Διαμόρφωση Παλμών. Pulse Modulation

Transcript

1 Διαμόρφωση Παλμών Pulse Modulation

2 Συστήματα διαμόρφωσης παλμών

3 Είδη διαμόρφωσης παλμών Pulse Amplitude Modulation (PAM): A m(t) Pulse Position Modulation (PPM): T d m(t) Pulse Duration Modulation (PDM) ή Pulse Width Modulation (PWM): T m(t) PDM ή PWM T PPM A PAM T d T s t

4 Είδη διαμόρφωσης παλμών Πότε εμφανίζεται ο παλμός;

5 Διαμόρφωση πλάτους παλμών Η διαμόρφωση πλάτους παλμών (PAM) παράγεται από τεμαχιστή (chopper) Συχνά όμως χρησιμοποιείται κύκλωμα sampleand-hold με αποτέλεσμα παλμούς επίπεδης κορυφής

6 Τεμαχιστής (chopper)

7 Παραγωγή PAM Το διαμορφωμένο σήμα PAM είναιτογινόμενο του σήματος επί τη συνάρτηση δειγματοληψίας (σειρά παλμών) Φυσική δειγματοληψία

8 Φυσική δειγματοληψία

9 Φάσμα PAM Η συνάρτηση δειγματοληψίας είναι περιοδική επομένως αναλύεται σε σειρά Fourier άρα x () t = x()() t s t s st () = τ f s sinc( nfsτ)exp( jn2 πfst) n= x ( t) = τ f sinc( nfτ)exp( jn2 π f t) x( t) s s s s n= X ( f) = τ f sinc( nfτ) X( f nf ) s s s s n=

10 Φάσμα PAM Το αποτέλεσμα της πεπερασμένης διάρκειας παλμού είναι ο πολλαπλασιασμός του n-στου λοβού με dsinc( nd) όπου η σταθερά d είναι ο κύκλος εργασίας (duty cycle) του παλμού d = τ f = s τ T s

11 Φάσμα PAM Ο πρώτος όρος είναι το φάσμα του σήματος, πολλαπλασιασμένο με d Εάν το σήμα είναι βαθυπερατό, τότε μπορεί να ανακτηθεί από το διαμορφωμένο σήμα PAM Χ d = τ f = s τ T s Χ

12 Επικάλυψη Εάν Τ s 1/2W μπορούμε να ανακτήσουμε το σήμα με χρήση κατάλληλου φίλτρου Αλλιώς, εμφανίζεται επικάλυψη

13 Δείγματα με επίπεδη κορυφή Παρότι το σήμα PAM μπορεί να ληφθεί με τεμαχιστή, η πιο δημοφιλής μέθοδος χρησιμοποιεί την τεχνική sample-and-hold (S/H) Οδηγεί σε δείγματα με επίπεδη κορυφή (flat top sampling) Στιγμιαία δειγματοληψία

14 Στιγμιαία δειγματοληψία

15 Φάσμα PAM με δείγματα επίπεδης κορυφής x () t = x( nt ) p( t nt ) p s s n x p() t = p() t x( nts) δ ( t nts) n x () t = p() t x () t p X ( f) = P( f) X ( f) p δ δ

16 Φάσμα PAM με δείγματα επίπεδης κορυφής Το αποτέλεσμα της δειγματοληψίας με δείγματα επίπεδης κορυφής ισοδυναμεί με τη διάβαση του ιδανικού σήματος δειγματοληψίας μέσω φίλτρου P(f) Το P(f) δρα ως βαθυπερατό φίλτρο που εξασθενεί τις υψηλές συχνότητες του σήματος πληροφορίας Φαινόμενο ανοίγματος (aperture effect)

17 Ανάκτηση σήματος PAM με δείγματα επίπεδης κορυφής Το φαινόμενο ανοίγματος μπορεί να διορθωθεί με εξισωτή (equalizer) H ( f ) = Kexp( j2 π fτ )/ P( f ) eq Εάν ο κύκλος εργασίας είναι μικρός d = τ T s 1 δεν απαιτείται σχεδόν καθόλου ισοστάθμιση d Χ d sinc(τf)χ(f)

18 Εύρος ζώνης για μετάδοση PAM Το φάσμα της PAM περιλαμβάνει πολλές αρμονικές της συχνότητας δειγματοληψίας Για τον υπολογισμό του εύρους ζώνης πρέπει να ληφθεί υπόψη η συμπεριφορά των παλμών στο πεδίο του χρόνου Υποθέτοντας μικρή χρονική διάρκεια παλμών σε σχέση με την περίοδο δειγματοληψίας 1 τ Ts 2W 1 BT W 2τ

19 Σήματα PDM και PPM

20 Παραγωγή σημάτων PDM Ο απλούστερος τρόπος παραγωγής βασίζεται στην παρατήρηση ότι το πλάτος του παλμού μπορεί να προκύψει από τη σύγκριση της τιμής το σήματος και αυτής μιας τριγωνικής κυματομορφής

21 Σήμα PDM

22 Παραγωγή σημάτων PDM Διάφορες παραλλαγές είναι δυνατές: Η αρχή του παλμού είναι σταθερή και μεταβάλλεται το τέλος Το τέλος του παλμού είναι σταθερό και μεταβάλλεται η αρχή Το κέντρο του παλμού είναι σταθερό και μεταβάλλονται αμφότερες οι πλευρές

23 Παραλλαγές σημάτων PDM

24 Διαμορφωτής PDM και PPM Μη ομοιόμορφη δειγματοληψία Τα δείγματα εξαρτώνται από την τιμή στα t k αντί να είναι ητιμήσταkt s

25 Σήμα PDM Πρακτικά η διαφορά μεταξύ ομοιόμορφης και μη ομοιόμορφης δειγματοληψίας είναι μικρή εν ανάγκη μπορεί να χρησιμοποιηθεί κύκλωμα S/H Ηδιάρκειατουk-στου παλμού εξαρτάται από την τιμή του σήματος στο kt s τ [ 1 ( ) ] k = τ0 + μxkts όπου τ 0 είναι η διάρκεια όταν το σήμα είναι μηδέν το μ πρέπει να έχει τιμή που να εξασφαλίζει ότι η διάρκεια του παλμού δεν είναι αρνητική

26 Αποδιαμόρφωση PDM Προσεγγιστικά, μπορούμε να υποθέσουμε παλμούς μοναδιαίου πλάτους κεντραρισμένους στο kt s με τη k-στου παλμού τ k να αλλάζει αργά από παλμό σε παλμό (δηλαδή, να παραμένει σχεδόν σταθερή) αναλύοντας σε σειρά Fourier x () t = c + 2c cos(2 πnf t) p 0 n s n= 1 0 [ ] c = τ f sinc( nfτ), τ = τ 1 + μx( t) n s s 2 x () t = τ f + sin( πnf τ)cos(2 πnf t) p s s s n= 1 π n

27 Αποδιαμόρφωση PDM Οπότε x () t = τ f + 2 sin( πnfτ)cos(2 πnf t) p s s s n= 1 π n 2 f τ 1 + μxt ( ) + sin πnfτ 1 + μxt ( ) cos(2 πnft) [ ] [ ] { } s 0 s 0 s n= 1 π n το σήμα PDM αποτελείται από μια συνιστώσα DC, το προς διαμόρφωση σήμα πληροφορίας x(t), και σήματα PM στις αρμονικές της συχνότητας δειγματοληψίας f s

28 Αποδιαμόρφωση PDM Εάν δεν υπάρχει επικάλυψη των φασμάτων των σημάτων PM με το σήμα πληροφορίας, δηλαδή, τ 0 Ts τότε το x(t) λαμβάνεται με βαθυπερατό φιλτράρισμα!

29 Αποδιαμόρφωση PPM Στο σήμα PPM ο k-οστός παλμός ξεκινά τη στιγμή t ( ) k = kts + td + t0 x kts όπου t d όπου είναι μια σταθερή καθυστέρηση και το t 0 ελέγχει την ολίσθηση από τη θέση του αδιαμόρφωτου σήματος t = kt + t k s d Με απλοποιητικές υποθέσεις αποδεικνύεται ότι xp() t = fs[1 txt 0 ()] 1+ 2cos2 nft s 2 nftxt 0 () n= 1 [ π π ]

30 Αποδιαμόρφωση PPM To σήμα PPM με μη ομοιόμορφη δειγματοληψία είναι συνδυασμός γραμμικής και εκθετικής διαμόρφωσης Κάθε αρμονική της συχνότητας δειγματοληψίας είναι διαμορφωμένη κατά φάση από το σήμα x(t) και κατά πλάτος από την παράγωγο του σήματος dx(t)/dt Το σήμα μπορεί να ληφθεί από βαθυπερατό φίλτρο και ολοκλήρωση Η ολοκλήρωση δεν εκμεταλλεύεται τις ιδιότητες καταστολής θορύβου μετατροπή σε PAM ή PDM

31 Μετατροπή PDM, PPM σε PAM Ένας άλλος πρακτικός τρόπος αποδιαμόρφωσης για την PDM και PPM είναι η μετατροπή τους σε PAM χρησιμοποιώντας ramp generator

32 Μετατροπή PDM, PPM σε PAM T s Η θέση ή η διάρκεια προσδιορίζουν το πλάτος PAM

33 Χαρακτηριστικά PDM και PPM Άσχετααπότημέθοδοαποδιαμόρφωσης, οι PDM και PPM απαιτούν μικρούς χρόνους ανόδου (risetime) παλμών, ώστε να διατηρηθεί η ακρίβεια της πληροφορίας Το απαιτούμενο εύρος ζώνης είναι σημαντικά μεγαλύτερο σε σχέση με την PAM Το σταθερό πλάτος παλμών δίνει ανοσία σε μη γραμμικότητες Η μεταφορά της πληροφορίας μέσω της θέσης των παλμών και όχι του πλάτους προδίδει ιδιότητες καταστολής του θορύβου παρόμοιες των PM και FM

34 Πολυπλεξία

35 Πολυπλεξία αναλογικών σημάτων Πολλά αναλογικά σήματα μπορούν να διαμορφωθούν κατά SSB και μεταδοθούν μέσω ενός κοινού διαύλου Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDM) Μια εναλλακτική μέθοδος είναι η πολυπλεξία το πεδίο του χρόνου (TDM) Το σήμα που προκύπτει από διαμόρφωση PAM είναι μηδέν τον περισσότερο καιρό Τα κενά αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μετάδοση άλλου διαμορφωμένου κατά PAM σήματος

36 Frequency Division Multiplexing (FDM)

37 Μειονέκτημα FDM Στις αναλογικές μεθόδους πολυπλεξίας συχνότητας, που χρησιμοποιήθηκαν στην τηλεφωνία (SSB-FDM), λόγω μη γραμμικοτήτων, εμφανίζεται το πρόβλημα της διαφωνίας (cross-talk) μεταξύ των καναλιών φωνής

38 Time Division Multiplexing (TDM) Ο δίαυλος μοιράζεται στα προς μετάδοση σήματα σε χρονική βάση Τα διαφορετικά σήματα μεταδίδονται δειγματοληπτημένα σε διαφορετικές χρονικές στιγμές

39 Συγχρονισμός ΣεόλατασυστήματαTDM πρέπει να υπάρχει συγχρονισμός μεταξύ πομπού και δέκτη! Διαφορετικά δεν θα ληφθούν τα σωστά σήματα