مدولاسیونهای دیجیتال

1. بخش سوم مدولاسیونهای دیجیتال Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

2. مقدمه • انگیزۀ اصلی استفاده از مدولاسیون، بهره مندی کامل از محیطهای انتقال بوده و لذا میتوان عوامل تاثیر گذار بر این بهره مندی را که ملاک انتخاب روشهای مدولاسیون میگردد، بصورت زیر طبقه بندی نمود: • بر اساس نوع پیام مورد نظر برای ارسال: • voice/video (analog source) • data (digital source, machine-to-machine communications) • traffic statistics: continuous / bursty traffic • میزان تاخیری که مجاز هستیم. • نوع محیط انتقالی که در اختیار داریم. • در کاربردهای شبکه ائی، نوع شبکۀ مورد استفاده، نظیر: • cellular wireless networks (GSM, AMPS*) • RF-LANs (802.11b Wi-Fi, HiperLAN /2) • wire-line local area networks (Ethernet LANs) • public switched telephone network (PSTN) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

3. انواع شیوه های مدولاسیون دیجیتال • با ملاحظه سیگنال رادیوئی حامل در فرم کلی میتوان شیوه های مختلفی از مدولاسیون دیجیتال نظیر آنچه در آنالوگ داشتیم طبق شکل زیر تعریف نمائیم: Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

4. مدولاسیون دامنۀ دیجیتال ASK (1) • در مدولاسیون دامنۀ یا ASK، اطلاعات مدوله کننده داده های باینری 0 و1 بوده و چون کاریر وابسته به وضعیت داده 0 یا 1 بین دو وضعیت سوئیچ میشود بنام ”مدولاسیون کلیدزنی on/off“ نیز شناخته میشود. 0 1 1 1 1 0 0 Amplitude Shift Keying (ASK) , On Off Keying (OOK) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

5. VASK(t) 0 1 1 0 1 Vm(t) Vc(t) مدولاسیون دامنۀ دیجیتال ASK (2) Unipolar ASK Vm(t) : input signal (digital) Vc(t) : carrier signal VASK(t) : output signal Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

6. Amplitud, V Amplitud, V Amplitud, V 0 1 1 0 1 f(Hz) مدولاسیون دامنۀ دیجیتال ASK (3) حوزه فرکانس حوزه زمان Carrier X Unipolar f(Hz) = ASK f(Hz) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

7. پهنای باند مدولاسیون دامنۀ دیجیتال ASK BWASK = RS = Rb = 2fm برای سیگنالهای غیر پریودیک: fm : Max Frequency of input signal (Analogue) fS =2 fm : Min Sampling Frequency of input signal Rb = 1bit x fS =2fm : Min Bit Rate of input signal after 1 bit quantization (digital) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

8. ارزیابی سیستم ASK مزیتها • آسانی انجام مدولاسیون • بطور وسیعی در انتقال بوسیله فیبر نوری استفاده میشود. معایب • حساس در برابرتضعیف سیگنال (ناکارآمدی در ارتباط دهی بین نقاط دور از هم). • محدودیت نرخ بیت Slide 8 Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

9. مدولاسیون فرکانس دیجیتال FSK • در مدولاسیون فرکانس یا FSK، فرکانس کاریر وابسته به وضعیت داده ورودی 0 یا 1 بین دو وضعیت فرکانسی مختلف fHi=fC+fوfLow=fC-f(حول کاریر)سوئیچ میشود : 0 1 0 1 1 1 0 1 0 Frequency Shift Keying (FSK) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

10. پهنای باند مدولاسیون دامنۀ دیجیتال FSK برای سیگنالهای غیر پریودیک: BWFSK=2(Rb+f ) fm : Max Frequency of input signal (Analogue) fS =2 fm : Min Sampling Frequency of input signal Rb = 1bit x fS =2fm : Min Bit Rate of input signal after 1 bit quantization (digital) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

11. مثال • سیگنال FSK ائی با دو فرکانس 51kHz و49kHz سیگنال مدوله شده دیجیتالی را ایجاد می کند،نرخ بیت را 2kbps فرض نمایید، مطلوبست: • محل فرکانس کاریر • میزان انحراف فرکانس • پهنای باند • Baud rate 1.fC = |(49 kHz + 51 kHz)|/2 = 50 kHz 2. f:  f = |(49 kHz – 51 kHz)|/2 = 1 kHz 3. bandwidth: BW = 2[1 + 2] = 6 kHz 4. Baud= fb / 1 = 2000 / 1 = 2000 symbol/s

12. کاربردهای متداول شیوه FSK • مدم ها(Modulator/demodulator) • مخابرات موبایل(سلولی) • ارتباطات HF(در رنج 3-30 MHz) • انتقال دیتا بر روی خطوط قدرت • شبکه های خانگی دیتا با نرخ بیت بالای 14Mbps • تلفنهای Touch Tone Slide 12 Slide 12 Slide 12 Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

13. ارزیابی سیستم FSK مزیتها • برخورداری از تضعیف کمتر سیگنال در مقایسه با شیوه ASK • تاثیر پذیری کمتری از نویز نسبت به ASK دارد. معایب • غلبه نویز(prone to noise) در استفاده این شیوه برای ارتباطات دور(حدود 1km به بالا) • توانایی صرفا برای انتقال با نرخ بیت نسبتا پایین(baud rate 4800bps) Slide 13 Slide 13 Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

14. انواع هم خانواده های مدولاسیون FSK • MFSK (Multi or M-Array FSK) • DFSK (Double or Binary FSK) • dFSK (distributed) • GFSK (Gaussian) این شیوه مدولاسیون FSK ائی است که از فیلترهای گاوسی شکلی بمنظور شکل دهی پالسهای FSK و در نهایت آرام نمودن شکل نهایی حوزه زمان موج نهایی و در نهایت کاهش موثر پهنای باند، بهره میبرد(چراکه بطور تئوری پهنای باند FSK نامحدود است).مدارات مجتمع بلوتوث موجود از شیوه مدولاسیون GFSK استفاده می کنند. • CP-FSK (Continuous Phase) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

15. مقایسه مدولاسیونهای ASK و FSK • دلایل توجیهی و مواردی که توصیه میشود شیوه FSK انتخاب شود: • کاربردهای فرکانس بالا • امکان بروز تداخل با سایر سیگنالها/ آلودگی نویز بالا دلایل توجیهی و مواردی که توصیه میشود شیوه ASK انتخاب شود: • کاربردهای قدرت پایین • کاربردهای که ارزانی قیمت ملاک است. • مواردی که سادگی ساخت مد نظر است(مصارف عمومی و غیر نظامی • ضرورت بکارگیری کریستال در FSKو معایب آن (نیاز به سیستم پایدار کنندة حرارتی و شکنندگی) سبب برتری نسبی ASKگردیده است. • گیرنده FSKاز آستانه حداقل حساسیتی در مقابل ASKاز نظر پرفورمنس خوب نویز برخوردار بوده که البته بهای آنرا با اشغال پهنای باند پانزده برابر بیشتر از ASKپرداخته است. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

16. مدولاسیون فاز دیجیتال PSK • در مدولاسیون فاز یا PSK، کاریر وابسته به وضعیت داده ورودی 0 یا 1 بین دو وضعیت فازی مختلف(بهترین و ایمن ترین از نظر تشخیص در گیرنده دو فاز متقابل 0 و 180o میباشد) سوئیچ میشود بطوریکه اگر بیت وارده به مدولاتور تغییر حالت نداد فاز کاریر بدون تغییر باقی میماند، ولی با تغییر بیت (حال از 1 به0 یا از0 به 1 باشد) فاز کاریر تغییر می کند. : 1 0 1 1 1 0 0 Phase-Shift Keying Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

17. پهنای باند مدولاسیون دامنۀ دیجیتال PSK BWPSK = Rb = 2BWbaseband برای سیگنالهای غیر پریودیک: BWbaseband : Max Frequency of input signal (Analogue) fS =2 BWbaseband : Min Sampling Frequency of input signal Rb = 1bit x fS =2 BWbaseband : Min Bit Rate of input signal after 1 bit quantization (digital) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

18. مثال سیگنال PSK ائی با فرکانس کاریر 70MHz و نرخ بیت ورودی 10Mbps مفروض است، مطلوبست: 1) مینیمم پهنای باند 2) ماکزیمم و مینیمم فرکانسهای باند کناری

19. ویژ گیهای BPSK • BPSK • باینری PSK، در این نوع چنانچه بیت ورودی ”0“ باشد یک موج سینوسی در خروجی مدولاتور ایجاد شده و برای بیت ”1“ سینوسی با دامنه منفی(inverted sine wave) تولید می گردد. • از ویژگی های بارز این نوع میتوان به موارد زیر اشاره نمود: • ساده ترین نوع PSK • راندمان طیف پایین • مناسب برای سیستمهایی نظیر ارتباطات ماهواره ائی Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

20. ارزیابی سیستم BPSK مزیتها • مصونیت بالا در برابر نویز، فیدینگ، همشنوائی و انواع دیگر تداخل • برای اینکه گیرنده یک تصمیم اشتباه بگیرد منوط به بروز یک اعوجاج شدید میباشد. معایب • تنها قادر است یک بیت بر نمونه را مدوله سازد. • نامناسب برای کاربردهای با نرخ بیت بالا • گرانی اجراء این تکنولوژی Slide 20 Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh