Notes

Outline

Digitalni modulacijski postopki Digitalne komunikacije II

Uvod: Spektri analognih moduliranih signalov V radijskih komunikacijah je prenosni medij javna dobrina za katero podeljuje koncesijo država. Cena radijskega frekvenčnega prostora je zelo visoka, odvisna je tudi od namena uporabe* R-UMTS cca 700 SIT/Hz Pasovna širina moduliranega signala ne more biti manjša od pasovne širine modulacijskega signala ! Širina spektra moduliranega signala določa potrebno frekvenčno širino prenosnega kanala

Digitalne modulacije Osnovni digitalni modulacijski postopki so podobni analognim modulacijskim postopkom. Razlika med analogno modulacijo in digitalno modulacijo je v signalu na vhodu modulatorja:

Nelinearni modulator Vsak znak (simbol) predstavlja električni signal Izbiramo M različnih signalov, ki se lahko razlikujejo po obliki. Izberemo M harmoničnih signalov, ki se razlikujejo po amplitudi, fazi ali frekvenci ! ASK, PSK, FSK

Amplitudna modulacija ASK Najbolj enostaven modulacijski postopek je ASK (Amplitude-Shift Keying). ASK signal dobimo preprosto z množenjem M- nivojskega digitalnega signala s harmoničnim nosilcem. Najbolj preprost primer ASK je binarni ASK:

Amplitudna modulacija B-ASK ASK signal dobimo preprosto z množenjem binarnega digitalnega signala s harmoničnim nosilcem:

Omejevanje (oblikovanje) spektra Oblikovanje spektra po modulaciji:

Demodulator  ASK detektor ovojnice:

Lastnosti ASK ASK demodulator lahko deluje brez poznavanja informacije o frekvenci in fazi nosilca. Pri sinhroni detekciji zboljšamo kvaliteto prenosa: šum se zmanjša za 3dB. Spektralna učinkovitost ASK je polovico manjša kot pri prenosu signala v osnovnem pasu, ker prenašamo dva bočna pasova. Ker je informacija v amplitudi, je ASK signal zelo občutljiv na šum in nelinearna popačenja.

Fazna modulacija PSK Pri PSK (Phase Shift Keying) modulaciji se različni simboli ločijo med seboj po fazi nosilca. Najbolj preprost je binarni PSK: fazi sta različni za 180o

BPSK modulator BPSK signal dobimo z množenjem bipolarnega digitalnega signala s harmoničnim nosilcem:

PSK demodulator PSK signal demoduliramo s sinhronim (koherentnim) detektorjem

Diferencialni PSK Absolutna faza ni pomembna, informacijo nosi sprememba faze ! Signal na vhodu modulator najprej diferencialno kodiramo:

DPSK Uporabimo diferencialni kodirnik pred modulacijo, v demodulatorju pa primerjamo fazo signala z zakasnjenim signalom:

Lastnosti PSK PSK ni občutljiva na nelinarna popačenja: nelinearnost ojačevalnikov ne moti, PSK ni občutljiv na amplitudne motnje - signal v sprejemniku lahko limitiramo, Za demodulacijo PSK signala moramo v sprejemniku pridobiti informacijo o frekvenci in fazi nosilca. Obstaja rešitev: DPSK DPSK (Differential PSK):  če uporabimo diferenčno kodiranje, ne potrebujemo informacije o absolutni fazi. Informacije o nosilcu ne potrebujemo.

Dopplerjev pojav Če se razdalja med sprejemnikom in oddajnikom spreminja nastopi premik frekvenc:

Razširjanje signala po več poteh Signal v sprejemniku je vsota različno zakasnjenih komponent:

Frekvenčna modulacija FSK Pri FSK (Frequency Shift Keying) modulaciji se simboli razlikujejo po frekvenci harmoničnega signala. Najbolj enostaven primer FSK je binarni FSK:

Binarni FSK modulator BFSK signal dobimo na izhodu napetostno krmiljenega oscilatorja, če mu na vhod priključimo binarni digitalni signal:

FSK demodulator Nekoherentni detektor:

Spekter BFSK Binarni FSK lahko predstavimo z vsoto dveh B-ASK signalov:

Spekter FSK Širina spektra je odvisna od frekvenčne deviacije:

MSK in GMSK Širina spektra BFSK signala je odvisna predvsem od frekvenčne deviacije Df. Širino spektra močno zmanjšamo, če uporabimo minimalni frekvenčni skok MFSK (Minimum Frequency Shift Keying):

Lastnosti FSK FSK modulacijo odlikuje velika odpornosti na motnje. Ker je informacija vsebovana v frekvenci, FSK signal ni občutljiv na nelinearna popačenja Demodulacija FSK signala dopušča frekvenčne premike signala, ki nastopajo zaradi Dopplerjevega pojava !! Glavno slabost predstavlja majhna spektralna učinkovitost, kar lahko izboljšamo z MSK in GMSK.

Večnivojski ASK, PSK in FSK Preproste binarne modulacije omogočajo prenos enega bita na simbol. Če želimo povečati učinkovitost  modulacijskega postopka, moramo povečati: M = število različnih amplitud nosilca pri ASK modulaciji: M-ASK M = število različnih faz nosilca pri PSK modulaciji: M- PSK M = število različnih frekvenc pri FSK modulaciji: M- FSK.

Večnivojski ASK M različnih amplitud nosilca: M-ASK

Večfrekvenčni FSK M različnih frekvenc nosilca: M-FSK

M- PSK M signalov predstavlja M različnih faz nosilca: M-PSK primer:  QPSK  (M=4)

QPSK in DQPSK demodulator DQPSK demodulator ne potrebuje nosilca !

Kvadraturna amplitudna modulacija QAM QAM (Quadrature Amplitude Modulation) signal je vsota dveh amplitudno moduliranih signalov. Ločitev obeh komponent v sprejemniku je mogoča zaradi ortogonalnosti nosilcev:

16-QAM modem:

Lastnosti  QAM M-QAM ima veliko spektralno učinkovitost: na kanalu s pasovno širino B lahko odvisno od velikosti šuma prenašamo največ B.log2(M) bitov v sekundi. QAM je občutljiva na nelinearna popačenja !! Pri demodulaciji potrebujemo natančno informacijo o frekvenci in fazi nosilca ! Kaj povzroči zasuk faze pri sprejemu ?

Spektralno učinkoviti prenosni sistemi:

Modulacija z več nosilci: MCM, OFDM, DMT

Katera  modulacija je najboljša ? Izbira modulacijskega postopka je odvisna od razmer na prenosnem kanalu. žični prenosni kanal: če je na razpolago osnovni pas od 0Hz dalje, modulacija ni potrebna. sodobni telefonskih modemi uporabljajo kodirani QAM = TCM, nekatere xDSL tehnologije uporabljajo CAP (QAM) in  DMT (večkanalni QAM), radijski prenosni kanal: na mobilnem kanalu se uporablja FSK, PSK, (QAM) digitalni radio in TV (DAB in DVB) uporabljata OFDM (večkanalni DQPSK in QAM) zmogljive fiksne radijske povezave uporabljajo QAM katera modulacija je najboljša ?  ………

Katera  modulacijo izberemo ? Izbira modulacijskega postopka je odvisna od razmer na prenosnem kanalu !