Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Prezentacja na temat: "Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska"— Zapis prezentacji:

1 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 Roshan P., Leary J.: Bezprzewodowe sieci LAN , Mikom 2004 i inne

2 Prosty model komunikacji bezprzewodowej
Komunikacja bezprzewodowa Prosty model komunikacji bezprzewodowej Zygmunt Kubiak IIPP

3 Różne częstotliwości radiowe
Komunikacja bezprzewodowa Różne częstotliwości radiowe Zygmunt Kubiak IIPP

4 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 i dlatego w wielu krajach (w tym w Polsce) przyjęło się używanie wielkiej litery K dla oznaczania krotności 1024, zaś małej k – dla krotności 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 baud Zygmunt Kubiak IIPP

5 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 Zygmunt Kubiak IIPP

6 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 Zygmunt Kubiak IIPP

7 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 Zygmunt Kubiak IIPP

8 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” Zygmunt Kubiak IIPP

9 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 Zygmunt Kubiak IIPP

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

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

12 Modulacja wielowartościowa (przykład dla modulacji fazowej)
Zygmunt Kubiak IIPP

13 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 Zygmunt Kubiak IIPP

14 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) Zygmunt Kubiak IIPP

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

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

17 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 Zygmunt Kubiak IIPP

18 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 Zygmunt Kubiak IIPP

19 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 Zygmunt Kubiak IIPP

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

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

22 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 Zygmunt Kubiak

23 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). Zygmunt Kubiak IIPP

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

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

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

27 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 Zygmunt Kubiak

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

29 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. Zygmunt Kubiak

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

31 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, Zygmunt Kubiak

32 Modulacja w technologii LoRa
„Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US B2 „Fractional-N synthesized chirp generator” (publ ) Zygmunt Kubiak

33 Modulacja w technologii LoRa
„Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US B2 „Fractional-N synthesized chirp generator” (publ ) Zygmunt Kubiak

34 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”. Zygmunt Kubiak IIPP

35 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. Zygmunt Kubiak IIPP

36 Modulacja Modulacja QPSK (ang. Quadrature Phase Shift Keying)
Zygmunt Kubiak IIPP

37 Modulacja Modulacja QPSK (ang. Quadrature Phase Shift Keying)
Konstelacja QPSK Zygmunt Kubiak IIPP

38 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 Zygmunt Kubiak IIPP

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

40 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) ... . . . . . 14 15 Zygmunt Kubiak IIPP

41 Reprezentacja symbolu ‘0’
Modulacja Przykład modulacji O-QPSK - IEEE /ZigBee Reprezentacja symbolu ‘0’ Zygmunt Kubiak IIPP

42 Zygmunt Kubiak