT felengedésekor a TX/RX farok során inverz fázísú CTCSS kóddal figyelmezteti a vevőkészüléket, hogy ismét aktiválni kell a zajzárat.

CTCSS farok

1.4 DCS (Digital Coded Squelch)

A DCS a CTCSS-hez hasonlóan szelektív hívásra igen elterjedt. Ez a módszer nem különböző frekvenciákat használ, hanem egy 134 Hz-es vivőt modulál FSK-ban. ezáltal 134.3 bit/másodperces adatfolyamhoz jutunk. A bitfolyam 23 bit hosszú ún. Golay(23,12) kódolt szavakból áll össze. A kódszó 4 db oktális számból áll össze, ahol az első digit mindig 4 értékű. A fennmaradó 11 bit pedig CRC (ellenörzőösszeg) céljára szolgál. A DCS kód így kevesebb, mint 200 ms alatt képes kinyitni a vevő zajzárát, tehát ugyanannyi idő alatt, mint a CTCSS. Azonban 50 kód helyett 104 darabos kódkészlet áll rendelkezésre.

DCS felépítés

A fenti ábrán a bitek jobbról balra kerulnek továbbításra, tehát az ábrát egy 23 bites shift regiszternek elképzelve balról shiftelődik be a 23 bit, majd ellenőrizve lesz, hogy a "4" értéke 4-e.
A paritásbitek a következőképpen számítandók:
P1 = C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C8 (MODULO TWO ADDITION)
P2 = NOT ( C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C9 )
P3 = C1 + C2 + C6 + C7 + C8
P4 = NOT ( C2 + C3 + C7 + C8 + C9 )
P5 = NOT ( C1 + C2 + C5 + C9 )

P6 = NOT ( C1 + C4 + C5 + C6 + C8 )
P7 = C1 + C3 + C4 + C6 + C7 + C8 + C9
P8 = C2 + C4 + C5 + C7 + C8 + C9
P9 = C3 + C5 + C6 + C8 + C9
P10 = NOT ( C4 + C6 + C7 + C9 )
P11 = NOT ( C1 + C2 + C3 + C4 + C7 )
A DCS kód NRZ kódolással kerül elküldésre, méghozzá úgy, hogy a magasabb frekvencia az "1", az alacsonyabb a "0".

DCS bitfolyam

A DCS kód a PTT lenyomásától a PTT felengedéséig folyamatosan adásra kerül. A PTT felengedésekor 180 ms-ig 10101010 bitsorozatot küld 268.6 bps sebességgel. Ez a vevőoldal zajzárát fogja aktiválni.

DCS időzítés

A 104 darabos DCS biztonságos kódszókészlet
023
025
026
031
032
036
043
047
051
053
054
065
071
072
073
074
114
115
116
122
125
131
132
134
143
145
152
155
156
162
165
172
174
205
212
223
225
226
243
244
245
246
251
252
255
261
263
265
266
271
274
306
311
315
325
331
332
343
346
351
356
364
365
371
411
412
413
423
431
432
445
446
452
454
455
462
464
465
466
503
506
516
523
526
532
546
565
606
612
624
627
631
632
654
662
664
703
712
723
731
732
734
743
754

2.a Klasszikus modulációk adatátviteli célokra

2.1 AFSK - a máig használt ős (BELL202-es modem)

Az AFSK egy 1200 Hz-es és egy 2200 Hz-es vivőfrekvenciát billentyűztek adó oldalon 1200 bps-sel attól függően, hogy a bit értéke 1 vagy 0 volt. A demodulálás egy fáziszárt hirokkal (PLL) történt, amely kisebb frekvenciát érzékelve csökkentette a kimeneti feszültségét, nagyobb frekvenciát érzékelve meg növelte. Elterjedten használt moduláció a Packet rádiós átvitelnél és kizárólagos az APRS-nél. Megjegyzés: Létezik egy dupla ekkora frekvenciát használó 2400 bps átvitelű válfaja is, azonban az kevésbé terjedt el. Továbbá rövidhullámon létezik egy 300/550 Hz-es 300 bps sebességű változata is, amit QSO-zásra használnak.

2.2 FSK

Az FSK hasonlóan az előzőhöz, azonban nem a hangfrekvenciás jelet, hanem közvetlenül a rádiófrekvenciás modulátort vezérlik, ezáltal a pillanatnyi vivőfrekvenciát modulálják. A demodulálása ugyanígy történik. Ezt a modulációt Packet rádiónál a 70 cm-es 9600 bps átvitelű, illetve a 23 cm és az feletti sávok 19.200, 38400, 57600, 76800 bps sebességű linkjeinél elterjedten használják. Megjegyzések: Az FSK-hoz sajnos a legtöbb rádiókészűléken kisebb módosítás szükséges. Az 1 Mbps sebességű linkeket FSK helyett a jóval sávtakarékosabb BPSK-val modulálják. Lásd lejjebb.

2.3 FFSK

Szintén a hangfrekvenciás ágat modulálják. Nagyon elterjedt jelenleg a professzionális iparban. Jelentősége abban rejlik, hogy nem két vivővel dolgozik, mint az AFSK, amely közt billentyűzik, hanem egy frekvenciáközépen (1700 Hz) lévő jelet fázisban tol, ezáltal kényszerítve ki a vevőoldali PLL szintézerben a "frekvencia fel / frekvencia le" pillanatnyi vezérlőjelet, amely tulajdonképpen már az (általában NRZI kódolt) bit egyben. Ezáltal dupla akkora sebesség érhető el elviekben FFSK-val, mint AFSK-val.

2.b Korszerű, hatékony, de jórészt digitálisan
feldolgozható modulációk adatátviteli célokra

Az előző fejezetben szó esett arról, hogy a spektrum jobb kihasználása érdekében egy vivő helyett sok kis sávszélességű vivővel modulálják a rendelkezésre álló sávszélességet. Az alábbi modulációk egyvivős és sokvivős rendszerekben egyaránt alkalmazzák, ráadásul a csatornára egyidőben kikerülő vivőket gyakran nem ugyanazzal a modulációval modulálják.

Az alábbi modulációk mindegyikénél az amplitúdómodulációhoz hasonlóan elmondható, hogy az igényelt sávszélessége kétszerese a maximális szimbólumsebességnek. Tehát például egy másodpercenként 100-szor fázist változtató QAM16 200 Hz sávszélességet igényel és 400 bit átvitelét teszi másodpercenként lehetővé.

2.4 Tisztán fázisváltáson alapuló megoldások:

Adatátvitelre a leg robusztusabb megoldást a BPSK moduláció adja. Trellise a mellékelt ábrán látható. Szimbólumonként 1 bit átvitelére alkalmas.

Ha arra a tényre gondolunk, hogy a jel két egymásra merőleges, ezáltal egymástól független szinuszos és koszínuszos összetevőre bontható, könnyen belátható, hogy két független BPSK jel átvitele is megoldható. Ezáltal kétszer annyi bit préselhető bele ugyanabba a sávszélességbe. Ezt az eljárást QPSK modulációnak hívják. Trellise a mellékelt ábrán látható. Szimbólumonként 2 bit átvitelére alkalmas.
Megjegyzés: Az igaz, hogy független színuszos jelről van szó, ezáltal a moduláció a hibatűrésése elvileg nem rosszabb, mint a BSPK modulációé, azonban mindenképp vegyük figyelembe, hogy ugyanakkora adóteljesítménynél az egyetlen komponensre jutó kimenőteljesítmény csak fele lehet, ami vétel oldalon 3 dB jel-zaj viszony romlást eredményez.

Ha a 90 fok helyett 45 fokonkénti fázisbontással próbálunk adatot átvinni, akkor a 8PSK modulációhoz jutunk. Szimbólumonként 3 bit átvitelére alkalmas.

2.5 Fázisváltáson és amplítudóváltoztatáson alapuló megoldások:

A QAM4 ugyanaz, mint a QPSK, azonban a konstellációja a QAM modulációkhoz hasonlóan van ábrázolva. Szimbólumonként 2 bit átvitelére alkalmas.

A QAM8 hasonló a 8PSK-hoz, de nem olyan egyenletes. Szimbólumonként 3 bit átvitelére alkalmas.

QAM16: nagyon elterjedt moduláció. Ha jó a jel-zaj viszonyunk, akkor alkalmazható. Szimbólumonként 4 bit átvitelére alkalmas.

QAM32: szimbólumonként 5 bit átvitelére alkalmas.

QAM64: közép- és rövidhullámon ez a moduláció erős hibajavítással még alkalmazható nagy távolságban, de messze nem olyan robusztus, mint a BPSK ill. QPSK átvitel. Szimbólumonként 6 bit átvitelére alkalmas.

QAM128: szimbólumonként 7 bit átvitelére alkalmas.

A QAM256 kódolást mikrohullámon kis távolságú, de nagy bitsebességű adatátviteli kapcsolatoknál erős hibajavító kódolással használják. Szimbólumonként 8 bit átvitelére alkalmas.
Megjegyzés: Létezik ezen kívül még QAM512 és QAM1024 (32x32 pontos konstelláció) moduláció is, azonban rádiófrekvenciás szabadtéri átvitelre elterjedten egyenlőre sehol sem alkalmazzák.

2.6 Több frekvenciás billentyűzés:

Ez a mód akkor jöhet szóba, ha a nagyon nagy távolságú összeköttetés során annyira labilis a közegben a terjedés, hogy a fázismodulációkkal rossz eredmény érhető el. Ennek a módnak szemléletes példája az
FSK441, amelyet meteor scatterezésre használnak. Ott ugyanis annyira erős a fáziszaj, hogy a fázismodulációkkal már nem hatékony adatot átvinni.

© Krüpl Zsolt, hg2ecz - 2003

Utolsó módosítás: 2004. júni 12. (CTCSS és DCS hozzáadása)