Modülasyon - Modulation

Bölüm 4. Sinyal Kodlama Teknikleri http://ceng.gazi.edu.tr/~ozdemir Modülasyon - Modulation Mükemmel iletişim için sayısal sinyaller sonsuz frekans aralığına ihtiyac duyarlar Modülasyon veriyi iletime uygun hale getirmek icin yapilan kodlama (encoding) işlemi Genelde baseband bir sinyali çok daha yüksek frekansdaki bir bandpass sinyale çevirme işlemidir Baseband: modulating sinyal Bandpass: modulated sinyal 2/60 1

Modülasyon Neden? Genelde iletilecek olan baseband sinyal olduğu gibi iletilemez Taşıyıcı sinyalin özellikleri baseband sinyal kullanılarak değiştirilir Modülasyon gerekçeleri küçük anten boyutları The antenna size is inversely proportional to the frequency to be radiated. for 1 MHz, antenna-height=some hundred meters for 1 GHz, antenna-height=few centimeters frequency division multiplexing yaparak aynı anda birden çok sinyalin iletilmesine olanak tanımak gönderilen sinyaller arasındaki girişimi (interference) azaltmak ortam özellikleri (denizaltı-uzun dalgaboyu, pda-kısa dalgaboyu) 3/60 Modülasyon Nasıl? Modülasyon yüksek frekanslı taşıyıcının amplitude, phase, ya da frekansının gönderilecek baseband sinyale göre değiştirilmesi ile yapılır 4/60 2

Modülasyon - Modulation Genel olarak iki çeşit modülasyon frequency translation: baseband sinyali bir bütün olarak yüksek bir frekansa taşıma digitization: baseband sinyali örnekleme metoduyla digital hale getirme 5/60 Modülasyon - Modulation modulation by frequency translation by digitizationiti analog digital not quantized quantized AM FM PM ASK FSK PSK PAM PDM PPM M PCM M-FSK M-PSK M-PAM 6/60 3

Kablosuz ağlarda sayısal veri modülasyonu analog baseband digital signal data digital analog 101101001 modulation modulation radio transmitter for digital data radio carrier analog demodulation analog baseband signal synchronization decision digital data 101101001 radio receiver radio carrier 7/60 Modülasyon kriterleri Alıcının gönderilen bir sinyali başarı ile almasını etkileyen faktörler? Signal to noise ratio (SNR) Data rate Bandwidth Çıkarımlar An increase in SNR decreases bit error rate An increase in data rate increases bit error rate An increase in bandwidth allows an increase in data rate 8/60 4

Sayısal data Analog sinyal 9/60 Temel modülasyon teknikleri Digital data to analog signal Amplitude-shift keying (ASK) Amplitude difference of carrier frequency Frequency-shift keying (FSK) Frequency difference near carrier frequency Phase-shift keying (PSK) Phase of carrier signal shifted 10/60 5

Digital modulation Digital sinyal modülasyonu Shift Keying olarak adlandırılır Amplitude Shift Keying (ASK): 1 0 1 basit düşük bantgenişliği interference (girişim) den etkilenir Frequency Shift Keying (FSK): 1 0 1 yüksek bantgenişliği Phase Shift Keying (PSK): kompleks interference (girişim) i i e karşı dayanıklı 1 0 1 t t t 11/60 Basic Encoding Techniques 12/60 6

Amplitude-Shift Keying İkili değerlerden (binary digit) birisi taşıyıcı sinyalin (carrier signal) varlığı ile ifade edilir Diğer binary digit ise taşıyıcı sinyalin (carrier signal) yokluğu ile ifade edilir c s t 0 carrier signal ---> Acos(2πf c t) Acos 2f t binary 1 binary 0 13/60 Amplitude-Shift Keying 14/60 7

Amplitude-Shift Keying Sinyaller arası istenmeyen girişimden (interference) fazlasıyla etkilenir Hatalar oluşur Kolay ama verimsiz bir modülasyon tekniğidirğ Ses hatlarında (voice-grade line), 1200 bps data rate e kadar kullanilir Sayısal veriyi optik fiber üzerinde iletmek icin kullanılabilir 15/60 Binary Frequency-Shift Keying (BFSK) ikili değerler (binary digit) taşıyıcı (carrier) frekansina yakın iki değişik frekans olarak ifade edilirler A s t 2 f2t Acos 2f t 1 where f 1 and f 2 are offset from carrier frequency f c by equal but opposite amounts cos binary 1 binary 0 16/60 8

Frequency-Shift Keying 17/60 Binary Frequency-Shift Keying (BFSK) ASK dan daha az hata oluşur Ses hatlarinda (voice-grade line), 1200 bps data rate e kadar kullanılır Yüksek frekansli (3 to 30 MHz) radio iletişimi için kullanılabilir Coaxial kablo kullanan LAN larda daha yüksek frekanslarda kullanılabilir 18/60 9

Multiple Frequency-Shift Keying (MFSK) İki frekansdan fazlası kullanılıyor Bantgenişliği olarak daha iyi ama hata oluşturmaya daha musait s i t A cos 2 f f i = f c + (2i 1 M)f d f c = the carrier frequency f d = the difference frequency M = number of different signal elements = 2 L L = number of bits per signal element i t 1 i M 19/60 Multiple Frequency-Shift Keying (MFSK) 20/60 10

Multiple Frequency-Shift Keying (MFSK) Input data rate e uymak icin her output sinyal elemani T s kadar bekletilir T s =LT seconds where T is the bit period (data rate = 1/T) Yani bir sinyal elemani L bit input datayı kodlar 21/60 Multiple Frequency-Shift Keying (MFSK) Toplam bantgenişliği 2Mf d Minimum frequency separation required 2f d =1/T s Therefore, modulator requires a bandwidth of W d =2Mf d =M/T s FSK icin gerekli olan bandwidth taşıyıcı frekansları arasındaki uzaklığa bağlı 22/60 11

Phase-Shift Keying (PSK) Two-level PSK (BPSK) Ikili degerleri (binary digit) ifade etmek icin iki farkli phase kullanir s t Acos 2f ct A cos 2 f c t binary 1 binary 0 Acos 2f ct binary 1 Acos 2f t binary 0 c 23/60 Two-level PSK Tasiyici sinyalin phase i veriyi ifade edebilmek icin kaydirilir Fig. Phase shift is with reference to some constant reference signal. 24/60 12

Phase-Shift Keying (PSK) - Differential PSK Phase kaydırması referans sinyale göre değil, transmit edilen önceki bite göre yapılır Zamanlama mekanizmasına ihtiyaç duymaz 25/60 Phase-Shift Keying (PSK) Differential PSK (DPSK) Bir önceki bite göre phase kaydırması yapar Binary 0 bir önceki bitle aynı phasede bir sinyal gönder Binary 1 bir önceki bitin tam tersi phasede bir sinyal gönder 26/60 13

Phase-Shift Keying (PSK) Four-level (quadrature) PSK (QPSK) Each element represents two bits s t Acos2f ct 4 11 3 Acos 2f ct 4 01 3 Acos 2 fc t 4 00 A cos 2f ct 4 10 27/60 QPSK QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): 2 bits bir sembol olarak kodlanır /2 (90 o ) kaydırır Q BPSK ya göre daha az bantgenişliğine BPSK ihtiyaç duyar 1 Daha karmaşık 01 Q 0 I 11 QPSK I 00 10 28/60 14

QPSK 29/60 QPSK- Örnek 30/60 15

Phase-Shift Keying (PSK) Multilevel PSK Her phase 2 den çok bit ifade edebilir Dahası her phase birden çok amplitude değeri kullanılabilir 9600 bps modem 12 farklı phase 4 tanesi 2 farklı amplitude kullanıyor Toplam 16 değişik sinyal çeşidi Genel formül D R L R log 2 M D = modulation rate, baud R = data rate, bps M = number of different signal elements = 2 L L = number of bits per signal element 31/60 Performans Modüle edilmiş sinyalin bantgenişliği (B T ) ASK, PSK B T =(1+r)R FSK B T =2F+(1+r)R R = bit rate 0 < r < 1; related to how signal is filtered F = f d = f 2 -f c =f c -f 1 32/60 16

Performans 33/60 Quadrature Amplitude Modulation QAM, ASK ve PSK nın bir kombinasyonudur Farklı seviyede iki sinyal aynı carrier frekansı üzerinde eşzamanlı olarak gönderilir Sinyaller 90 derece kaydırılmış s t d t 2f t d t sin 2f t 1 cos c 2 2 n farklı seviye; if n=2, identical to QPSK (n semboldeki bit sayısı) c 34/60 17

Quadrature Amplitude Modulation 35/60 QAM - Örnek Örnek: 16-QAM (4 bits = 1 symbol) 0011 ve 0001 aynı phase fakat farklı amplitude. 0000 ve 1000 farklı phase aynı amplitude. Q 0010 0011 0001 0000 I 1000 36/60 18

ANALOG DATA ANALOG SİNYAL 37/60 Analog Modülasyon Nedenleri Sayısal sinyallerin modulasyonu Sadece analog iletim hatları kullanılabilir olduğunda, sayısal veriyi analoğa çevirmek gerekir (kablosuz iletişim) Analog sinyallerin modulasyonu Verimli bir iletişim için daha yüksek frekanslara ihtiyaç olabilir (düşük frekans, anten boyutu) Modülasyon Frequency division multiplexing için gereklidir 38/60 19

Temel Teknikler Analog data to analog signal Amplitude modulation (AM) Angle modulation Frequency modulation (FM) Phase modulation (PM) Sinyalin merkez frekansını taşıyıcı frekansına yükseltir 39/60 Analog Modulasyon 40/60 20

Amplitude Modulation Amplitude Modulation s t 1 n xt cos 2f t a cos2f c t = carrier x(t) = input signal n a = modulation index Ratio of amplitude of input signal to carrier (A x(t) /A c ) double sideband transmitted carrier (DSBTC) olarak da bilinir c 41/60 Spectrum of AM signal B T =2B 42/60 21

Amplitude Modulation Transmitted power P t n a Pc 1 2 P t = total transmitted power in s(t) P c = transmitted power in carrier Amaç n a yı olabildiğince büyük yapmak (<1) 2 43/60 Analog Modulation Example: A zero mean sinusoidal message is applied to a transmitter that radiates an AM signal with 10 kw power. Compute the carrier power if the modulation index is 0.6. What percentage of the total power is in the carrier? P c = P t /(1+(n a ) 2 /2) = 10/(1+0.6 2 /2) = 8.47kW (8.74/10)*100 = %84.7 44/60 22

Single Sideband (SSB) Variant of AM is single sideband (SSB) Sends only one sideband Eliminates other sideband and carrier Advantages Only half the bandwidth is required Less power is required Disadvantages Suppressed carrier can t be used for synchronization purposes 45/60 Angle Modulation Açısal modülasyon matematiksel olarak şöyle ifade edilebilir s t Phase modulation A cos 2 f t c t Phase modulating sinyal ile orantılıdır t n p c m t n p = phase modulation index 46/60 23

Angle Modulation - Önemli FM ve PM den sonra elde edilen sinyal AM gibi f c merkezlidir Ancak frekansdaki değişiklik çok fazladır Angle modulation includes cos( (t)) which produces a wide range of frequencies Bu yüzden FM ve PM modülasyonu AM modülasyonundan çok daha fazla bant genişliğine ihtiyaç duyar For AM modulation B T =2B 47/60 Angle Modulation Carson s rule (Heruistic) where np Am F n f A B 2B m B T 2 1B for PM for FM The formula for FM becomes B T 2F 2B 48/60 24

ANALOG DATA SAYISAL S SİNYAL 49/60 Basic Encoding Techniques Analog data to digital signal Pulse code modulation (PCM) Delta modulation (DM) 50/60 25

Analog sayısal çevirme Bazı uygulamalarda analog sinyal vardır (mikrofon veya kamera üretir). Analog sinyal sayısal dataya çevirilir ardından sayısal sinyale dönüştürülür. ülü Pulsecodemodulation(PCM) En yaygın kullanılan analog sinyal sayısal data dönüştürme yöntemidir. 51/60 Analog sayısal çevirme Analog sayısal çevirmenin 3 aşaması vardır Örnekleme (Sampling) Sayısallaştırma ş (Quantization) Orijinal sinyali tekrar oluşturma 52/60 26

Örnekleme - Sampling Her T s aralığında analog sinyal örneklenir (sampling rate, sampling frequency). Üç farklı örnekleme yapılır. Sample and hold (flat top) yaygın kullanılır. 53/60 Sampling rate Nyquist teoremine göre örnekleme frekansı (sampling rate) en yüksek frekansın en az iki katı olmalıdır. 54/60 27

Sayısallaştırma Quantization Örneklenen değerler analogtur. Minimum ve maksimum arası L seviyeye bölünür. İki seviye arasındaki fark Δ = (V max V min )/L olur. Örnekte, Vmax = +20 V, Vmin = 20 V, L = 8 55/60 Orijinal sinyali tekrar oluşturmak Bit dizisi tekrar analog sinyali oluşturmak için kullanılır. 56/60 28

Delta modülasyonu Delta modülasyonu PCM den daha basittir. Örneklenen değer bir öncekinden büyükse artış, küçükse azalış gerçekleştirilir. 57/60 Delta Modulation Analog input is approximated by staircase function Moves up or down by one quantization level () at each sampling interval The bit stream approximates derivative of analog signal (rather than amplitude) 1 is generated if function goes up 0 otherwise 58/60 29

Delta Modulation 59/60 Reasons for Growth of Digital Techniques Growth in popularity of digital techniques for sending analog data Repeaters are used instead of amplifiers No additive noise TDM is used instead of FDM No intermodulation noise Conversion to digital signaling allows use of more efficient digital switching techniques 60/60 30