ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΔΕΚΤΗ ΜΕ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ QPSK

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: "ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ" ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΔΕΚΤΗ ΜΕ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ QPSK ΣΤΑΥΡΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ ΕΠΙΒΛΕΨΗ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ κ. ΚΩΣΤΑΡΑΚΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΙΩΑΝΝΙΝΑ - ΜΑΡΤΙΟΣ 2006

2

3 Αφιερώνεται στους γονείς μου Ανδρέα και Μαρία και στα αδέρφια μου Γιάννη και Νεκτάριο

4 ii

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Όπως συχνά συμβαίνει, έτσι και αυτή η διπλωματική εργασία δε θα ήταν δυνατή χωρίς τη βοήθεια ορισμένων ανθρώπων, τους οποίους με την ευκαιρία αυτή θα ήθελα να ευχαριστήσω. Πρωτίστως τον επιβλέποντά μου, καθηγητή κ.παναγιώτη Κωσταράκη, ο οποίος με υπομονή και επιμονή με καθοδήγησε και με στήριξε στη διάρκεια εκπόνησης της μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας μου. Επίσης, θα ήθελα να τον ευχαριστήσω για την ευκαιρία που μου έδωσε να συνεργαστώ μαζί του και να αποκτήσω σημαντικές γνώσεις σε θέματα που αφορούν τα ηλεκτρονικά και τις τηλεπικοινωνίες. Τους επίκουρους καθηγητές κ. Λύρα Ανδρέα και κ. Φούλια Στυλιανό για τη συμμετοχή τους στην τριμελή εξεταστική επιτροπή. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συναδέλφους, αλλά και φίλους συγχρόνως, του εργαστηρίου Ηλεκτρονικής, Τηλεπικοινωνιών και Εφαρμογών για την υποστήριξή τους και το πολύ καλό κλίμα συνεργασίας που υπήρχε και το οποίο συνέβαλλε σε μεγάλο βαθμό στον εμπλουτισμό των γνώσεων μου, αλλά και στο να ξεπεραστούν πολλές δυσκολίες. Πιστεύω και ελπίζω ότι οι φιλικές σχέσεις που αναπτύχθηκαν θα συνεχιστούν. iii

6 iv

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ix ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ BAΣΙΚΑ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΝΟΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΠΗΓΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ / ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΠΗΓΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΚΑΝΑΛΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ / ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΑΛΛΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΘΟΡΥΒΟΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΡΑΤΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΤΥΠΑ ΜΕΓΕΘΗ ΠΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΖΟΥΝ ΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ Μ-ΑΔΙΚΗΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ Μ-ΑΔΙΚΗΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ v

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΕΚΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΙΚΤΕΣ ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΙΚΤΩΝ ΕΙΔΗ ΜΙΚΤΩΝ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΑΠΟ ΤΑΣΗ VCO ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ VCO ΒΡΟΧΟΣ ΚΛΕΙΔΩΜΕΝΗΣ ΦΑΣΗΣ PLL ΒΑΣΙΚΗ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ PLL ΣΥΝΘΕΤΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΜΕ PLL ΒΑΣΙΚΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ PLL ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ Ν ΔΙΑΙΡΕΤΗ SINGLE MODULUS PRESCALER DUAL MODULUS PRESCALER I/Q ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΕΣ - ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΕΣ ΑΛΛΑ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΔΕΚΤΩΝ ΟΜΟΔΥΝΟΙ ΔΕΚΤΕΣ HOMODYNE (ZERO IF) RECEIVER ΕΤΕΡΟΔΥΝΟΣ ΔΕΚΤΗΣ HETERODYNE RECEIVER ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΣΤΕΡΙΣΜΟΥ CONSTELLATION DIAGRAMS ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΣΤΕΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΛΕΙΔΩΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΛΑΤΟΥΣ AMPLITUDE-SHIFT KEYING (ASK) ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ ASK ΑΣΥΜΦΩΝΗ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ASK ΣΥΜΦΩΝΗ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ASK ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΛΕΙΔΩΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΛΛΑΓΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ FREQUENCY-SHIFT KEYING (FSK) ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK ΑΣΥΜΦΩΝΗ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK vi

9 ΣΥΜΦΩΝΗ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΛΕΙΔΩΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ PHASE-SHIFT KEYING (PSK) ΔΥΑΔΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΜΕΤΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ BINARY PHASE SHIFT KEYING (BPSK) ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ BPSK ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΛΕΙΔΩΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ ΜΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΣΜΟ QUADRATURE PHASE-SHIFT KEYING (QPSK) ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ QPSK ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ PSK DPSK DQPSK ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΠΛΑΤΟΥΣ QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION (QAM) ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ...62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΦΕΡΟΝΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΡΟΧΟΣ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΣΜΟΥ ΑΝΟΙΧΤΟΣ ΒΡΟΧΟΣ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΣΜΟΥ ΚΛΕΙΣΤΟΣ ΒΡΟΧΟΣ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΣΜΟΥ Ο ΒΡΟΧΟΣ COSTAS COSTAS LOOP QPSK COSTAS LOOP...72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΥΛΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΡΧΙΚΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΥΚΛΩΜΑ ΣΥΝΘΕΤΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ VCO MAX LOOP FILTER PLL ADF ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΣΥΝΘΕΤΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΒΑΘΜΙΔΑ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗ AD ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ vii

10 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΟΥ ΤΟΠΙΚΟΥ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗ ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ ΑΝΑΚΤΗΣΗΣ ΦΕΡΟΝΤΟΣ ΥΠΟΒΙΒΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΔΙΑΜΟΡΦΩΜΕΝΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ (DOWN-CONVERSION) ΔΙΑΙΡΕΣΗ ΔΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑ ΥΨΩΣΗΣ ΣΤΗΝ ΤΕΤΑΡΤΗ QUADRUPLER ΤΕΛΙΚΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΠΙΚΟΣ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ LOCAL OSCILLATOR ΠΛΑΚΕΤΑ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΚΑΙ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΜΕΝΗΣ ΕΞΟΔΟΥ ΒΑΘΜΙΔΑ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ AD ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΞΟΔΩΝ ΤΟΥ ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΕΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΤΥΠΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΠΙΠΕΔΟ ΓΕΙΩΣΗΣ GROUND PLANE ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ viii

11 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία εκπονήθηκε εξ' ολοκλήρου στο εργαστήριο Ηλεκτρονικής, Τηλεπικοινωνιών και Εφαρμογών του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Αντικείμενο της είναι η κατασκευή ενός ψηφιακού δέκτη για την αποδιαμόρφωση QPSK σημάτων στην περιοχή των 900ΜΗz. Για την υλοποίηση του δέκτη χρησιμοποιήθηκε ένας ομόδυνος τετραγωνικός αποδιαμορφωτής της εταιρείας Analog Devices με εύρος συχνοτήτων λειτουργίας από 800MHz έως 2,7GHz και μέγιστο εύρος ζώνης εξόδου 90ΜΗz. Επίσης, αναπτύχθηκε ένας προγραμματιζόμενος συνθέτης συχνοτήτων με PLL, ο οποίος παρέχει το απαραίτητο σήμα τοπικού ταλαντωτή στον αποδιαμορφωτή. Τις εξόδους I και Q του τετραγωνικού αποδιαμορφωτή, ακολουθεί ένας διπλός ADC εύρους 10bit για κάθε κανάλι και μέγιστης ταχύτητας δειγματοληψίας 80Msps. Η συλλογή των δεδομένων που προκύπτουν από τον ADC, θα αποτελέσει αντικείμενο επεξεργασίας μελλοντικής διπλωματικής εργασίας, με σκοπό τη διόρθωση σφαλμάτων και ανάκτηση των δεδομένων. Τέλος, στα πλαίσια της εργασίας αυτής έγινε προσπάθεια κατασκευής ενός κυκλώματος ανάκτησης φέροντος από QPSK διαμορφωμένο σήμα. Η όλη προσπάθεια στηρίχθηκε στη μέθοδο του τετραπλασιασμού. Όπως γνωρίζουμε, ο αποδιαμορφωτής είναι συστατικό στοιχείο της δομής ενός συστήματος επικοινωνίας. Στο πρώτο κεφάλαιο, λοιπόν, γίνεται περιγραφή της δομής ενός συστήματος επικοινωνίας. Επίσης, αναπτύσσονται εν συντομία διάφορες αιτίες που εμποδίζουν την, χωρίς περιορισμούς και σφάλματα, επικοινωνία δεδομένων καθώς και η σημασία των τεχνικών που χρησιμοποιούν σηματοδοσία πολλών επιπέδων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφερόμαστε στα βασικά δομικά στοιχεία ενός δέκτη, όπως είναι οι μίκτες, τα VCO και οι συνθέτες συχνοτήτων. Ακόμη, περιγράφονται εν συντομία τα δύο είδη τα δύο είδη αρχιτεκτονικής δεκτών: οι ομόδυνοι και ετερόδυνοι δέκτες. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης, αλλά και οι μέθοδοι αποδιαμόρφωσης για την κάθε περίπτωση και γίνεται μια σύγκριση μεταξύ τους. Ακόμη, εξηγούνται τα διαγράμματα αστερισμού, ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τον έλεγχο ψηφιακών συστημάτων επικοινωνίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις πιο γνωστές τεχνικές ανάκτησης φέροντος, όπως είναι ο βρόχος τετραγωνισμού και ο βρόχος Costas. ix

12 Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο εξηγούνται τα διάφορα τυπωμένα κυκλώματα που αναπτύχθηκαν, οι μετρήσεις που έγιναν, τα προβλήματα που προέκυψαν στην κατασκευή του αποδιαμορφωτή και που αυτά οφειλόταν. Ακόμη, αναφέρονται κάποιες κατασκευαστικές λεπτομέρειες που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στην κατασκευή κυκλωμάτων υψηλών συχνοτήτων. x

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική περιγραφή ενός συστήματος επικοινωνίας, εξετάζοντας εν συντομία τα βασικά επιμέρους στοιχεία από τα οποία αποτελείται και δίνοντας τα χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια αναφέρονται οι κυριότεροι φυσικοί, τεχνολογικοί και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την χωρίς περιορισμούς επικοινωνία. Τέλος, σημειώνονται και επεξηγούνται τα σημαντικότερα μεγέθη που χαρακτηρίζουν μια επικοινωνιακή ζεύξη, καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των συστημάτων σηματοδοσίας πολλών επιπέδων. 1.2 ΓΕΝΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σκοπός ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος είναι η αποστολή πληροφορίας από κάποιο σημείο του χώρου, το οποίο καλείται πηγή (source), σε κάποιο άλλο, το οποίο καλείται προορισμός (destination). Συνήθως το σήμα που παράγεται από την πηγή δεν είναι ηλεκτρικό. Για το λόγο αυτό, στον πομπό (TX transmitter) γίνεται χρήση ενός μετατροπέα εισόδου, ο οποίος μετατρέπει το μήνυμα που θέλουμε να μεταδώσουμε σε κατάλληλο ηλεκτρικό σήμα. Το χρονικά μεταβαλλόμενο αυτό σήμα ονομάζεται σήμα πληροφορίας (message signal) ή σήμα βασικής ζώνης (baseband signal). Στο δέκτη (RX receiver) ένας άλλος μετατροπέας κάνει την αντίστροφη διαδικασία. Δημιουργεί δηλαδή το αρχικό μήνυμα από το ηλεκτρικό σήμα. Στο σχήμα 1.1 φαίνονται τα κυριότερα τμήματα ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Ο βασικός σκοπός του πομπού είναι η μετατροπή του σήματος πληροφορίας σε ένα άλλο, κατάλληλο για μετάδοση μέσα από το κανάλι επικοινωνίας. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται διαμόρφωση και την οποία θα δούμε πιο αναλυτικά παρακάτω. Άλλες διεργασίες στον πομπό είναι η ενίσχυση και το φιλτράρισμα.

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σχήμα 1.1: Γενικό διάγραμμα συστήματος επικοινωνίας Το κανάλι επικοινωνίας παρέχει την ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Υπάρχουν πολλοί και διάφοροι τύποι καναλιών όπως ο ελεύθερος χώρος, μια οπτική ίνα, ένα καλώδιο. Οποιοδήποτε κανάλι όμως υποβαθμίζει το μεταδιδόμενο σήμα. Αυτή η υποβάθμιση οφείλεται στη μη γραμμική απόκριση του καναλιού, σε ανεπιθύμητα ηλεκτρικά σήματα (θόρυβος) και σε παρεμβολές. Ο πομπός και ο δέκτης είναι σχεδιασμένοι έτσι ώστε να περιορίζουν τις επιπτώσεις του θορύβου και να γίνεται όσο το δυνατόν πιο πιστή αναπαραγωγή του αρχικού μηνύματος στον προορισμό. Κατά τη διαδικασία της διαμόρφωσης στον πομπό έχουμε συστηματική μεταβολή κάποιου χαρακτηριστικού μεγέθους (πλάτος, συχνότητα, φάση) ενός φέροντος σήματος ανάλογα με τις μεταβολές του σήματος πληροφορίας. Ανάλογα με τον τύπο του φέροντος έχουμε δύο κατηγορίες: α) τη διαμόρφωση συνεχούς φέροντος (continuous wave, CW) και β) τη διαμόρφωση παλμών. Στην πρώτη το φέρον είναι μια συνεχή κυματομορφή, συνήθως ημιτονικής μορφής ενώ στη δεύτερη είναι συνήθως κυματομορφή ορθογώνιου παλμού. Και στις δύο περιπτώσεις μπορεί να έχουμε διαμόρφωση είτε από συνεχώς μεταβαλλόμενο (ή αναλογικό) σήμα, είτε από διακριτά μεταβαλλόμενο σήμα (ψηφιακό σήμα). Έτσι προκύπτουν, σε αντιστοιχία με τα παραπάνω δύο είδη διαμορφώσεων, ανάλογα με το σήμα πληροφορίας: οι αναλογικές και οι ψηφιακές διαμορφώσεις. Στο δέκτη γίνεται μια διαδικασία αντίστροφη της διαμόρφωσης, η οποία καλείται αποδιαμόρφωση. Ο βασικός σκοπός του δέκτη είναι να αναδημιουργήσει το αρχικό σήμα μηνύματος από την υποβαθμισμένη μορφή του λαμβανομένου σήματος. Παρόλα αυτά, λόγω των φαινομένων που αναφέρθηκαν παραπάνω, ο δέκτης δεν μπορεί να ανακτήσει τέλεια το σήμα πληροφορίας. 2 ΠΜΣ-ΣΗΤ

15 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Με βάση τον τύπο της διαμόρφωσης, καθώς και αυτόν του σήματος εξόδου της πηγής πληροφορίας, τα συστήματα επικοινωνίας χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: α) Αναλογικά συστήματα επικοινωνίας, όπου γίνεται χρήση αναλογικών μεθόδων διαμόρφωσης για μετάδοση αναλογικών σημάτων πληροφορίας β) Ψηφιακά συστήματα, όπου γίνεται χρήση ψηφιακών μεθόδων διαμόρφωσης για μετάδοση ψηφιακών σημάτων πληροφορίας και γ) Μικτά (υβριδικά) συστήματα, στα οποία χρησιμοποιούνται ψηφιακές μέθοδοι διαμόρφωσης για μετάδοση αναλογικών σημάτων πληροφορίας τα οποία προηγουμένως έχουν ψηφιοποιηθεί με την τεχνική της δειγματοληψίας και της κβάντισης. 1.3 ΒΑΣΙΚΑ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΝΟΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Στην ενότητα αυτή θα δούμε τα βασικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα επικοινωνίας ψηφιακής μετάδοσης. Το μπλοκ διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος φαίνεται στο σχήμα 1.1. Σχήμα 1.2: Μπλοκ Διάγραμμα Ψηφιακού Συστήματος Επικοινωνίας Σκοπός ενός τέτοιου συστήματος είναι η μετάδοση ενός μηνύματος με όσο το δυνατόν μεγαλύτερο ρυθμό και μικρότερο αριθμό σφαλμάτων. Τα σφάλματα αυτά προέρχονται συνήθως από το φυσικό μέσο μετάδοσης (επικοινωνιακό κανάλι), στο οποίο εκτός από την πληροφορία μας μεταδίδονται και άλλα ΠΜΣ-ΣΗΤ 3

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ηλεκτρομαγνητικά ή ηλεκτρικά σήματα και επομένως το σήμα μας θα είναι παραμορφωμένο στην είσοδο του δέκτη σε σχέση με αυτό στην έξοδο του πομπού. Ακόμη, το σήμα μας θα έχει αλλοιωθεί λόγω απρόβλεπτων ηλεκτρικών και ηλεκτρομαγνητικών σημάτων (θόρυβος), τόσο από τεχνητές όσο και από φυσικές αιτίες. Αυτά τα προβλήματα εισάγουν σφάλματα στην απρόσκοπτη μετάδοση της πληροφορίας και έτσι περιορίζεται ο ρυθμός μετάδοσης. Ο ρυθμός εσφαλμένης αποκωδικοποίησης συμβόλων (Symbol Error Rate-SER) ή ο ρυθμός λήψης εσφαλμένων bit (Bit Error Rate BER) αποτελούν μέτρο των επιδόσεων του συστήματος μας. Επομένως κατά τη μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ενός ψηφιακού συστήματος επικοινωνίας θα πρέπει να έχουμε ως κύριο στόχο την ελαχιστοποίηση των εσφαλμένα αποκωδικοποιημένων συμβόλων (ή ψηφίων) με σκοπό την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης. Ας δούμε τώρα τη λειτουργία που επιτελεί καθένα από τα στοιχεία του συστήματος ΠΗΓΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Οι πηγές πληροφορίας κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τη μορφή των σημάτων στην έξοδό τους: α) σε αναλογικές πηγές, όπως το μικρόφωνο που διεγείρεται από την ομιλία (αναλογικό σήμα), οι οποίες δίνουν ένα ή περισσότερα συνεχώς μεταβαλλόμενα σήματα και β) διακριτές πηγές, όπως ένα τηλέτυπο ή η σειριακή έξοδος ενός υπολογιστή, οι οποίες αποτελούνται από μια σειρά γραμμάτων ή συμβόλων. Ένα αναλογικό σήμα (πηγή) μπορεί να μετατραπεί σε μια πηγή διακριτών συμβόλων (δηλ. μια ψηφιακή ή διακριτή πηγή) με τις μεθόδους της δειγματοληψίας και της κβάντισης (A/D conversion). Οι πηγές διακριτής πληροφορίας χαρακτηρίζονται από τις παρακάτω παραμέτρους: α) το αλφάβητο της πηγής (σύμβολα ή γράμματα), β) το ρυθμό παροχής συμβόλων (symbol transfer rate - R s, symbols/sec), γ) τις πιθανότητες εμφάνισης των διαφόρων συμβόλων ή γραμμάτων και δ) τις πιθανοεξαρτήσεις εμφάνισης μεταξύ των συμβόλων σε μια ακολουθία. Με βάση αυτές τις παραμέτρους μπορούμε να ορίσουμε δύο μεγέθη: α) την εντροπία (Η) της πηγής η οποία περιγράφει το κατά μέσο όρο πληροφοριακό περιεχόμενο ανά σύμβολο σε ένα μήνυμα μεγάλου μήκους και μετρείται σε bits/symbol και 4 ΠΜΣ-ΣΗΤ

17 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ β) το ρυθμό παροχής πληροφορίας (R) της πηγής η οποία ισούται με την εντροπία της πηγής επί το ρυθμό των συμβόλων και δίνεται σε μονάδες bits/sec. R=H R s Ο R παριστάνει το ρυθμό δυαδικών δεδομένων (data rate) για να στείλουμε την πληροφορία από την πηγή στον τελικό αποδέκτη (προορισμός) ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ / ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΠΗΓΗΣ Ο κωδικοποιητής πηγής μετατρέπει την ακολουθία των συμβόλων, που παράγει η πηγή διακριτής πληροφορίας, σε μια σειρά δυαδικών ψηφίων (bit) από 0 και 1, αντιστοιχώντας δυαδικές κωδικές λέξεις στα διάφορα σύμβολα. Οι κωδικές αυτές λέξεις μπορεί να είναι είτε σταθερού, είτε μεταβαλλόμενου μήκους. Ο αποκωδικοποιητής στο δέκτη κάνει την αντίστροφη δουλειά από τον κωδικοποιητή, δηλαδή μετατρέπει τη δυαδική ακολουθία του αποκωδικοποιητή καναλιού σε μια σειρά από σύμβολα. Οι αποκωδικοποιητές είναι πιο απλοί στην περίπτωση κωδικών λέξεων σταθερού μήκους, ενώ η πολυπλοκότητά τους αυξάνεται σε συστήματα με κωδικές λέξεις μεταβλητού μήκους. Στη δεύτερη περίπτωση πρέπει να μπορούν να αντιμετωπίζουν προβλήματα, όπως η απαίτηση αύξησης της μνήμης καθώς και η απώλεια συγχρονισμού λόγω εσφαλμένου bit ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΚΑΝΑΛΙ Το επικοινωνιακό κανάλι αποτελεί το δίαυλο μέσα από τον οποίο θα μεταδοθεί το σήμα από τον πομπό στο δέκτη. Το κανάλι μπορεί να είναι μια γραμμή μεταφοράς (ζευγάρι συρμάτων, τηλεφωνικό καλώδιο), μια οπτική ίνα ή απλά ο ελεύθερος χώρος μέσα στον οποίο εκπέμπεται το σήμα ως ηλεκτρομαγνητικό σήμα (όπως στη ραδιοφωνία και τηλεόραση). Κατά τη διέλευση του σήματος από το κανάλι η ισχύς του μειώνεται, όπως επίσης μπορεί να παρουσιάσει παραμόρφωση πλάτους και φάσης λόγω του περιορισμένου εύρους ζώνης που χαρακτηρίζει μερικά είδη καναλιών. Ακόμη, μπορεί να αλλοιωθεί λόγω θορύβου. Οι επιδράσεις του θορύβου, σε αντίθεση με τα υπόλοιπα φαινόμενα υποβάθμισης, είναι δύσκολο να εξαλειφθούν λόγω αδυναμίας ακριβούς ορισμού των ιδιοτήτων του (εύρος ζώνης, στάθμη, στιγμιαία φάση). Ορισμένες παράμετροι που χαρακτηρίζουν το κανάλι είναι: α) ο λόγος των ισχύων σήματος-προς-θόρυβο (signal-to-noise ratio, S/N) στην έξοδό του. Αυτή η παράμετρος είναι σημαντική, γιατί ενώ θα μπορούσαμε να αυξάνουμε την ισχύ του σήματος για να ελαχιστοποιήσουμε τις επιπτώσεις του ΠΜΣ-ΣΗΤ 5

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 θορύβου παράλληλα εμφανίζονται μη γραμμικά φαινόμενα στη συμπεριφορά του καναλιού. β) το εύρος ζώνης (channel bandwidth, Β σε Hz). Το εύρος ζώνης για παράδειγμα μιας τυπικής τηλεφωνικής γραμμής είναι περίπου 3KHz και γ) η απόκριση πλάτους και φάσης. Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων (data) από το κανάλι σε σχέση με το πεπερασμένο εύρος ζώνης B και το λόγο σήματος-προς-θόρυβο S/N του καναλιού για μηδενικό αριθμό σφαλμάτων, εκφράζεται από το όριο χωρητικότητας Shannon-Hartley, τo οποίο δίνεται από τον τύπο: Χωρητικότητα καναλιού: C=B log ( S/N+1) bits/second 2 Στην πράξη η επίτευξη του παραπάνω στόχου για το ρυθμό αποστολής δεν επιτυγχάνεται ποτέ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ Η αποτελεσματική χρήση του επικοινωνιακού καναλιού απαιτεί τη μετατροπή του σήματος βασικής ζώνης σε ένα σήμα κατάλληλο για μετάδοση. Τη λειτουργία αυτή αναλαμβάνει ο διαμορφωτής. Διαμόρφωση (modulation) είναι η διαδικασία κατά την οποία κάποιο χαρακτηριστικό (πλάτος, συχνότητα, φάση) του φέροντος μεταβάλλεται σύμφωνα με το σήμα βασικής ζώνης ή σήμα διαμόρφωσης. Ως φέρον αναφέρεται ένα υψίσυχνο ηλεκτρικό σήμα με συχνότητα κατάλληλη για μετάδοση. Με τη διαμόρφωση επιτυγχάνονται τα εξής: α) αντιμετώπιση των επιδράσεων του θορύβου, β) προσαρμογή του φάσματος συχνοτήτων του σήματος πληροφορίας με τα χαρακτηριστικά του καναλιού, γ) δυνατότητα μετάδοσης πολλών σημάτων ταυτόχρονα (πολυπλεξία), δ) υπερπήδηση τεχνικών περιορισμών των συσκευών. Οι σημαντικότερες παράμετροι του διαμορφωτή είναι: α) ο τύπος του φέροντος που χρησιμοποιεί (ημιτονικό σήμα, τετραγωνικό), β) ο τύπος της διαμόρφωσης, γ) η στάθμη ισχύος και δ) το εύρος ζώνης. 6 ΠΜΣ-ΣΗΤ

19 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Η απεριόριστη αύξηση της ισχύος και του εύρους ζώνης που χρησιμοποιεί ο διαμορφωτής, κάτι που θα μας επέτρεπε να υπερνικήσουμε τις επιπτώσεις του θορύβου στη μετάδοση, δεν είναι δυνατή, λόγω των περιορισμών που εισάγουν τόσο οι συσκευές όσο και το κανάλι. Στην περίπτωση αυτή η χρήση σχημάτων διαμόρφωσης που μεταδίδουν περισσότερα των δύο bits κάθε φορά, είναι μια λύση με την οποία επιτυγχάνονται πολύ μεγαλύτεροι ρυθμοί μετάδοσης. Η μέθοδος αυτή καλείται Μ-αδική σηματοδοσία και εξηγείται περισσότερο αναλυτικά στην ενότητα ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ Αποδιαμόρφωση είναι η αντίστροφη διαδικασία από τη διαμόρφωση. Ο αποδιαμορφωτής δέχεται στην είσοδό του το παραμορφωμένο αναλογικό σήμα (διαμορφωμένο φέρον) που μεταδίδεται μέσα από το επικοινωνιακό κανάλι και δίνει στην έξοδό του μια ακολουθία δυαδικών ψηφίων. Η ακολουθία αυτή πρέπει, στην ιδανική περίπτωση, να είναι ταυτόσημη με αυτή που διαμόρφωσε το φέρον στο διαμορφωτή. Ανάλογα με τη διαμόρφωση που χρησιμοποιείται υπάρχουν διάφορες μέθοδοι αποδιαμόρφωσης, οι οποίες διαφέρουν ως προς την πολυπλοκότητα, αλλά και την ακρίβεια. Γενικά ισχύει ο κανόνας σύμφωνα με τον οποίο, για δοσμένο ρυθμό μετάδοσης, η ακρίβεια είναι ανάλογη της πολυπλοκότητας. Μέτρο της απόδοσης του διαμορφωτή / αποδιαμορφωτή και καναλιού αποτελεί ο μέσος ρυθμός εσφαλμένων bit (BER) στην έξοδο του αποδιαμορφωτή. Με δεδομένα τον τύπο διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης, τη στάθμη ισχύος του σήματος στην έξοδο του διαμορφωτή, καθώς και τα φυσικά χαρακτηριστικά του καναλιού και του θορύβου που αυτό εισάγει, μπορούμε να υπολογίσουμε την ελάχιστη πιθανότητα εσφαλμένης αποκωδικοποίησης ενός bit του μηνύματος συναρτήσει του ρυθμού μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων, της ισχύος και του εύρους ζώνης ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ / ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Με την κωδικοποίηση καναλιού (channel coding) είναι εφικτή η βελτίωση του ρυθμού εσφαλμένων bit της μεταδιδόμενης πληροφορίας ενός επικοινωνιακού συστήματος. Αυτό καθίσταται δυνατό με την προσθήκη επιπλέον bits στην ακολουθία δεδομένων που προκύπτουν από τον κωδικοποιητή πηγής. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να γίνει ανίχνευση ή και διόρθωση σφαλμάτων κατά τη λήψη. ΠΜΣ-ΣΗΤ 7

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Υπάρχουν δύο είδη κωδικοποίησης: α) Κωδικοποίηση κατά block (block coding). Στην κωδικοποίηση αυτή σε κάθε k bits πληροφορίας (block) προστίθενται r bits ελέγχου. Ο αριθμός των bits που προστίθενται εξαρτάται από το μέγεθος του block και από το βαθμό ανίχνευσης σφαλμάτων που απαιτείται. Παραδείγματα αυτού του είδους κωδικοποίησης είναι: i) τα bit ελέγχου ισοτιμίας (parity). Στην περίπτωση αυτή στο τέλος κάθε block προστίθεται το κατάλληλο bit, έτσι ώστε το πλήθος των "1" να είναι άρτιο ή περιττό, ανάλογα με το αν θέλουμε η ισοτιμία να είναι άρτια ή περιττή. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη σε συστήματα με μικρό ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων, ενώ αν τα σφάλματα εμφανίζονται στο ίδιο block κατά ζεύγη από "1" δεν είναι δυνατή η ανίχνευση. ii) Οι κώδικες Hamming. Στη μέθοδο αυτή προστίθενται ένας αριθμός bit (μεγαλύτερος των τριών) σε κάθε block έτσι ώστε το block που θα προκύψει να διαφέρει κατά ένα συγκεκριμένο αριθμό bit από οποιοδήποτε άλλο. Με την κωδικοποίηση αυτή μπορεί να επιτευχθεί και διόρθωση σφαλμάτων σε αντίθεση με τη μέθοδο της ισοτιμίας. β) Συνελικτική κωδικοποίηση (convolutional coding). Η μέθοδος αυτή συνίσταται στην συνεχή ανάμιξη από bits πληροφορίας και ελέγχου. Παράδειγμα τέτοιας κωδικοποίησης είναι ο κώδικας Viterbi. Υπάρχουν παρόλα αυτά κάποιες απαιτήσεις ή προβλήματα κατά την υλοποίηση των κωδικοποιητών / αποκωδικοποιητών: α) Είναι αναγκαία η αποθήκευση και επεξεργασία των bits στον κωδικοποιητή και αποκωδικοποιητή κάτι που συνεπάγεται καθυστέρηση στη διαδικασία εκπομπής, β) Αυξάνει η πολυπλοκότητα των διατάξεων και γ) Αυξάνει ο αριθμός των ψηφιακών δεδομένων που εκπέμπεται το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού εκπομπής χρήσιμης πληροφορίας. Σημαντικά χαρακτηριστικά του κωδικοποιητή / αποκωδικοποιητή είναι: α) ο τύπος της κωδικοποίησης β) ο ρυθμός του κώδικα R=k/(k+r), που μας δίνει το ποσοστό κατά το οποίο έχει μειωθεί ο αρχικός ρυθμός δεδομένων στην είσοδο του κωδικοποιητή γ) η ικανότητα για έλεγχο ή και διόρθωση σφαλμάτων δ) η καθυστέρηση στην αποκωδικοποίηση και ε) η πολυπλοκότητα. 8 ΠΜΣ-ΣΗΤ

21 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Πολλές φορές η κωδικοποίηση πηγής, η κωδικοποίηση καναλιού και ο τύπος διαμόρφωσης συνδυάζονται κατάλληλα ώστε να πετύχουμε μεγαλύτερους ρυθμούς και υψηλότερη ακρίβεια στη μετάδοση ΑΛΛΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ Στις διάφορες πρακτικές εφαρμογές εκτός από τα στοιχεία που εμφανίζονται στο σχήμα 1.2 υπάρχουν και άλλα τα οποία δεν φαίνονται εδώ. Αυτά είναι για παράδειγμα οι εξισωτές και τα κυκλώματα ανάκτησης φέροντος και χρονισμού των συμβόλων. Οι εξισωτές αντισταθμίζουν τις παραμορφώσεις που προέρχονται από το κανάλι και τα κυκλώματα ανάκτησης διατηρούν το συγχρονισμό μεταξύ του πομπού και του δέκτη εξαλείφοντας διαφορές φάσης. Η διάταξη για τα διάφορα λειτουργικά τμήματα που δόθηκε παραπάνω είναι ένα γενικό μοντέλο για τα ψηφιακά συστήματα επικοινωνίας. Αυτό σημαίνει ότι ανάλογα με τον τύπο σηματοδοσίας και διαμόρφωσης μπορεί να έχουμε κάποιες παραλλαγές, όπως για παράδειγμα αν έχουμε επικοινωνία σε βασική ζώνη ή όχι, οπότε δεν θα υπάρχει ή θα υπάρχει η ανάγκη διαμόρφωσης αντίστοιχα. 1.4 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Υπάρχουν τρία πρωτόκολλα εκπομπής: μονόδρομη, ημι-αμφίδρομη και πλήρως αμφίδρομη. Μονόδρομη (simplex) επικοινωνία έχουμε όταν η μετάδοση της πληροφορίας μπορεί να γίνει μόνο προς μία κατεύθυνση. Παράδειγμα τέτοιας ζεύξης είναι το ραδιόφωνο και η τηλεόραση. Ημι-αμφίδρομη (half dublex) ζεύξη έχουμε όταν μπορεί να έχουμε επικοινωνία και προς τις δύο κατευθύνσεις αλλά όχι ταυτόχρονα. Παράδειγμα τέτοιας επικοινωνίας είναι οι ασύρματοι που χρησιμοποιούν διάφορες υπηρεσίες, όπως η αστυνομία, αλλά και ερασιτέχνες. Πλήρως αμφίδρομη (ή full dumplex) είναι η επικοινωνία που γίνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Παράδειγμα είναι το τηλέφωνο. ΠΜΣ-ΣΗΤ 9

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, υπάρχουν ορισμένοι παράγοντες που επηρεάζουν την επικοινωνία προκαλώντας τον περιορισμό της ταχύτητας με την οποία μεταδίδεται η πληροφορία από τον πομπό στο δέκτη. Η μεγιστοποίηση της ταχύτητας αυτής είναι και το κύριο ζητούμενο σε ένα σύστημα επικοινωνίας σε συνδυασμό με τη συγκράτηση σε αποδεκτά επίπεδα της ισχύος του σήματος στη έξοδο του πομπού. Αυτοί οι παράγοντες μπορεί να προέρχονται είτε από το περιβάλλον μέσα στο οποίο γίνεται η επικοινωνία, είτε από τις ίδιες τις ηλεκτρονικές διατάξεις, αλλά και από περιορισμούς που τίθενται από τα κράτη μέσω εθνικών και διεθνών οργανισμών. Στις αμέσως επόμενες παραγράφους θα δούμε πιο αναλυτικά τους παράγοντες από τους οποίους επηρεάζεται μια επικοινωνιακή ζεύξη ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ Η πλειονότητα των κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες, όπως φίλτρα, μίκτες, ενισχυτές κ.α., καθώς και οι περισσότεροι τύποι καναλιών μετάδοσης, παραμορφώνουν το σήμα. Η παραμόρφωση αυτή μπορεί να εισάγει: α) Μεταβολές απολαβής. Η παραμόρφωση στην απολαβή που προκαλείται από τα φίλτρα οφείλεται στο ότι η ζώνη διέλευσής τους δεν είναι τελείως επίπεδη με αποτέλεσμα να έχουμε κυμάτωση πλάτους καθώς μεταβάλλεται η συχνότητα. Η επιλογή του τύπου του φίλτρου (Bessel, Butterworth κτλ.) που θα χρησιμοποιηθεί, εξαρτάται κάθε φορά από τις απαιτήσεις στην κυμάτωση στις ζώνες διέλευσης και αποκοπής και στην κλίση της απολαβής κατά τη μετάβαση από τη μία ζώνη στην άλλη. Απολαβή Συχνότητα f Οι ενισχυτές εισάγουν παραμόρφωση εξαιτίας της μη γραμμικότητας της απολαβής τους ανάλογα με την ισχύ εισόδου. Αυτό μπορεί να προκαλέσει σε ψηφιακά συστήματα παραμόρφωση στη μορφή του παλμού και αυτό με τη σειρά του διασυμβολική παρεμβολή (intersymbol interference, ISI). Διασυμβολική παρεμβολή παρατηρείται όταν έχουμε επικάλυψη διαδοχικών συμβόλων. Ακόμη, 10 ΠΜΣ-ΣΗΤ

23 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ εξαιτίας της μη γραμμικής συμπεριφοράς των ενισχυτών ως προς την απολαβή, παρατηρείται το φαινόμενο της φασματικής αναγέννησης (spectral regrowth), εξαιτίας των διαδικασιών ενδοδιαμόρφωσης που συμβαίνει σ' αυτά τα στοιχεία. Τάση Εξόδου (Volt) Τάση Εισόδου (Volt) Τυπική Απόκριση Απολαβής Ενισχυτή Το κανάλι τέλος μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση στην απολαβή. Στα ενσύρματα κανάλια για παράδειγμα προκαλείται μείωση του πλάτους με την αύξηση της συχνότητας, δηλαδή λειτουργούν σα χαμηλοπερατά φίλτρα εξαιτίας της χωρητικής συμπεριφοράς των καλωδίων μεγάλου μήκους. β) Μεταβολές φάσης Τα φίλτρα, εκτός από τις διακυμάνσεις του πλάτους στη ζώνη διέλευσης, εισάγουν και μεταβολές φάσης. Εάν η μετατόπιση φάσης (phase shift) στις διάφορες συχνότητες δεν είναι ίδια (μη γραμμική απόκριση φάσης) τότε θα έχουμε παραμόρφωση των παλμών δεδομένων. Στην περίπτωση αυτή γίνεται χρήση ψηφιακών φίλτρων τα οποία έχουν τέλεια γραμμική απόκριση φάσης και τα οποία ονομάζονται φίλτρα γραμμικής φάσης (linear-phase filters). Η εξάλειψη των παραμορφώσεων απολαβής και φάσης μπορεί να επιτευχθεί σε μεγάλο βαθμό από κυκλώματα ισοσταθμιστών (equalizer circuits). Παραμόρφωση φάσης μπορεί να προκληθεί και εξαιτίας των ενισχυτών. Οι ενισχυτές γενικά έχουν μεγάλη περιοχή γραμμικής απόκρισης φάσης ως προς την ισχύ εισόδου. Προβλήματα προκύπτουν όταν χρησιμοποιείται μεγάλο εύρος ζώνης διαμόρφωσης. Αυτή έχει ιδιαίτερη επίπτωση σε μεθόδους διαμόρφωσης που στηρίζονται στη μεταβολή της φάσης, όπως είναι η Μ-αδική PSK ή QAM τις οποίες στο 3 ο κεφάλαιο. Το ενσύρματο κανάλι, όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, εξαιτίας του φιλτραρίσματος που προκαλεί, επιφέρει παραμόρφωση φάσης. Στις οπτικές ίνες η παραμόρφωση οφείλεται στη χρονική διασπορά που οφείλεται στις διαφορετικές διαδρομές που ακολουθούν τα διάφορα οπτικά σήματα. Στα ασύρματα κανάλια παραμόρφωση φάσης δημιουργείται εξαιτίας των πολλαπλών διαδρομών διάδοσης (πολύοδη διάδοση multipath propagation) λόγω της ανάκλασης σε κτίρια, δέντρα κτλ. Οι διαφορετικού μήκους διαδρομές (σχήμα 1.3), έχουν σαν αποτέλεσμα τα πολλαπλά σήματα που φτάνουν στο δέκτη να μην είναι συμφασικά. Το άθροισμα αυτών των σημάτων αποτελεί μια παραμορφωμένη έκδοση αυτού που ΠΜΣ-ΣΗΤ 11

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 εκπέμπεται από την πηγή και η οποία λαμβάνεται από το δέκτη, ο οποίος θα πρέπει να είναι σε θέση να ανακτήσει τη χρήσιμη πληροφορία από την υποβαθμισμένο αυτό σήμα. Ένας τρόπος με τον οποίο θα μπορούσαν να περιοριστούν τα προβλήματα λόγω πολύοδης διάδοσης σε σημαντικό βαθμό είναι η χρήση κατευθυντικών κεραιών (directional antennas) στη μονάδα εκπομπής ή στη μονάδα λήψης είτε και στις δύο. Παρόλα αυτά, η τεχνική αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε σταθερά συστήματα και για υψηλές ραδιοσυχνότητες, μιας και όσο αυξάνεται η συχνότητα τόσο μειώνεται το μήκος κύματος, άρα και το μέγεθος της κεραίας που απαιτείται. Σχήμα 1.3: Πολύοδη Διάδοση γ) Σφάλματα Συχνότητας μεταξύ Πομπού και Δέκτη Σε κάθε σύστημα επικοινωνίας που στηρίζεται στη διαμόρφωση ενός υψίσυχνου ημιτονικού σήματος (φορέας carrier) κατάλληλου για μετάδοση (ασύρματα συστήματα), υπεισέρχονται σφάλματα από τις πηγές παραγωγής του σήματος αυτού, τόσο στον πομπό όσο και στο δέκτη. Οι γεννήτριες αυτές είναι αδύνατο να είναι ταυτόσημες, όσο προσεκτικά και αν κατασκευαστούν. Πάντα θα έχουν κάποια απόκλιση μεταξύ τους. Ανάλογα με τη μέθοδο διαμόρφωσης μπορεί να απαιτείται συνεχής έλεγχος και διόρθωση συχνότητας και φάσης του τοπικού ταλαντωτή στο δέκτη (σύμφωνη ανίχνευση). Σε περιπτώσεις όπου η σύμφωνη (coherent) ανίχνευση στο δέκτη είναι κρίσιμη τότε χρησιμοποιείται μια διαδικασία η οποία ονομάζεται ανάκτηση φέροντος. Στη διαδικασία αυτή γίνεται παραγωγή στο δέκτη του φέροντος από το σήμα (RF signal) που λαμβάνεται στο είσοδο του δέκτη. Ακόμη σφάλματα συχνότητας συμβαίνουν λόγω φαινομένου Doppler, το οποίο εμφανίζεται όταν έχουμε σχετική κίνηση μεταξύ πηγής και δέκτη, όπως συμβαίνει σε κινητά συστήματα. Η αντιμετώπιση του φαινομένου Doppler είναι δύσκολη διαδικασία και γίνεται ακόμη πιο απαιτητική όταν έχουμε πολύοδη διάδοση. 12 ΠΜΣ-ΣΗΤ

25 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Τα σφάλματα συχνότητας είναι σημαντικός παράγοντας υποβάθμισης της επικοινωνίας σε συστήματα που χρησιμοποιούν τεχνικές διαμόρφωσης που στηρίζονται στις μεταβολές φάσης ή και συχνότητας για να παραστήσουν τα διάφορα σύμβολα, όπως η Μ-αδική PSK και η Μ-αδική QAM ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ Παρεμβολή (interference) έχουμε όταν γίνεται παράλληλη εκπομπή στην ίδια περιοχή συχνοτήτων με αποτέλεσμα να υποβαθμίζεται το σήμα μας λόγω μεταδιδόμενων σημάτων από άλλα συστήματα επικοινωνίας. Ακόμη παρεμβολή μπορεί να έχουμε εξαιτίας διαφόρων μηχανημάτων, ηλεκτρικών γραμμών ισχύος, συστήματα ανάφλεξης κ.α. Η μείωση της παρεμβολής είναι δυνατή με προσεκτική σχεδίαση των συστημάτων επικοινωνίας καθώς και με τη χρήση κατάλληλα σχεδιασμένου ζωνοπερατού φίλτρου στην είσοδο του δέκτη. Άλλη μέθοδος είναι η χρήση κατευθυντικών κεραιών, ώστε να λαμβάνονται σήματα από όσο το δυνατόν λιγότερες πηγές ΘΟΡΥΒΟΣ Ο θόρυβος είναι ένα ηλεκτρικό σήμα με απρόβλεπτη διακύμανση ως προς το πλάτος και τη συχνότητα. Το σήμα αυτό μπορεί να δημιουργηθεί είτε μέσα στο ίδιο το σύστημά μας είτε στο κανάλι επικοινωνίας. Υπάρχουν δύο τύποι θορύβου: ο προσθετικός, στον οποίο το σήμα μας και ο θόρυβος προστίθενται και ο πολλαπλασιαστικός, στον οποίο τα δύο αυτά σήματα πολλαπλασιάζονται. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους δημιουργείται θόρυβος. Ανάλογα με τη διαδικασία αυτή παίρνουν και την ονομασία τους. Οι πιο γνωστοί είναι ο θερμικός θόρυβος, ο θόρυβος βολής, ο θόρυβος αναλαμπής και ο ατμοσφαιρικός θόρυβος και είναι αυτοί που παρατηρούνται στα περισσότερα επικοινωνιακά συστήματα. Ο θερμικός θόρυβος (ή θόρυβος Johnson) οφείλεται στη θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό και είναι ανάλογος της θερμοκρασίας του αγωγού. Το θόρυβο αυτό δεν μπορούμε να τον αποφύγουμε και υπάρχει ανεξάρτητα από την ύπαρξη ή μη ροής ρεύματος. Μπορεί όμως προφανώς, αν είναι απαραίτητο, να μειωθεί με κατάλληλη ψύξη του συστήματός μας. Η μέση ισχύς N του θερμικού θορύβου απόλυτης θερμοκρασίας Τ και για εύρος ζώνης Β δίνεται από τον τύπο: Ν = k T B, όπου k η σταθερά του Boltzmann. ΠΜΣ-ΣΗΤ 13

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο θερμικός θόρυβος είναι λευκός θόρυβος. Η ονομασία αυτή προέρχεται από το γεγονός ότι έχει επίπεδη κατανομή ισχύος ως προς τη συχνότητα, όπως ακριβώς το λευκό φως περιέχει όλα τα χρώματα σε ίσες ποσότητες. Ο θόρυβος βολής (shot noise) εμφανίζεται στις επαφές pn των ημιαγωγών κατά τη διέλευση των ηλεκτρονίων. Ο θόρυβος αυτός είναι ανάλογος του ρεύματος πόλωσης του ημιαγωγού. Και ο θόρυβος βολής έχει επίπεδο φάσμα ισχύος ως προς τη συχνότητα, δηλαδή είναι λευκός θόρυβος. Ο θόρυβος αναλαμπής ή flicker παρατηρείται επίσης σε ημιαγωγούς, αλλά σε αντίθεση με το θόρυβο βολής, μειώνεται με τη συχνότητα. Το όνομά του οφείλεται στο τρεμόπαιγμα (flickering) των πυρακτωμένων ινών των λυχνιών κενού. Συχνά ονομάζεται και θόρυβος 1/f, επειδή η ισχύς του μεταβάλλεται ανάλογα με το πηλίκο 1/f. Εξαιτίας του γεγονότος αυτού παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες (μικρότερες των 100Hz). Ο ατμοσφαιρικός θόρυβος οφείλεται στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από τον ήλιο και άλλες πηγές του γαλαξία. Η ισχύς του θορύβου αυτού είναι γενικά μικρότερη από αυτή του θερμικού θορύβου. Στα περισσότερα εγχειρίδια για τους υπολογισμούς στη συμπεριφορά ενός συστήματος χρησιμοποιείται ο Προσθετικός Λευκός Γκαουσιανός Θόρυβος (Additive White Gaussian Noise, AWGN), το οποίο είναι γενικά σωστό και γίνεται για λόγους διευκόλυνσης ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ Εκτός από τους παραπάνω φυσικούς περιορισμούς που εμφανίζονται σε μια επικοινωνιακή ζεύξη, τίθενται πολλές φορές τεχνολογικοί περιορισμοί. Έτσι, ενώ είναι γνωστή πολλές φορές ποια θα ήταν η καλύτερη υλοποίηση, συμβαίνει να μην υπάρχουν τα κατάλληλα τεχνολογικά μέσα. Παράδειγμα περιορισμού εξαιτίας της τεχνολογίας που υπήρχε είναι το κυψελωτό δίκτυο GSM στο οποίο εφαρμόστηκε η μέθοδος διαμόρφωσης GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) αντί για την QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), η οποία έχει μεγαλύτερη απόδοση για την ίδια ισχύ σήματος. Αυτό συνέβη λόγω της αδυναμίας αξιόπιστης κατασκευής σε μικρό μέγεθος του γραμμικού ενισχυτή ισχύος στη μονάδα εκπομπής (κινητό τηλέφωνο). Ακόμη πολλές φορές πρέπει να λαμβάνονται υπόψη παράμετροι όπως είναι οι κατανάλωση ισχύος ειδικά όταν η εφαρμογή μας περιλαμβάνει κινητές συσκευές, στις οποίες η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι πρωταρχικής σημασίας. 14 ΠΜΣ-ΣΗΤ

27 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Επίσης το μέγεθος και η εμφάνιση των συσκευών είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει τη σχεδίαση των διαφόρων συσκευών, εφόσον αυτό είναι που ζητάει η τηλεπικοινωνιακή αγορά. Έτσι, ο μηχανικός εκτός του ότι πρέπει να σχεδιάσει ένα προϊόν αξιόπιστο, πρέπει να καταφέρει να προσαρμόσει τα διάφορα ηλεκτρονικά κυκλώματα στον περιορισμένο χώρο μιας τέτοιας συσκευής και με τη μεγαλύτερη δυνατή αυτονομία ΚΡΑΤΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΤΥΠΑ Εκτός από τους παραπάνω φυσικούς και τεχνολογικούς περιορισμούς, τίθενται και κρατικοί. Στις τηλεπικοινωνίες είναι επιτακτική η ανάγκη θέσπισης προτύπων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η συμβατότητα των διαφόρων εξαρτημάτων και συσκευών. Αν κάτι τέτοιο δε συνέβαινε το πιο πιθανό θα ήταν να έχουμε επικοινωνία μεταξύ ίδιων μόνο συσκευών ή μόνο μεταξύ συνδρομητών του ίδιου δικτύου, αλλά και ενός είδους "αναρχία" στις επικοινωνίες. Η προτυποποίηση στην Ευρώπη γίνεται από ένα σύνολο διεθνών και εθνικών φορέων, όπως είναι το ETSI (European Telecommunications Standards Institude), που ευθύνεται για τις ασύρματες επικοινωνίες και η ITU (International Telecommunications Union) που πρωτυποποιεί ενσύρματα συστήματα, όπως τα modem υπολογιστών. 1.6 ΜΕΓΕΘΗ ΠΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΖΟΥΝ ΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Στην ενότητα αυτή θα συνοψίσουμε και θα δώσουμε έναν ορισμό των βασικότερων μεγεθών που χαρακτηρίζουν ένα σύστημα επικοινωνίας που στηρίζεται σε ψηφιακές τεχνικές διαμόρφωσης ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ Στις περισσότερες σύγχρονες επικοινωνίες δεδομένων δεν χρησιμοποιείται δυαδική σηματοδοσία, δηλαδή μετάδοση κάθε φορά ενός μόνο bit (0 ή 1), αλλά μεταδίδονται ομάδες από bit που συνθέτουν ένα σύμβολο. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η αύξηση του ρυθμού μεταφοράς πληροφορίας, για το ίδιο εύρος ζώνης καναλιού. ΠΜΣ-ΣΗΤ 15

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Στην περίπτωση όπου έχουμε μετάδοση συμβόλων τότε στην έξοδο του πομπού θα έχουμε έναν αριθμό διαφορετικών κυματομορφών (καταστάσεων) που θα είναι ίσος με τον αριθμό Μ των συμβόλων. Ο αριθμός των καταστάσεων σηματοδοσίας (ή συμβόλων) που απαιτούνται για την κωδικοποίηση σε μια ομάδα n bit πληροφορίας δίνεται από τη σχέση: Μ = 2 n σύμβολα. Για παράδειγμα σε τεχνικές όπου μεταδίδονται 2 bit κάθε φορά απαιτούνται M = 2 2 = 4 σύμβολα, για 3 bit απαιτούνται M = 8 σύμβολα κ.ο.κ. Οι τεχνικές διαμόρφωσης στις οποίες μεταδίδονται κάθε φορά 2 ή περισσότερα bit ονομάζονται M-αδικές (Μ-ary), με το Μ να δηλώνει τον αριθμό των συμβόλων που χρησιμοποιούνται. Τέλος, είναι αναγκαίο να επισημάνουμε, ότι δε θα πρέπει να συγχέονται τα σύμβολα της σηματοδοσίας, που σχετίζονται με τη διαμόρφωση, με τα σύμβολα (ή αλλιώς αλφάβητο) της πηγής ενός συστήματος επικοινωνίας ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Ως ρυθμό μεταφοράς πληροφορίας r b ενός συστήματος ορίζουμε την ταχύτητα με την οποία μπορούν να μεταφερθούν δυαδικά δεδομένα (bit) από τον πομπό στο δέκτη και για το λόγο αυτό αναφέρεται συνηθέστερα σαν bit rate (ρυθμός bit) και μετρείται σε bits/second (bits per second - bps). Έτσι για παράδειγμα αν έχουμε μετάδοση 10 bit κάθε 1msec τότε: r b = 10bits / 1msec = bits/second = 10 kbps ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ Ο ρυθμός μεταφοράς συμβόλων r s (baud rate) ορίζεται ως η ταχύτητα με την οποία αλλάζουν τα σύμβολα και ταυτίζεται με το ρυθμό των bit μόνο στην περίπτωση της δυαδικής σηματοδοσίας, στην οποία Μ=2. Μετρείται σε sps (symbols/sec) ή baud. Έτσι, για παράδειγμα, σε ένα σύστημα με Μ=8, που σημαίνει ότι έχει 8 διαφορετικές κυματομορφές στην έξοδό του, μεταφέρει 3 bit ανά σύμβολο και χρόνο εναλλαγής συμβόλου κάθε 0,1 msec, τότε: r s = 1 / 0,1msec = sps = 10 ksps, 16 ΠΜΣ-ΣΗΤ

29 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ενώ ο ρυθμός μεταφοράς πληροφορίας r b θα είναι θα είναι 3 φορές μεγαλύτερος εφόσον με κάθε σύμβολο μεταφέρονται 3 bit. Επομένως: r b = 3 * 10ksps = 30 kbps ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ Η φασματική απόδοση (bandwidth efficiency) εκφράζει το πόσο καλά ένα συγκεκριμένο είδος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης εκμεταλλεύεται το εύρος ζώνης που διατίθεται σε μία επικοινωνιακή ζεύξη. Μονάδα της φασματικής απόδοσης είναι το bit/sec/hz. Εάν για παράδειγμα, διατίθεται εύρος ζώνης 5 khz και θελουμε να στείλουμε δεδομένα με ρυθμό r b = 56 kbps, τότε η φασματική απόδοση του συστήματός μας θα πρέπει να είναι: 56 kbps / 5kHz = 11,2 bit/sec/hz. 1.7 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ Μ-ΑΔΙΚΗΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ Η χρήση σχημάτων σηματοδοσίας πολλαπλών συμβόλων ή επιπέδων γίνεται με κύριο σκοπό τη μείωση του απαιτούμενου εύρους ζώνης για τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης πληροφορίας ή η αύξηση του ρυθμού μετάδοσης για το ίδιο εύρος ζώνης. Σχήμα 1.4: Μετατροπή δυαδικής σε 8-αδική Σηματοδοσία Ας θεωρήσουμε το παράδειγμα του σχήματος 1.4. Η πηγή παράγει η δυαδική πληροφορία και έστω κάποια συγκεκριμένη χρονική περίοδο παράγει τα δεδομένα που φαίνονται στο σχήμα 1.4 Α. Αν θεωρήσουμε κωδικοποίηση 8 επιπέδων τότε σε κάθε τριάδα δυαδικών δεδομένων θα αντιστοιχίζεται ένα ΠΜΣ-ΣΗΤ 17

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 σύμβολο, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.4 Β. Όπως παρατηρούμε ο ρυθμός με τον οποίο αλλάζει η κατάσταση στην έξοδο του πομπού θα είναι 3 φορές μικρότερος από ότι αν μεταδίδαμε τα δεδομένα ανά 1. Αυτό συνεπάγεται μείωση του απαιτούμενου εύρους ζώνης στο 1/3 του αρχικού. Στο σχήμα 1.4 C βλέπουμε ένα σήμα που προέκυψε από κωδικοποίηση οχτώ επιπέδων αλλά έχει τον ίδιο ρυθμό συμβόλων με το ρυθμό δεδομένων της πηγής του 1.4 Α. Αυτό σημαίνει ότι απαιτούν το ίδιο εύρος ζώνης με τη διαφορά ότι το 1.4 C έχει τριπλάσιο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ Μ-ΑΔΙΚΗΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ Τα πλεονεκτηματα της Μ-αδικής σηματοδοσίας έναντι της δυαδικής είναι: 1. Αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων r b για συγκεκριμένο ρυθμό συμβόλων και εύρος ζώνης. 2. Μείωση του απαιτούμενου εύρους ζώνης, για συγκεκριμένο ρυθμό μετάδοσης πληροφορίας μειώνοντας το ρυθμό των συμβόλων. Σχεδόν τίποτε όμως στις επικοινωνίες δεδομένων δεν έχει και το αντίτιμό του. Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει η Μ-αδική μετάδοση δεδομένων είναι: 1. μείωση της ανοσίας στο θόρυβο, μιας και η αύξηση των καταστάσεων καθιστά πιο δύσκολη τη διάκριση μεταξύ τους, σε σύγκριση με τη δυαδική σηματοδοσία. 2. αύξηση της πολυπλοκότητας ανάκτησης συμβόλων στο δέκτη. 3. αύξηση των απαιτήσεων ως προς τη γραμμικότητα των διαφόρων βαθμίδων, τόσο στον πομπό όσο και στο δέκτη. 18 ΠΜΣ-ΣΗΤ

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΕΚΤΗ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό θα γνωρίσουμε κάποια βασικά δομικά στοιχείακυκλώματα που χρησιμοποιούνται στους τηλεπικοινωνιακούς δέκτες, αναλύοντας τα επιμέρους κυριότερα χαρακτηριστικά τους. Ακόμη θα παρουσιαστούν δύο βασικές αρχιτεκτονικές δεκτών, αναφέροντας τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της καθεμιάς. 2.2 ΜΙΚΤΕΣ Ο μίκτης είναι ίσως το σημαντικότερο συστατικό ενός σύγχρονου τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Αποτελεί συνήθως ένα από τα πρώτα κυκλώματα στην είσοδο του δέκτη και επομένως η απόδοση του είναι πρωταρχικής σημασίας στην συνολική λειτουργία του συστήματός μας. Οι μίκτες είναι κυκλώματα δύο εισόδων και μίας εξόδου. Είναι δηλαδή ένα στοιχείο με τρεις πόρτες, όπως συνήθως καλούνται στην ορολογία των τηλεπικοινωνιών. Οι δύο είσοδοι καλούνται RF είσοδος (radio frequency) και LO είσοδος (local oscillator). Η έξοδος καλείται IF (intermediate frequency). Το σχηματικό διάγραμμα ενός μίκτη φαίνεται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1: Μίκτης Είναι σχεδιασμένοι στην ιδανική περίπτωση να παρέχουν ένα σήμα στην έξοδό τους που έχει συχνότητα ίση με το άθροισμα ή τη διαφορά των συχνοτήτων

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 των δύο σημάτων που εφαρμόζονται στην είσοδό τους. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μετατροπή συχνότητας ή ετεροδύνωση. Χρησιμοποιείται ώστε να αυξήσουμε ή να μειώσουμε τη συχνότητα ενός σήματος. Ουσιαστικά η λειτουργία του ιδανικού μίκτη περιγράφεται από τη σχέση: sin(2πf RF t)*sin(2πf LO t)=1/2 {cos[2π(f RF +f LO )t]+ cos[2π(f RF -f LO )t] (2.1) δηλαδή από τον πολλαπλασιασμό των σημάτων που εφαρμόζονται στην είσοδο του. Όπως είπαμε στην έξοδο του ιδανικού μίκτη προκύπτουν δύο συχνότητες IF με τιμές f RF -f LO (lower sideband) και f RF +f LO (upper sideband). Με επιλογή κατάλληλου ζωνοπερατού φίλτρου στην έξοδο του μίκτη αφήνουμε να περάσει το σήμα με την επιθυμητή συχνότητα και αποκόπτουμε το άλλο. Βέβαια αυτό είπαμε συμβαίνει με τους ιδανικούς μίκτες. Στην πραγματικότητα στην έξοδο του μίκτη παρουσιάζονται και άλλα παράγωγα μικρότερης όμως ισχύος, όπως είναι η f RF, η f LO και γενικά (mf RF ± nf LO ), όπου m και n ακέραιοι. Όταν χρησιμοποιείται το άθροισμα των συχνοτήτων τότε η διαδικασία ονομάζεται ανύψωση συχνότητας (up-conversion), ενώ όταν χρησιμοποιείται η διαφορά αναφέρεται ως υποβιβασμός συχνότητας (down-conversion). Οι μίκτες που είναι βελτιστοποιημένοι για up-conversion ονομάζονται up-converters, ενώ στην αντίθετη περίπτωση down-converters. Οι πρώτοι χρησιμοποιούνται συνήθως στους πομπούς για ανόρθωση της συχνότητας του σήματος στην περιοχή εκπομπής και οι δεύτεροι στη πρώτα στάδια της λήψης, ώστε να υποβιβαστεί το σήμα σε χαμηλότερες συχνότητες, μιας και εκεί είναι πιο εύκολη η επεξεργασία του (ενίσχυση, φιλτράρισμα κτλ.). Οι μίκτες μπορούν υλοποιηθούν με διάφορους τρόπους, χρησιμοποιώντας τεχνικές που χρησιμοποιούν ενεργά είτε παθητικά στοιχεία. Οι ενεργοί μίκτες είναι δυνατόν να παρέχουν και ενίσχυση κατά τη μετατροπή (conversion gain) του RF σήματος σε IF. Επίσης εμφανίζουν καλύτερη απομόνωση μεταξύ των εισόδων και εξόδων (port-to-port isolation) με αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση των φαινομένων ενδοδιαμόρφωσης. Οι μίκτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν διπλασιαστές συχνότητας, όταν στις δύο εισόδους τους εφαρμοστεί το ίδιο σήμα. Επίσης, μπορούν να λειτουργήσουν σαν διαμορφωτές. Θα δούμε εφαρμογές στο επόμενο κεφάλαιο. Τέλος μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ανιχνευτές φάσης (phase detectors). Αυτή η λειτουργία στηρίζεται στο διπλασιασμό που είπαμε πιο πάνω. Εάν αναμίξουμε δύο σήματα ίδιας συχνότητας, αλλά με διαφορά φάσης θ μεταξύ τους, τότε εύκολα μπορούμε να δούμε από τη σχέση 2.1, το εξής: 20 ΠΜΣ-ΣΗΤ

33 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΕΚΤΗ sin(2πft)*sin(2πft+θ)=1/2 [cos(4πft)+ cos(θ)] Βλέπουμε δηλαδή ότι παρουσιάζεται, εκτός από τον όρο διπλάσιας συχνότητας, και ένας σταθερός όρος του οποίου η τιμή εξαρτάται από τη διαφορά φάσης θ και μόνο. Εφαρμόζοντας κατάλληλο φιλτράρισμα επιλέγουμε τον έναν ή τον άλλον όρο ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΙΚΤΩΝ Εύρος Ζώνης εισόδων εξόδων Το πρώτο χαρακτηριστικό που πρέπει να κοιτάζει κανείς σε ένα μίκτη είναι η περιοχή συχνοτήτων λειτουργίας του. Δηλαδή, για ποια εύρη ζώνης συχνοτήτων είναι βελτιστοποιημένος να δεχθεί στις εισόδους του RF και LO και ποια περιοχή συχνοτήτων μπορεί να εμφανίσει χωρίς σημαντικές απώλειες στην έξοδό του IF. Απώλεια μετατροπής (Conversion Loss) Εφόσον ο μίκτης μετατρέπει ισχύ από μία συχνότητα σε μία άλλη, τότε το πιο ουσιαστικό μέγεθος είναι αυτό που περιγράφει πόσο αποτελεσματικά γίνεται αυτή η μετατροπή. Αυτή η παράμετρος ονομάζεται conversion loss. Το conversion loss ορίζεται ως η διαφορά σε db της ισχύος του σήματος στην έξοδο IF από αυτή του σήματος στην είσοδο RF, για δεδομένη ισχύ του σήματος LO. Διαφορετικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι, είναι ο λόγος της ισχύος του σήματος IF προς την ισχύ του σήματος RF. Όταν ένα μόνο από τα σήματα εξόδου χρησιμοποιείται (single sideband, SSB), τότε όπως βλέπουμε και από τη σχέση 2.1 η ισχύς θα είναι η μισή, το οποίο σημαίνει ότι θεωρητικά υπάρχει ελάχιστη απώλεια στο σήμα κατά 3dB. Σύμφωνα με τα παραπάνω θα έχουμε: Conversion loss(db) = IF (dbm) RF (dbm) ή IF Power Conversion Loss = RF Power Εικόνα Θορύβου (Noise Figure) Η εικόνα θορύβου είναι ο λόγος του σήματος-προς-θόρυβο (SNR) στην είσοδο προς το λόγο του σήματος-προς-θόρυβο στην έξοδο, εκφρασμένος σε db. Το μέγεθος αυτό συναντάται και σε πολλά άλλα κυκλώματα, όπως είναι οι ενισχυτές. ΠΜΣ-ΣΗΤ 21

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Απομόνωση μεταξύ των πορτών (Interport Isolation) Το interport isolation είναι ένα μέγεθος που μας δείχνει κατά πόσο είναι απομονωμένες μεταξύ τους οι "πόρτες" του μίκτη, ώστε να μην υπάρχει διαρροή σήματος από τη μία στην άλλη με αποτέλεσμα την εμφάνιση φαινομένων ενδοδιαμόρφωσης. Συνήθως το isolation δίνεται για δύο μόνο συνδυασμούς. Ο ένας είναι ο L- to-r isolation που περιγράφει κατά πόσο μικρότερο είναι το σήμα LO όταν μετρείται στην είσοδο RF και ο δεύτερος ο L-to-I isolation που περιγράφει κατά πόσο μικρότερο είναι το σήμα LO όταν μετρείται στην έξοδο IF. Η R-to-I isolation δε δίνεται γιατί σχεδόν πάντα λόγω της μικρής ισχύος του σήματος RF δεν έχουμε σημαντική διαρροή στην έξοδο. 1dB compression point και Conversion Compression Αποτελεί τη μέγιστη ισχύ του σήματος RF (σε dbm) πάνω από την οποία η ισχύς του σήματος IF παύει να μεταβάλλεται γραμμικά με την ισχύ του σήματος RF. Η τιμή αυτή της ισχύος του RF για την οποία η μεταβολή της εξόδου δεν είναι ανάλογη με τη μεταβολή της εισόδου δίνεται συνήθως από τις διάφορες εταιρίες σαν η ισχύς για την οποία η μεταβολή αποκλίνει κατά 1dB (1dB compression point ή P1dB) από τη γραμμικότητα. y IF output Linear Compression RF input x Δυναμική Περιοχή (Dynamic Range) Το μέγεθος αυτό μας δίνει την περιοχή ισχύος μέσα στην οποία ο μίκτης λειτουργεί χωρίς να υποβιβαστεί η απόδοσή του. Το ανώτερο όριο της περιοχής αυτής καθορίζεται από το σημείο 1dB και το κατώτερο άκρο από την εικόνα θορύβου. Two-Tone, Third-Order Intermodulation Distortion Το μέγεθος αυτό εκφράζει το ποσό της καλούμενης 3 ης -τάξης παραμόρφωσης στο επιθυμητό σήμα στην έξοδο που προκαλείται από ένα δεύτερο 22 ΠΜΣ-ΣΗΤ

35 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΕΚΤΗ σήμα στην είσοδο RF με συχνότητα κοντά στην πρώτη. Οι συχνότητες των παραγώγων τρίτης τάξης είναι (2f RF2 -f RF1 ) ± f LO. Συνήθως, όσο υψηλότερο είναι το conversion compression τόσο μεγαλύτερη είναι η καταστολή αυτού του όρου. Συνήθως αυτή η παράμετρος δε δίνεται στα φύλλα δεδομένων των μικτών γιατί εξαρτάται από τις συχνότητες στις εισόδους και από τις αντιστάσεις τερματισμού τους. Intercept Point Για να καταλάβουμε την έννοια του intercept point θα αναφερθούμε στο σχήμα 2.2. Στο σχήμα αυτό βλέπουμε πως μεταβάλλεται η ισχύς της επιθυμητής εξόδου IF σε σχέση με την συχνότητα της εισόδου RF (καμπύλη με τη μικρότερη Σχήμα 2.2: Intercept Point κλίση), καθώς και η μεταβολή των παραγώγων 3 ης τάξης στην έξοδο πάλι συναρτήσει της εισόδου, για ένα συγκεκριμένο μίκτη. Το σημείο στο οποίο οι δύο καμπύλες τέμνονται ονομάζεται intercept point και μας δίνει την ισχύ του σήματος εισόδου για την οποία η ισχύς του επιθυμητού IF και η ισχύς των παραγώγων 3 ης τάξης γίνονται ίσες. Όσο υψηλότερα βρίσκεται το intercept point τόσο μεγαλύτερη η συρρίκνωση των ανεπιθύμητων σημάτων στην έξοδο. ΠΜΣ-ΣΗΤ 23

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΔΗ ΜΙΚΤΩΝ Unbalanced mixers Οι μίκτες αυτοί στην έξοδό τους εμφανίζουν, εκτός από το άθροισμα και τη διαφορά των συχνοτήτων RF και LO και άλλες συχνότητες όπως την f RF, την f LO καθώς και άλλα ανεπιθύμητα παράγωγα αυτών. Ακόμη, παρουσιάζουν μικρή απομόνωση μεταξύ των πορτών, που έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση φαινομένων ενδοδιαμόρφωσης. Single-balanced mixers Οι μίκτες αυτοί εξασθενούν λιγότερο ένα από τα δύο σήματα εισόδου, αλλά όχι και τα δύο μαζί, εμφανίζοντας λιγότερα ανεπιθύμητα παράγωγα στην έξοδό τους σε σχέση με τους unbalanced. Double-balanced mixers (DBMs) Οι μίκτες αυτοί εμφανίζουν εξαιρετική απομόνωση μεταξύ των εισόδων και της εξόδου, δίνοντας στην έξοδο μόνο το άθροισμα και τη διαφορά των εισόδων και εξασθενούν σε ιδιαίτερα σημαντικό βαθμό τα ανεπιθύμητα σήματα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα πιο εύκολη διαδικασία φιλτραρίσματος στην έξοδο του μίκτη. 2.3 ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΑΠΟ ΤΑΣΗ VCO Ο ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (Voltage Controlled Oscillator VCO) παράγει στην έξοδό του ένα σήμα του οποίου η συχνότητα είναι ανάλογη μιας τάσης ελέγχου που εφαρμόζεται στην είσοδό του. Συνήθως το σήμα που εμφανίζεται στην έξοδο του VCO είναι ένα ημιτονικό σήμα, αλλά υπάρχουν VCO που παρουσιάζουν τετραγωνική ή ακόμα και τριγωνική έξοδο. Πολλές φορές οι VCO αναφέρονται και σαν μετατροπείς τάσης σε συχνότητα (voltage to frequency converter - VFC) και χρησιμοποιούνται για παραγωγή τοπικού φέροντος στον πομπό και το δέκτη. Εμφανίζουν σχετικά χαμηλή σταθερότητα συχνότητας και για το λόγο αυτό συνήθως εμφανίζονται μέσα σε κυκλώματα τα οποία ονομάζονται βρόχοι κλειδωμένης φάσης, τη λειτουργία των οποίων θα αναλύσουμε στην ενότητα 2.4. Η ανακρίβεια στη συχνότητα που εμφανίζουν στην έξοδο οφείλεται τόσο στην αστάθεια της τάσης ελέγχου, όσο και σε μεταβολές θερμοκρασίας. Η φιλοσοφία στην οποία στηρίζεται η λειτουργία ενός VCO, δηλαδή της μεταβολής της συχνότητας με την τάση, είναι η χρήση μιας διόδου varactor της οποίας η χωρητικότητα μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση. Η δίοδος αυτή 24 ΠΜΣ-ΣΗΤ