8. ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ: ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ Ορισμoί Εμπλεκόμενα σήματα

Transcript

1 8. ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ: ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ 8.1. Ορισμoί Ως διαμόρφωση (modulation) χαρακτηρίζεται η μεταβολή μιας παραμέτρου (π.χ. πλάτους, συχνότητας, φάσης κλπ.) ενός σήματος που λέγεται φέρον εξαιτίας της επενέργειας σε αυτό (στο φέρον), του σήματος πληροφορίας (που ονομάζεται και διαμορφώνον σήμα ή σήμα βασικής ζώνης). Συνήθως, το φέρον είναι ένα ημιτονοειδές σήμα c(t), το δε σήμα πληροφορίας επενεργεί στο πλάτος, τη συχνότητα ή τη φάση του c(t). Σπανιότερα το φέρον είναι μια παλμοσειρά p T (t), και το σήμα πληροφορίας επενεργεί στο πλάτος, τη διάρκεια ή τη θέση των (βλ. και επόμενες ενότητες). O διαμορφωτής (το κύκλωμα που επιτελεί τη λειτουργία της διαμόρφωσης) αποτελεί τη βασική βαθμίδα του τηλεπικοινωνιακού πομπού. σήμα πληροφορίας Διαμορφωτής Μεταδιδόμενο σήμα s(t) φέρον c(t) ή p T (t) Στο δέκτη του τηλεπικοινωνιακού συστήματος, και συγκεκριμένα στον αποδιαμορφωτή ή φωρατή, επιτελείται η εξαγωγή του σήματος πληροφορίας από το μεταδιδόμενο σήμα s(t) (αποδιαμόρφωση ή φώραση). μεταδοθέν σήμα s(t) Αποδιαμορφωτής αναπαραχθέν σήμα πληροφορίας 8.2. Εμπλεκόμενα σήματα Στη διεργασία της διαμόρφωσης, εμπλέκονται τα παρακάτω σήματα: Σήμα πληροφορίας (διαμορφώνον σήμα ή σήμα βασικής ζώνης) : Είναι το αναλογικό ή ψηφιακό σήμα που μεταφέρει την πληροφορία (ήχο, εικόνα, δεδομένα κλπ.). Για παράδειγμα, το σήμα αυτό μπορεί να εμφανίζεται στην έξοδο ενός Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 8.1

2 μικροφώνου, ενός εικονολήπτη (κάμερας) ή ενός υπολογιστή (πριν οδηγηθεί στον διαποδιαμορφωτή modem ). Το σήμα πληροφορίας μπορεί να είναι είτε αναλογικό (το σήμα εξόδου ενός μικροφώνου ή ενός αναλογικού εικονολήπτη) είτε ψηφιακό (το σήμα εξόδου ενός κωδικοποιητή PCM ή ενός ψηφιακού εικονολήπτη ή ενός υπολογιστή). Ένα σήμα πληροφορίας καλύπτει μια συγκεκριμένη περιοχή συχνοτήτων [f m,1 έως f m,2 ], το δε εύρος ζώνης του είναι Β m = f m,2 f m,1. Για παράδειγμα, τα σήματα ήχου του τηλεφωνικού δικτύου καλύπτουν την περιοχή συχνοτήτων [ Hz], τα ραδιοφωνικά σήματα ήχου την περιοχή συχνοτήτων [30 Hz 15 khz] ενώ το (αναλογικό) σήμα εικόνας (video) την περιοχή [0 5,5 ΜHz]. Το εκάστοτε σήμα πληροφορίας χαρακτηρίζεται και ως σήμα βασικής ζώνης (base-band signal) 1 ενώ στην περίπτωση της ραδιοφωνίας, χρησιμοποιείται και ο όρος «ακουστικό σήμα» (audio signal) ή «σήμα ακουστικής συχνότητας» (audio frequency ή ΑF signal) 2. t ή t Φέρον c(t): Στις περισσότερες περιπτώσεις, είναι ημιτονοειδές σήμα της μορφής c(t)= A c.cos(2π.f c.t + φ c ) (8.1) Ανάλογα με την τεχνική διαμόρφωσης, το σήμα πληροφορίας επενεργεί και διαμορφώνει είτε το πλάτος A c είτε τη συχνότητα f c είτε τη φάση φ c του c(t) (διαμόρφωση πλάτους, συχνότητας ή φάσης ΑΜ, FM, PM αντίστοιχα). Για το φέρον, χρησιμοποιούνται και οι όροι «φέρουσα συχνότητα», «φέρουσα» ή «φορέας» ενώ, ειδικά για τη ραδιοφωνία, το σήμα c(t) χαρακτηρίζεται, ενίοτε, και ως «σήμα (βλ υποσημ. ραδιοσυχνότητας» (RF signal). Επισημαίνεται ότι f c >> Β 3) m.. 1 Σε ορισμένες περιπτώσεις, το φέρον είναι μια παλμοσειρά p T (t) αποτελούμενη από παλμούς πολύ μικρής διάρκειας. Στην περίπτωση αυτή, το σήμα πληροφορίας Στις τηλεπικοινωνίες, o όρος «μετάδοση βασικής ζώνης» (base-band transmission) σημαίνει μετάδοση χωρίς διαμόρφωση. 2 Ο όρος «σήμα ακουστικής συχνότητας» δεν είναι απόλυτα ακριβής υπό την έννοια ότι, στη ραδιοφωνία, το σήμα πληροφορίας δεν εμπεριέχει μία συχνότητα αλλά συντίθεται από ένα σύνολο (φάσμα) αρμονικών στην ακουστική περιοχή (30 Hz έως 15 khz). 3 Π.χ. στη ραδιοφωνία FM, η συχνότητα του φέροντος f c είναι στην περιοχή MHz ενώ το φάσμα του (ηχητικού) σήματος πληροφορίας είναι 30 Ηz 15 khz. Στην τηλεόραση, η συχνότητα του φέροντος f c είναι στην περιοχή UHF (300 MHz 3 GHz) ενώ το σήμα εικόνας έχει φάσματικό εύρος 0 5,5 ΜΗz. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 8.2

3 (βασικής ζώνης) μπορεί να διαμορφώσει είτε το πλάτος είτε τη διάρκεια/εύρος είτε τη θέση των (παλμική διαμόρφωση πλάτους, διάρκειας ή θέσης PAM, PWM, PPM αντίστοιχα). Mεταδιδόμενο (ή διαμορφωμένο) σήμα s(t): Είναι το σήμα που προκύπτει από την επενέργεια του σήματος πληροφορίας στο φέρον c(t) ή p T (t). Ανεξάρτητα από την τεχνική διαμόρφωσης, το μεταδιδόμενο σήμα s(t) καλύπτει μια περιοχή συχνοτήτων εύρους Β s γύρω από τη συχνότητα του φέροντος f c. Επισημαίνεται ότι, γενικά, Β s Β m (συνήθως το εύρος ζώνης Β s του μεταδιδόμενου σήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης Β m του σήματος πληροφορίας ) Σκοπιμότητα χρήσης τεχνικών διαμόρφωσης Οι περισσότερες κεραίες εκμπέμουν αποδοτικά μόνο σε μήκη κύματος τα οποία είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις γεωμετρικές τους διαστάσεις. Έτσι, για τη ραδιομετάδοση ενός ηχητικού σήματος εύρους ζώνης B m = 15 khz (που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος λ= c/b m = m) θα χρειαζόταν κεραία μήκους αρκετών χιλιομέτρων. Όμως, αν το σήμα αυτό διαμορφώσει ένα φέρον π.χ. των 100 MHz (λ= 3 m) η εκπομπή του σήματος γίνεται σε μια περιοχή συχνοτήτων γύρω από τα 100 MHz οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί κεραία μήκους 12 m. Μέσω της διαμόρφωσης, είναι δυνατή η επιλογή περιοχών συχνότητας στις οποίες το μέσο μετάδοσης έχει τις επιθυμητές ιδιότητες (π.χ. χαμηλή εξασθένηση ή δυνατότητα ανάκλασης των σημάτων για την αύξηση της απόστασης). Για παράδειγμα, για τις διεθνείς ραδιοφωνικές μεταδόσεις, χρησιμοποιείται η περιοχή συχνοτήτων 3 30 MHz (βραχέα κύματα) επειδή, στις συχνότητες αυτές τα κύματα μπορούν να ανακαλστούν από την ιονόσφαιρα. Mε διαμόρφωση φερόντων διαφορετικής συχνότητας (π.χ. 100 ΜΗz, 101 MHz) είναι δυνατή η ταυτόχρονη εκπομπή περισσοτέρων του ενός σημάτων (αρχή πολυπλεξίας με διαίρεση συχνότητας). Η χρήση διαμόρφωσης είναι απαραίτητη στις ασύρματες και τις οπτικές ζεύξεις. Από την άλλη πλευρά, μετάδοση βασικής ζώνης (δηλαδή μετάδοση, χωρίς διαμόρφωση, του σήματος πληροφορίας) χρησιμοποιείται στις ενσύρματες ζεύξεις μικρών αποστάσεων (π.χ. διασύνδεση τηλεφώνου με τηλεφωνικό κέντρο). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 8.3

4 8.4. Βασικοί τύποι διαμόρφωσης Με ημιτονοειδές φέρον c(t) = cos(2π.f c.t+φ c ) Σήμα πληροφορίας (διαμορφώνον) Διαμορφούμενη παράμετρος του φέροντος c(t) Τύπος διαμόρφωσης Σχόλια Αναλογικό Πλάτος Α c Πλάτους (AM) Αν και υπάρχουν διάφορες παραλλαγές της AM (πλήρης AM, DSB, SSB κλπ.) το πλάτος του μεταδιδόμενου σήματος μεταβάλλεται (από μια ελάχιστη μέχρι μια μέγιστη τιμή) συναρτήσει του σήματος πληροφορίας. Συχνότητα f c Συχνότητας (FM) Η συχνότητα του μεταδιδόμενου σήματος μεταβάλλεται (από μια ελάχιστη μέχρι μια μέγιστη τιμή) συναρτήσει του σήματος πληροφορίας. Φάση φ c Φάσης (PM) Η φάση του μεταδιδόμενου σήματος μεταβάλλεται (από μια ελάχιστη μέχρι μια μέγιστη τιμή) συναρτήσει του σήματος πληροφορίας. Η συγκεκριμένη τεχνική διαμόρφωσης είναι ισοδύναμη με την FM. Ψηφιακό Πλάτος Α c Κλειδώματος πλάτους (ASK) Συχνότητα f c Φάση φ c Κλειδώματος συχνότητας (FSK) Κλειδώματος φάσης (PSK) Πλάτος Α c και φάση φ c Κλειδώματος πλάτους και φάσης (QASK ή QAM) Το πλάτος του φέροντος λαμβάνει δύο τιμές, την αρχική Α c, (μετάδοση του "1") και μία πρακτικά μηδενική τιμή (μετάδοση του "0") Η συχνότητα του φέροντος λαμβάνει τιμές f c Δf (μετάδοση του "0") ή f c +Δf (μετάδοση του "1"). Αν και υπάρχουν διάφορες παραλλαγές PSK (ΒPSK, QPSK κλπ.) η φάση του φέροντος λαμβάνει συγκεκριμένες τιμές, ανάλογα με το ποιό ψηφίο (ή ομάδα ψηφίων) μεταδίδεται. Π.χ. στην BPSK, η φάση λαμβάνει τιμές 0 ή π, ανάλογα με τον αν το σήμα πληροφορίας έχει τιμή "1" ή "0". Το πλάτος και η φάση του φέροντος λαμβάνουν συγκεκριμένες τιμές που εξαρτώνται από τις τιμές του ψηφιακού σήματος πληροφορίας. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 8.4

5 Με παλμικό φέρον p T (t) Σήμα πληροφορίας (διαμορφώνον) Αναλογικό ή ψηφιακό Διαμορφούμενη παράμετρος του φέροντος p T (t) Πλάτος Α p Τύπος διαμόρφωσης Διαμόρφωση πλάτους (Pulse Amplitude Σχόλια To πλάτος των της παλμοσειράς μεταβάλλεται ανάλογα με την τιμή του σήματος πληροφορίας. Διάρκεια (εύρος) τ p Θέση Modulation PAM) Διαμόρφωση εύρους (Pulse Width Modulation PWM) Διαμόρφωση θέσης (Pulse Position Η διάρκεια (εύρος) των της παλμοσειράς μεταβάλλεται ανάλογα με την τιμή του σήματος πληροφορίας. Η θέση των της παλμοσειράς μεταβάλλεται ανάλογα με την τιμή του σήματος πληροφορίας. Modulation PPM) Σχόλια Ο παραπάνω τρόπος κατηγοριοποίησης των τεχνικών διαμόρφωσης είναι ενδεικτικός. Για παράδειγμα, οι τεχνικές ψηφιακοποίησης (PCM, δ, DPCM) συμπεριλαμβάνονται, πολλές φορές, στις τεχνικές διαμόρφωσης (παρ όλο που δεν υφίσταται φέρον) και χαρακτηρίζονται ως ψηφιακές διαμορφώσεις. Τέλος, εκτός των ανωτέρω, υπάρχουν και άλλες τεχνικές διαμόρφωσης που χρησιμοποιούνται σε ειδικότερες και πιο προηγμένες εφαρμογές. Αναφέρονται, ενδεικτικά, η διαμόρφωση ευρέος φάσματος (spread-spectrum modulation) που χρησιμοποιείται σε ασύρματες εφαρμογές, η ορθογωνική πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) που χρησιμοποιείται στις συνδέσεις ADSL κλπ Παραπομπές Νασιόπουλος Α., Τηλεπικοινωνίες, Εκδ. Αράκυνθος 2007: Ενότητες 3.1, 3.2. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 8.5