การกล้ำสัญญาณ

การกล้ำสัญญาณ หรือ (อังกฤษ: Modulation) ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และ โทรคมนาคม การ (ควบ) กล้ำสัญญาณเป็นกระบวนการของการปรับเปลี่ยนลักษณะสมบัติอย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายๆอย่างของรูปสัญญาณคลื่นพาห์ (สัญญาณที่เป็นตัวขนส่งความถี่สูง) ด้วยสัญญาณข้อมูลที่จะถูกส่งผ่าน เช่น กระแสบิตดิจิตอล(อังกฤษ: digital bit stream)หรือสัญญาณเสียงอนาล็อก การกล้ำสัญญาณรูปคลื่นไซน์จะแปลงสัญญาณข้อความ baseband เป็นสัญญาณ passband

โมดูเลเตอร์เป็นอุปกรณ์กล้ำสัญญาณ, demodulator (บางครั้งเรียกว่า demod) เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานตรงกันข้ามกับการกล้ำส้ญญาณ, โมเด็ม (จาก modulator-demodulator) สามารถทำงานได้ทั้งสองอย่าง

จุดมุ่งหมายของการกล้ำสัญญาณดิจิตอลคือการโอนย้ายกระแสบิตดิจิตอลผ่านช่อง bandpass แอนะล็อก ตัวอย่างเช่นผ่านทางเครือข่ายโทรศัพท์ (PSTN) (ที่ซึ่งตัวกรอง bandpass จะจำกัดช่วงความถี่ไว้ที่ 300-3400 Hz ซึ่งเป็นความถี่เสียงที่มนุษย์ได้ยิน) เช่น บริการ ADSL หรือ ผ่านทางแถบความถี่วิทยุที่มีอยู่อย่างจำกัด

จุดมุ่งหมายของการกล้ำสัญญาณอะนาล็อกคือการโอนย้ายสัญญาณแอนะล็อก baseband (หรือ lowpass) เช่นสัญญาณเสียงหรือสัญญาณทีวี ผ่านช่องทาง bandpass แบบอะนาล็อกที่ความถี่ที่แตกต่างกันเช่นในช่วงแถบความถี่วิทยุที่จำกัดหรือช่องทางเครือข่ายเคเบิลทีวี

การกล้ำสัญญาณแอนะล็อกและดิจิตอลช่วยอำนวยความสะดวกในการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่ (อังกฤษ: Frequency Division Multiplex) หรือ FDM ที่หลาย ๆ สัญญาณข้อมูลความถี่ต่ำที่ผ่านการกรองมาแล้วจะถูกโอนพร้อมกันผ่านทางสื่อทางกายภาพเดียวกันที่ใช้ร่วมกัน โดยการใช้ช่อง passband แยกจากกัน (หลายความถี่คลื่นพาหะที่แตกต่างกัน)

จุดมุ่งหมายของวิธีการกล้ำสัญญาณดิจิทัล baseband หรือที่เรียกว่า line coding ก็เพื่อที่จะถ่ายโอนกระแสบิตดิจิตอลผ่านช่องทางเบสแบนด์ โดยทั่วไปก็คือลวดทองแดงที่ไม่กรอง เช่นบัสแบบอนุกรมหรือสายแลน

จุดมุ่งหมายของวิธีกล้ำสัญญาณกระตุก (อังกฤษ: pulse) เพื่อที่จะถ่ายโอนสัญญาณอนาล็อกแบนด์แคบ เช่น สัญญาณเสียงพูดโทรศัพท์ ผ่านช่องสัญญาณ baseband แถบกว้าง หรือในบางรูปแบบส่งผ่านเหมือนเป็นกระแสบิตผ่านระบบการส่งผ่านดิจิตอลอื่น

ในตัวสังเคราะห์เพลง, การกล้ำสัญญาณอาจถูกใช้ในการสังเคราะห์รูปคลื่นต่าง ๆ ด้วยคลื่น ความถี่เสียงกว้างโดยการใช้ oscillator จำนวนน้อย ในกรณีนี้ความถี่คลื่นพาหะโดยทั่วไปจะ อยู่ในลำดับเดียวกันหรือต่ำกว่าสัญญาณที่มากล้ำมาก ๆ ดูตัวอย่าง frequency modulation synthesis หรือ ring modulation synthesis

วิธีกล้ำส้ญญาณแอนะล็อก

ข้อความสัญญาณความถี่ต่ำ(บนสุด)อาจถูกขนส่งโดยคลื่นวิทยุ AM หรือ FM

ในการกล้ำสัญญาณแอนะล็อก การกล้ำจะถูกนำไปใช้อย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณข้อมูลแอนะล็อก เทคนิคการกล้ำแบบแอนะล็อกที่พบบ่อย คือ

• Amplitude Modulation (AM) (ความสูงคลื่นพาห์จะแปรไปตามความสูงของสัญญาณข้อมูล)
  • Double Sideband Modulation (DSB)
    • Double-sideband modulation with carrier ( DSB -WC ) ส่งคลื่นพาห์ไปด้วย (ใช้ในการส่งกระจายเสียงวิทยุ AM)
    • Double-sideband suppressed-carrier transmission (DSB-SC) คลื่นพาห์ไม่ถูกส่งไปด้วย
    • Double-sideband reduced carrier transmission (DSB-RC) คลื่นพาห์ถูกลดขนาด
  • Single-sideband modulation ( SSB หรือ SSB - AM)
    • SSB with carrier ( SSB -WC )
    • SSB suppressed carrier modulation ( SSB -SC )
  • Vestigial sideband modulation ( VSB หรือ VSB - AM)
  • Quadrature amplitude modulation ( QAM )
• Angle modulation, ซึ่งเป็นซองจดหมายที่คงที่โดยประมาณ
  • Frequency modulation ( FM ) (ความถี่ของสัญญาณคลื่นพาห์จะแปรตามความสูงของสัญญาณข้อมูล)
  • Phase modulation ( PM) (เฟสของสัญญาณคลื่นพาห์จะแปรตามความสูงของสัญญาณ ข้อมูล)

วิธีกล้ำสัญญาณดิจิทัล

ในการกล้ำสัญญาณดิจิตอล คลื่นพาห์แบบแอนะล็อกจะถูกกล้ำโดยสัญญาณที่ไม่ต่อเนื่อง วิธีการกล้ำดิจิตอลถือได้ว่าเป็นการแปลงดิจิตอลให้เป็นอะนาล็อก และ การ demodulation ที่สอดคล้องก็คือการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิตอล การเปลี่ยนแปลงของสัญญาณคลื่นพาห์จะถูกเลือกจากจำนวนที่แน่นอนของสัญลักษณ์ (อังกฤษ: symbol) M (อักษรที่ถูกกล้ำ)

แผนผังของ 4 บอด (8 บิต/วินาที) ของข้อมูลที่ส่งในหนึ่งวินาที สมมติข้อมูลมีค่าเพียง 2 บิต แต่ละสัญลักษณ์อาจเป็นค่าอะไรก็ได้

ตัวอย่างเช่น สายโทรศัพท์ถูกออกแบบมาสำหรับการถ่ายโอนเสียงออดิโอ เช่น โทนเสียง และไม่ใช่บิตดิจิตอล (ศูนย์กับหนึ่ง) อย่างไรก็ตามคอมพิวเตอร์อาจสื่อสารผ่านสายโทรศัพท์ด้วยวิธีการของโมเด็ม ซึ่งแทนบิตดิจิตอลด้วยโทนเสียงที่เรียกว่า สัญลักษณ์ ถ้ามีสี่สัญลักษณ์ (ตรงกับเครื่องดนตรีที่สามารถสร้างเสียงที่แตกต่างกันสี่อย่าง อย่างละครั้ง) สัญลักษณ์แรก อาจจะเป็นบิตลำดับ 00, ลำดับที่สองเป็น 01, ลำดับที่สามเป็น 10 และ ลำดับที่สี่เป็น 11 ถ้าโมเด็มเล่นเพลงประกอบด้วยอัตรา 1000 เสียงต่อวินาที อัตราสัญลักษณ์ก็จะมี 1000 สัญลักษณ์/วินาที หรือบอด เนื่องจากแต่ละโทนเสียง (เช่นสัญลักษณ์) หมายถึงข้อความที่ประกอบด้วยสองบิตดิจิตอลในตัวอย่างนี้ อัตราบิตจึงเป็นสองเท่าของอัตราสัญลักษณ์ นั่นคือ 2000 บิตต่อวินาที สิ่งนี้จะคล้ายกับเทคนิคที่ใช้โดยโมเด็ม dialup ซึ่งตรงข้ามกับโมเด็ม DSL

อ้างอิงถึงคำนิยามอันหนึ่งของสัญญาณดิจิตอล, สัญญาณที่ถูกกล้ำจะเป็นสัญญาณดิจิตอล และอ้างถึงข้อกำหนดอื่น การกล้ำเป็นรูปแบบของการแปลงดิจิตอลให้เป็นแอนะล็อก ตำรา ส่วนใหญ่จะพิจารณารูปแบบการกล้ำดิจิตอลว่าเป็นรูปแบบของการส่งผ่านดิจิตอล (อังกฤษ: digital transmission)ที่มีความหมายเหมือนกับการส่งผ่านข้อมูล (อังกฤษ: data transmission); น้อยมากที่จะพิจารณาว่ามันเป็นการส่งผ่านแบบแอนะล็อก (อังกฤษ: analog transmission)

พื้นฐานวิธีการกล้ำสัญญาณดิจิทัล

พื้นฐานส่วนใหญ่ของเทคนิคการกล้ำดิจิตอลจะขึ้นอยู่กับ คีย์ :

• PSK (phase-shift keying): จำนวนแน่นอนของเฟสที่ใช้
• FSK (frequency-shift keying): จำนวนแน่นอนของความถี่ที่ใช้
• ASK (amplitude-shift keying): จำนวนแน่นอนของความสูงของคลื่นที่ใช้
• QAM (quadrature amplitude modulation): จำนวนแน่นอนของอย่างน้อยสองเฟสและอย่างน้อยสองช่วงสูงของคลื่นที่ใช้

ใน QAM สัญญาณ inphase (หรือ I กับหนึ่งตัวอย่างที่เป็นรูปคลื่นโคไซน์) และ สัญญาณ quadrature phase อีกหนึ่งตัว (หรือ Q , กับอีกหนึ่งตัวอย่างเป็นคลื่นไซน์) จะเป็นการกล้ำแบบ AM ที่มีตัวเลขที่แน่นอนของความสูง แล้วนำมาบวกกัน มันจะสามารถเห็นได้ว่าเป็นระบบสองช่องทาง แต่ละช่องทางใช้ ASK ผลของสัญญาณที่ได้เทียบเท่ากับการรวมกันของ PSK และ ASK

ในทุกวิธีการข้างต้น แต่ละเฟสเหล่านี้ ความถี่หรือความสูงของคลื่นได้ถูกมอบหมายให้มีรูปแบบที่ไม่ซ้ำกันของบิตไบนารี โดยปกติ ในแต่ละเฟส ความถี่หรือความสูงจะเข้าระหัสเป็นจำนวนของบิตที่เท่ากันอันหนึ่ง ที่ประกอบด้วยสัญลักษณ์ที่เป็นตัวแทนจากเฟสใดเฟสหนึ่งที่เป็นความถี่หรือความสูง

ถ้าตัวอักษรประกอบด้วย $M=2^{N}$ สัญลักษณ์ทางเลือก แต่ละสัญลักษณ์แทนหนึ่งข้อความ ที่ประกอบด้วย N บิต ถ้าอัตราสัญลักษณ์(หรือเรียกว่าอัตราการรับส่งข้อมูล(อังกฤษ: baud rate)) เป็น $f_{S}$ สัญลักษณ์/วินาที (หรือ บอด) อัตราการข้อมูลจะเป็น $Nf_{S}$ บิต/วินาที

ตัวอย่างเช่น สำหรับตัวอักษรที่ประกอบด้วย 16 สัญลักษณ์ แต่ละสัญลักษณ์ถูกแทนค่าด้วย 4 บิต ดังนั้นอัตราข้อมูลจึงเป็นสี่เท่าของอัตราบอด

ในกรณีของ PSK, ASK หรือ QAM ที่ซึ่งความถี่คลื่นพาห์ของสัญญาณกล้ำจะเป็นค่าคงที่ ตัวอักษรที่ถูกกล้ำมักจะแสดงเพื่อความสะดวกบนแผนภาพ constellation diagram ที่แสดง ความสูงของสัญญาณ I ที่แกน x และความสูงของสัญญาณ Q ที่แกน y สำหรับแต่ละสัญลักษณ์

รายการของเทคนิคการกล้ำแบบดิจิทัลที่ใช้กันทั่วไป

• Phase-shift keying (PSK):
  • Binary PSK (BPSK), using M=2 symbols
  • Quadrature PSK (QPSK), using M=4 symbols
  • 8PSK, using M=8 symbols
  • 16PSK, using M=16 symbols
  • Differential PSK (DPSK)
  • Differential QPSK (DQPSK)
  • Offset QPSK (OQPSK)
  • π/4–QPSK
• Frequency-shift keying (FSK):
  • Audio frequency-shift keying (AFSK)
  • Multi-frequency shift keying (M-ary FSK or MFSK)
  • Dual-tone multi-frequency (DTMF)
• Amplitude-shift keying (ASK)
  • On-off keying (OOK), รูปแบบทั่วไปของ ASK
• M-ary vestigial sideband modulation, for example 8VSB
• Quadrature amplitude modulation (QAM) - ผสมกันของ PSK และ ASK:
  • Polar modulation เหมือน QAM ที่ผสมกันของ PSK และ ASK.
• Continuous phase modulation (CPM) methods:
  • Minimum-shift keying (MSK)
  • Gaussian minimum-shift keying (GMSK)
  • Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK)
• Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulation:
  • discrete multitone (DMT) - รวม adaptive modulation และ bit-loading.
• Wavelet modulation
• Trellis coded modulation (TCM), หรือเรียกว่า trellis modulation
• Spread-spectrum techniques:
  • Direct-sequence spread spectrum (DSSS)
  • Chirp spread spectrum (CSS) ตาม IEEE 802.15.4a CSS จะใช้ pseudo-stochastic coding
  • Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) ใช้รูปแบบพิเศษสำหรับ channel release
  • SIM31 (SIM) New digital Mode SIM31 SIM63 tks SWL Tunisian

การกล้ำ baseband ดิจิตอลหรือการเข้ารหัสสาย

บทความหลัก: line coding

คำว่า การกล้ำ baseband ดิจิตอล (หรือการส่ง baseband ดิจิตอล) หรือ line coding เป็นวิธีการถ่ายโอนกระแสบิตดิจิตอลผ่านช่อง baseband อนาล็อก (ช่อง lowpass) โดยใช้ขบวนของพั้ลส์ เช่นคือจำนวนที่ไม่ต่อเนื่องของหลายระดับสัญญาณ โดยการกล้ำแรงดันหรือกระแสในสายเคเบิลโดยตรง ตัวอย่างที่ใช้ทั่วไปคือ unipolar, non-return-to-zero (NRZ), แมนเชสเตอร์และเครื่องหมายอื่นผกผัน (AMI) codings