Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Modulacja Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Opracowanie na postawie: Islam S. K., Haider M. R.: Sensor and low power signal processing, Springer 2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Modulation Roshan P., Leary J.: Bezprzewodowe sieci LAN 802.11, Mikom 2004 i inne

Prosty model komunikacji bezprzewodowej Komunikacja bezprzewodowa Prosty model komunikacji bezprzewodowej 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Różne częstotliwości radiowe Komunikacja bezprzewodowa Różne częstotliwości radiowe 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Komunikacja bezprzewodowa Pojęcia Prędkość (szybkość) (przesyłu, transmisji) danych wyrażamy w bitach na sekundę , np. 20 kb/s, 8 Mb/s Uwaga, w informatyce (w przeciwieństwie do innych dziedzin nauki) przedrostek kilo czasem nie oznacza 103 a 1024 i dlatego w wielu krajach (w tym w Polsce) przyjęło się używanie wielkiej litery K dla oznaczania krotności 1024, zaś małej k – dla krotności 1000. Podobnie wielka litera B oznacza bajt, mała b – bit. Przykład: 1KB oznacza 1024 bajty IEC proponuje dodanie litery i, np. kilobajt kB = 1000 B a kibibajt KiB = 1024B; podobnie megabajt MB = 1000 kB a mebibajt MiB = 1024 KiB Szybkość modulacji (ang. baud rate) określa wynikową prędkość symboli na sekundę, chip’ów na sekundę ; wyrażana jest z reguły bodach (ang. baud), np. 9600 baud 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) Modulacja Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) NRZ-L (ang. non-return-to-zero level) NRZ-M (ang. non-return-to-zero mark) Zmiana stanu gdy występuje „1” Gdy „0” to zmiana stanu nie występuje 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) Modulacja Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) NRZ-L (ang. non-return-to-zero level) NRZ-S (ang. non-return-to-zero space) Zmiana stanu gdy występuje „0” Gdy „1” to zmiana stanu nie występuje 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) Modulacja Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) NRZ-L (ang. non-return-to-zero level) Unipolar RZ (ang. unipolar-return-to-zero) Kodowane są tylko sygnały ”1” Gdy „0” to zmiana stanu nie występuje 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) Modulacja Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) NRZ-L (ang. non-return-to-zero level) Bipolar RZ (ang. bipolar-return-to-zero) Kodowane są tylko sygnały „1” i „0” 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) Modulacja Technologie przewodowe (transmisja w paśmie podstawowym) NRZ-L (ang. non-return-to-zero level) RZ-AMI (ang. return-to-zero) Sygnał „1” kodowany jest impulsem, kolejne impulsy są przeciwnego znaku Sygnał „0’ – brak impulsu 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Typy modulacji sinusoidalnej fali nośnej (ang. carrier modulation) Modulacja Typy modulacji sinusoidalnej fali nośnej (ang. carrier modulation) PSK FSK 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Typy modulacji sinusoidalnej fali nośnej (ang. carrier modulation) Modulacja Typy modulacji sinusoidalnej fali nośnej (ang. carrier modulation) ASK ASK/PSK (APK) 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja wielowartościowa (przykład dla modulacji fazowej) 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Komunikacja wąskopasmowa z jedną falą nośną Modulacja Szerokość pasma to maksymalna liczba danych (ilość informacji), które mogą przejść przez kanał transmisyjny w określonym czasie [b/s] Przepustowość oznacza rzeczywistą szerokość pasma zmierzonego w określonych warunkach Komunikacja wąskopasmowa z jedną falą nośną Przepustowość kanał C, gdzie W – szerokość kanału w przybliżeniu proporcjonalna do szybkości transmisji R, a S/N - stosunek sygnału do szumu, R/W – efektywność wykorzystania pasma (wydajność energetyczna). Przykładowe metody modulacji: ASK, OOK 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Technologie bezprzewodowe Modulacja Technologie bezprzewodowe Komunikacja wąskopasmowa z jedną falą nośną Komunikacja z rozpraszaniem widma Rozpraszanie widma metodą przeskoków częstotliwości FHSS (ang. Frequency Hopping Spread Spectrum) Rozpraszanie widma metodą sekwencji bezpośredniej DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Zajętość pasma częstotliwości przy modulacjach 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja ASK (ang. Amplitude Shift Keying) ASK przekształca ciąg bitów w zmiany amplitudy fali nośnej Model systemu transmisyjnego wykorzystującego ASK 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Komunikacja bezprzewodowa Modulacja OOK (ang. On Off Keying) Jest najprostszą formą ASK – obecność fali nośnej odpowiada binarnej jedynce a binarne zero reprezentowane jest przez brak fali nośnej 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja FSK (ang. Frequency Shift Keying) Każdy symbol binarny reprezentuje inną częstotliwość f1 i f2 Często korzysta się z wartości względnych , odniesionych do częstotliwości nośnej fC, tzn. f1 = fC – fd oraz f2 = fC + fd 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja GFSK (ang. Gaussian Frequency Shift Keying) Problemem FSK jest przełączanie częstotliwości – idealnym rozwiązaniem byłoby zapewnienie ciągłości fazy. Nieciągłości powodują generowanie znacznych ilości energii pozapasmowej. W GFSK do filtrowania sygnału przy zmianie częstotliwości używa się filtru Gaussa. Stosuje się też GFSK z większą liczbą częstotliwości, przykład: Wykorzystanie 4 symboli (2 bity) do mapowania częstotliwości 10 fC + fd2 11 fC + fd1 01 fC – fd1 00 fC – fd2 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Przykład modulacji FSK i GFSK 12-2016 Zygmunt Kubiak Si4430/31/32 ISM TRANSCEIVER 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja Rozpraszanie widma metodą przeskoków częstotliwości FHSS (ang. Frequency Hopping Spread Spectrum) Urządzenie FHSS skokowo zmienia częstotliwości zgodnie z predefiniowanym wzorcem przeskoków 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Metoda rozpraszania widma z przeskokami częstotliwości (FHSS) w LoRa – układ SX1272 (f. Semtech) Przerwanie FhssChannelChange, generowane jest po przejściu do nowej częstotliwości Pakiet Nadajnik Odbiornik 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja Rozpraszanie widma metodą sekwencji bezpośredniej PN Code – kod pseudolosowy Każdy bit jest zastępowany lub rozstawiany przez kod rozpraszania szerokopasmowego. Strumień bitów danych jest przekształcany na strumień porcji (ang. chip). 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Przykład modulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z bezpośrednim rozpraszaniem widma 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja Przykład modulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z bezpośrednim rozpraszaniem widma 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja Przykład demodulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z bezpośrednim rozpraszaniem widma 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) W modulacji świergotowej czipem nazywa się fragment sygnału świergotowego o czasie trwania Tc zależnym od współczynnika rozproszenia SF ∈ {7, . . . , 12} według zależności: Ts=2SF∙Tc gdzie jest czasem trwania symbolu Czip w modulacji LoRa może się zaczynać od dowolnej częstotliwości z obowiązującego zakresu, a gdy osiągnie maksimum, generowany jest sygnał od częstotliwości najniższej Ts 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) Przykładowy sygnał świergotowy i jego widmo 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) Rysunek przedstawia uproszczony przykład dla SF=2. Gwarantuje to pełen zakres częstotliwości dla każdego symbolu. 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa Każdy symbol obejmuje więc pełen zakres częstotliwości pasma BW, stąd czas trwania symbolu Ts definiuje się następująco: Ts=2SF/BW Stąd uzyskamy dla uzyskamy TC = 1/BW oraz szybkość modulacji RC = BW [czip/s] Szybkość bitowa Rb = SF/TS = SF/(2SF/BW) Efektywna bitowa szybkość transmisji jest niższa uwzględnia współczynnik η, 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US7791415B2 „Fractional-N synthesized chirp generator” (publ. 7.9.2010) 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US7791415B2 „Fractional-N synthesized chirp generator” (publ. 7.9.2010) 12-2016 Zygmunt Kubiak

Modulacja Modulacja BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying) Najprostsza forma modulacji PSK, w której faza może przyjmować jedną z dwóch wartości przesuniętych względem siebie o 180° reprezentując logiczne „0” lub „1”. 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying) Konstelacja BPSK Mapowanie symboli (ang. Symbol Mapping) często jest przedstawiane w kartezjańskim układzie współrzędnych, z komponentami fazowymi (ang. in-phase) na osi x oraz z komponentami kwadraturowymi (ang. quadrature, q-phase) na osi y, co w efekcie daje tzw. konstelację. 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja QPSK (ang. Quadrature Phase Shift Keying) 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja QPSK (ang. Quadrature Phase Shift Keying) Konstelacja QPSK 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja O-QPSK (ang. Offset Quadrature Phase Shift Keying) – różnica z QPSK polega na przesunięciu bitów pochodzących z ciągu wejściowego, w kanale Q o T/2 względem bitów w kanale I 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Modulacja O-QPSK (ang. Offset Quadrature Phase Shift Keying) Porównanie QPSK O-QPSK 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Modulacja Przykład modulacji O-QPSK - IEEE 802.15.4/ZigBee ... . . . Bity na symbol Dane Binarne b3 b2 b1 b0 Symbol na chip’sy Modulacja Offset QPSK 250 kb/s 62.5 kBd 2 Mchip/s 1 Mchip/s Filtr Fazy I Filtr Fazy Q Faza I Faza Q Symbol dziesiętnie Symbol(binarnie (b0 b1 b2 b3) Wartości chip’sów (c0 c1 ... c30 c31) 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 ... . . . . . 14 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 15 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Reprezentacja symbolu ‘0’ Modulacja Przykład modulacji O-QPSK - IEEE 802.15.4/ZigBee 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 Reprezentacja symbolu ‘0’ 2019-01-01 Zygmunt Kubiak IIPP

Zygmunt Kubiak 12-2016