Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Πληροφορικής. Διαμόρφωση Κωδικοποίηση. Διδάσκων: Ευάγγελος Παπαπέτρου

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Πληροφορικής Ασύρματα Δίκτυα Διαμόρφωση Κωδικοποίηση Διδάσκων: Ευάγγελος Παπαπέτρου 1

2 Διάρθρωση Διαμόρφωση σε συστήματα στενής ζώνης διαμόρφωση αναλογικών δεδομένων σε αναλογικό σήμα διαμόρφωση μετατόπισης πλάτους, συχνότητας, φάσης διαμόρφωση ψηφιακών δδ δεδομένων σε αναλογικό σήμα διαμόρφωση πλάτους, γωνίας διαμόρφωση αναλογικών δδ δεδομένων σε ψηφιακό σήμα παλμοκωδική διαμόρφωση, διαμόρφωση δέλτα Διασπορά φάσματος διασπορά ευθείας ακολουθίας και αναπήδησης συχνότητας, συστήματα CDMA Τεχνική OFDM 2

3 Γενικό μοντέλο επικοινωνίας σήμα προς μετάδοση θόρυβος αρχικό σήμα διαμόρφωση /κωδικοποίηση κεραία κανάλι κεραία ανάκτηση 3

4 Εισαγωγή (1/2) Όλα τα σήματα δεν είναι κατάλληλα προς μετάδοση μέσα από όλα τα φυσικά μέσα π.χ. ελεύθερος χώρος, οπτικές ίνες Υπάρχει ανάγκη μετατροπής μ ρ ή του υπό μετάδοση σήματος οι διαδικασίες μετατροπής ονομάζονται διαμόρφωση και κωδικοποίηση Σκοπιμότητα Διαμόρφωσης / Κωδικοποίησης προσαρμογή του συχνοτικού περιεχομένου του σήματος στη συνάρτηση μεταφοράς του καναλιού εξάλειψη συνεχούς συνιστώσας, κλπ αντοχή σε θόρυβο, παρεμβολές, κα χρονισμός πομπού δέκτη μείωση του κόστους και της πολυπλοκότητας λ των τηλ. διατάξεων 4

5 Εισαγωγή (2/2) Διαμόρφωση χρήση μιας κεντρικής συχνότητας (φέρον σήμα) ελεγχόμενη μεταβολή παραγόντων του φέροντος σήματος με βάση την πληροφορία παράγοντες που μπορεί να μεταβάλλονται: πλάτος, συχνότητα, φάση Κατηγορίες Τεχνικών Διαμόρφωσης στενής ζώνης (Narrowband): Δf<<f 0 (f 0 κεντρική συχνότητα) φασματικής εξάπλωσης (Spread Spectrum) Frequency Hopping (FH) Direct Sequence (DS) Κωδικοποίηση εφαρμόζεται αι σε ψηφιακά σήματαα μετατροπή των συμβόλων του ψηφιακού σήματος 5

6 Τεχνικές Στενής Ζώνης 6

7 Μετάδοση Στενής Ζώνης Διαδεδομένη χρήση στα πρώτα τηλ. συστήματα Χαμηλό κόστος Σχετικά χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης Χαμηλή αξιοπιστία και ασφάλεια Χαρακτηριστικά μετάδοσης: διαμόρφωση της πληροφορίας σε ένα σήμα (φέρον σήμα) ) κεντρική συχνότητα αναφοράς (φέρουσα) εύρος ζώνης συχνοτήτων του υπό μετάδοση σήματος σχετικά μικρό ως προς τη φέρουσα συνχότητα 7

8 Ψηφιακά Δεδομένα Αναλογικό Σήμα Για τη διαμόρφωση ψηφιακών δεδομένων σε αναλογικά σήματα οι γνωστότερες τεχνικές είναι: Amplitude Shift Keying (ASK) Frequency Shift Keying (FSK) Binary FSK (BFSK) Multiple FSK (MFSK) Phase Shift Keying (PSK) Binary PSK (BPSK) Differential i PSK (DPSK) Quadrature PSK (QPSK) Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 8

9 Amplitude Shift Keying (ASK) Κάθε bit πληροφορίας ρ αναπαρίσταται με την ύπαρξη ή όχι του φέροντος σήματος που έχει σταθερό πλάτος ( ) st ( π ) A cos 2 fc t binary 1 = 0 binary 0 Ευάλωτη σε απότομες μεταβολές του κέρδους Χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης Χρησιμοποιείται σε δίκτυα οπτικών ινών σε γραμμές για μεταφορά φωνής μέχρι 1200bps 9

10 Binary Frequency Shift Keying (BFSK) (1/2) Κάθε bit πληροφορίας ρ αναπαρίσταται με τη μετάδοση σε δύο διαφορετικές συχνότητες ( ) st ( π 1 ) ( π ) A cos 2 f t binary 1 = Acos 2 f2t binary 0 Οι συχνότητες f 1 και f 2 ισαπέχουν από τη συχνότητα του φέροντος Πιο ανθεκτική σε σφάλματα από την ASK Χρησιμοποιείται συνήθως σε υψηλές συχνότητες (3 30 MHz) 10

11 Binary Frequency Shift Keying (BFSK) (2/2) 11

12 Multiple Frequency Shift Keying (MFSK) Γενίκευση της BFSK ένα σύνολο από όbi bit (σύμβολο) ύ β λ μεταδίδεται σε μια συχνότητα Μ το πλήθος των διαφορετικών συμβόλων μήκους L bits ( ) ( π ) s t = Acos 2 f t,1 i M f i = f c + (2i 1 M)f d f c = η συχνότητα του φέροντος f d = διαφορά συχνοτήτων M = 2 L i 12

13 Phase Shift Keying (PSK) (1/3) Η πληροφορία του σήματος αναπαρίσταται με τη μεταβολή της φάσης του φέροντος σήματος Binary Phase Shift Keying (BPSK): Κάθε bit πληροφορίας αναπαρίσταται με δύο διαφορετικές φάσεις του σήματος () st ( π c ) ( π + π) Acos 2 f t binary 1 = Acos 2 fct binary 0 () st ( π c ) ( π c ) Acos 2 f t binary 1 = A cos 2 f t binary 0 ( ) = ()cos( 2π ) s t Ad t f t c 13

14 Phase Shift Keying (PSK) (2/3) Διαφορική PSK (DPSK) Ηφά φάση για κάθε bit εξάγεται με βάση τη φάση του προηγούμενου bit Bit 0 διατήρηση της φάσης Bit 1 εναλλαγή της φάσης 14

15 Phase Shift Keying (PSK) (3/3) Quadrature PSK ένας συνδυασμός από δύο bit αναπαρίσταται με μια διαφορετική φάση του φέροντος () st π Acos 2π fc t π A cos 2 π fc t = 3π A cos 2 π fc t 00 4 π Acos 2π f c t 10 4 It () Q () t s t ft c ft c 2 2 ( t ) = cos ( 2π f t ) sin ( 2 π f t ) 15

16 Quadrature Amplitude Modulation Μπορεί να θεωρηθεί ως συνδυασμός των ASK και PSK ( ) = ()cos ( 2 π f ) + ()sin ( 2π f ) s t d t f t d t f t c c 16

17 Αναλογικά Δεδομένα Αναλογικό Σήμα Για τη διαμόρφωση αναλογικών δεδομένων σε αναλογικά σήματα οι γνωστότερες τεχνικές είναι: Amplitude Modulation (AM) Angle Modulation Frequency Modulation (FM) Phase Modulation (PM) 17

18 Amplitude Modulation (AM) Τα δεδομένα διαμορφώνουν το πλάτος του φέροντος σήματος s ( t ) = [ 1 + n x ( t ) ] cos 2 π f t a c x(t) () το σήμα πληροφορίας ρ n a λόγος πλάτους του σήματος πληροφορίας προς το πλάτος του φέροντος σήματος 18

19 Angle Modulation Τα δεδομένα διαμορφώνουν τη γωνία του φέροντος σήματος s ( t) = A cos[ 2π f t + φ( t) ] c c Phase Modulation (PM) φ ( t) = n m( t) Frequency Modulation (FM) p φ' ( t ) = n m ( t ) f οι τεχνικές αυτές απαιτούν μεγαλύτερο μγ εύρος συχνοτήτων από την τεχνική AM 19

20 Αναλογικά Δεδομένα Ψηφιακά Σήματα Η διαμόρφωση αναλογικών δεδομένων σε ψηφιακά σήματα προϋποθέτει την ψηφιοποίησή τους χρήση του θεωρήματος της δειγματοληψίας Σημαντικότερες τεχνικές διαμόρφωσης παλμοκωδική διαμόρφωση (pulse code modulation PCM) διαμόρφωση δέλτα (delta modulation DM) 20

21 Pulse Code Modulation (PCM) (1/3) Στηρίζεται στην υλοποίηση του θεωρήματος της δειγματοληψίας και την κβαντοποίηση των δειγμάτων Η διαδικασία της δειγματοληψίας είναι γνωστή ως Pulse Amplitude Modulation (PAM) οι παραγόμενοι παλμοί μπορούν να έχουν οποιαδήποτε τιμή 21

22 Pulse Code Modulation (PCM) (2/3) Οι παλμοί PAM προσεγγίζονται (κβάντιση) με Μ επίπεδα τα Μ επίπεδα αναπαρίστανται με n=log 2 (M) bits 22

23 Pulse Code Modulation (PCM) (3/3) Η κβαντοποίηση εισάγει θόρυβο που είναι γνωστός ως θόρυβος κβαντοποίησης SNR = 20log 2 n = 6.02n dB db Τα επίπεδα κβαντοποίησης μπορεί να είναι ίδια (γραμμική κωδικοποίηση) ή όχι (μη γραμμική) 23

24 Delta Modulation (DM) (1/2) Η διαμόρφωση Δέλτα χρησιμοποιείται για να βελτιώσει την απόδοση της PCM την πολυπλοκότητα υλοποίηση η της PCM Το σήμα προσεγγίζεται από μια συνάρτηση μορφής κλίμακας η συνάρτηση κινείται πάνω ή κάτω κατά ένα επίπεδο κβαντοποίησης σε κάθε διάστημα δειγματοληψίας ουσιαστικά προσεγγίζεται η παράγωγος του σήματος δεδομένων η ακρίβεια της μεθόδου εξαρτάται από: α) το μέγεθος του επιπέδου κβαντοποίησης, β) το διάστημα δειγματοληψίας 24

25 Delta Modulation (DM) (2/2) 25

26 Τεχνικές Φασματικής Εξάπλωσης 26

27 Μετάδοση με φασματική εξάπλωση (1/3) Το σήμα πληροφορίας διαμορφώνεται με μια ακολουθία ψηφίων κώδικας ή ακολουθία εξάπλωσης Αποτέλεσμα είναι η αύξηση του φασματικού περιεχόμενου του σήματος Ο παραλήπτης χρησιμοποιώντας την ίδια ακολουθία ψηφίων αναπαράγει το αρχικό σήμα Κάθε κόμβος που δεν γνωρίζει την ακολουθία αντιλαμβάνεται το σήμα ως θόρυβο 27

28 Μετάδοση με φασματική εξάπλωση (2/3) 28

29 Μετάδοση με φασματική εξάπλωση (3/3) Πλεονεκτήματα εξάπλωσης φάσματος ανοχή στη διαφορετική συμπεριφορά του καναλιού με βάση τη συχνότητα ταυτόχρονη χρήση όλου του φάσματος από χρήστες μικρές παρεμβολές μεγάλη αξιοπιστία και ασφάλεια Χρησιμοποιείται σε νέα συστήματα τηλεπικοινωνιών Υψηλό κόστος Είδη: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct Sequence Spread Spectrum (DHSS) 29

30 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) (1/4) Για τη μετάδοση χρησιμοποιείται ένα σύνολο από περιοχές συχνοτήτων κάθε περιοχή συχνοτήτων έχει εύρος ίσο ή μεγαλύτερο με το εύρος συχνοτήτων του υπό μετάδοση σήματος Το διαμορφωμένο σήμα αλλάζει συχνότητα περιοδικά κάθε φορά επιλέγεται μια περιοχή συχνοτήτων η επιλογή γίνεται με βάση τον κώδικα εξάπλωσης 30

31 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) (2/4) 31

32 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) (3/4) Η τεχνική FHSS μπορεί να συνδυαστεί με οποιαδήποτε από τις τεχνικές διαμόρφωσης BFSK ή MFSK Δύο είδη αναπήδησης αργή: Τ c >= T s γρήγορη: Τ c <= T s 32

33 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) (4/4) πομπός δέκτης 33

34 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) (1/5) Κάθε bit πληροφορίας ρ αντιστοιχίζεται σε μια ακολουθία από bits στο υπό μετάδοση σήμα Η αντιστοίχηση γίνεται με βάση τον κώδικα εξάπλωσης Ο τρόπος συνδυασμού του κώδικα εξάπλωσης με το σήμα πληροφορίας εξαρτάται από τον ίδιο τον κώδικα διαδεδομένη μεθοδολογία: χρήση XOR 34

35 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) (2/5) 35

36 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) (3/5) Αποτέλεσμα είναι η εξάπλωση του φάσματος η εξάπλωση είναι ευθέως ανάλογη του αριθμού των bits που χρησιμοποιούνται για την μετατροπή ενός αρχικού bit 36

37 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) (4/5) πομπός δέκτης 37

38 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) (5/5) d Η τεχνική μπορεί να συνδυαστεί με τεχνικές διαμόρφωσης, π.χ. BPSK ( ) = ()cos( 2π ) s t Ad t f t () = ( π ) s t Ad() t c()cos t 2 fct d(t) σήμα δεδομένων S d (t) σήμα δεδομένων διαμορφωμένο κατά BPSK s(t) () κωδικοποιημένο σήμα DSSS c 38

39 Code Division Multiple Access (CDMA) (1/5) Η διασπορά φάσματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υλοποιηθεί πολλαπλή πρόσβαση σε ένα κανάλι κάθε χρήστης χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό κώδικα εξάπλωσης ο ρυθμός του κώδικα είναι μεγαλύτερος από το ρυθμό των bit πληροφορίας ιδανική περίπτωση: οι χρησιμοποιούμενοι κώδικες είναι ορθογώνιοι κώδικες χωρίς συσχέτιση μη ορθογώνιοι κώδικες μπορούν να χρησιμοποιηθούν 39

40 Code Division Multiple Access (CDMA) (2/5) 40

41 Code Division Multiple Access (CDMA) (3/5) Αρχή λειτουργίας CDMA 41

42 Code Division Multiple Access (CDMA) (4/5) Οι χρησιμοποιούμενοι κώδικες πρέπει να έχουν κάποια χαρακτηριστικά ίσος αριθμός 0 και 1 ομοιότητα με θόρυβο μηδενική συσχέτιση να είναι δυνατή ήη αναπαραγωγή γήτους σε πομπό και δέκτη Δύο κατηγορίες κωδίκων PN ορθογώνιοι κώδικες 42

43 Code Division Multiple Access (CDMA) (5/5) Κώδικες PN οι ακολουθίες είναι κατ ουσία περιοδικές αλλά μοιάζουν να είναι τυχαίες ψευδοτυχαία παραγωγή με βάση έναν αλγόριθμο και έναν αριθμό (seed) Ιδιότητες: ομοιόμορφη κατανομή, ανεξαρτησία, συσχετισμός Ορθογώνιοι κώδικες M 1 k= 0 Μ μήκος κώδικα κώδικες Walsh φ ( k τ ) φ ( k τ ) = 0, i j i j W (0) Wn Wn 1 W2 ( ) n W W n n 43

44 Τεχνική OFDM Κεντρική ιδέα: παράλληλη μετάδοση πολλαπλών ακολουθιών bit οι ακολουθίες έχουν προέλθει από τα διαδοχικά πλαίσια δεδομένων κάθε ακολουθία μεταδίδεται χρησιμοποιώντας διαφορετικό φέρον 44