Modulatii utilizate in comunicatii de date

Modulatii utilizate in comunicatii de date

1. Generalitati despre modulatie

Modulatia este operatia de transmitere a semnalului modulator, generat de informatie, intr-un alt semnal, numit semnal modulat. Semnalul modulat contine intreaga informatie cuprinsa in semnalul modulator. Cu notatiile g(t) - semnal modulator si S_M (t) - semnal modulat se poate scrie: S_M (t) = M unde M este operatorul asociat modularii.

Prin modulare se realizeaza:

- adaptarea la conditiile particulare ale canalului de comunicatie. Exemplu: la o transmitere radio se urmareste translatarea spectrului de j.f. al semnalului modulator in jurul unei frecvente radio, astfel incat puterea radiata de antena sa fie suficienta;

- multiplexarea care permite utilizarea aceluiasi mediu de transmisie pentru mai multe comunicatii, fara a se amesteca si perturba reciproc;

Modulatia se mai clasifica:

-modulatie analogica, care realizeaza modificarea parametrilor unui semnal numit purtatoare in ritmul valorilor instantanee ale semnalului modulator.

Semnalul modulator poate fi de natura analogica sau digitala iar purtatoarea poate fi o sinusoida sau un tren periodic de impulsuri;

-modulatia numerica (digitala) opereaza o conversie a semnalului analogic intr-un semnal digital utilizand esantionarea si cuantizarea semnalului primar. Ca rezultat semnalul digital este reprezentabil printr-un cod si caracterizat prin debitul binar (bit/s).

Modulatia de amplitudine (ASK): definitie, clasificare

In functie de banda transmisa din spectrul semnalului modulat sunt mai multe variante ale ST cu M A:

- cu doua benzi laterale sau cu o banda laterala dubla (BLD);

- cu banda laterala unica (BLU);

- cu banda laterala reziduala (BLR);

- cu modulatie de amplitudine in cuadratura (MAQ).

Din punct de vedere al utilizarii eficiente a benzii de frecvente sistemele BLD sunt aproximativ echivalente cu sistemele MF. Daca se transmite si purtatorul, ponderea semnalului util (BL) din puterea totala transmisa se reduce si este posibila detectarea necoerenta. Echipamentul de receptie, in consecinta, este mai simplu, insa acest avantaj reduce protectia la zgomot.

Sistemele BLU asigura cea mai eficienta utilizare a benzii canalului dar, deoarece semnalul modulator are componente de frecventa joasa, este dificil de eliminat prin filtrare una din benzile laterale care rezulta dupa modulatie, fara a o afecta pe cealalta.

Sistemele BLR permit realizarea unui compromis intre eficienta utilizarii benzii de frecventa si posibilitatea eliminarii partiale a unei benzi laterale.

In sistemele MAQ, semnalul transmis este obtinut prin insumarea a doi purtatori in cuadratura ce au aceeasi frecventa insa sunt modulatii de doua mesaje diferite.

Convertorul D/A transforma datele intr-un semnal binar sau multinivel in banda de baza. Semnalul este aplicat unui FTJ cu functia de transfer T(w) care are rolul de a limita spectrul de frecvente al mesajului la o frecventa mai mica decat cea a purtatorului precum si de formare in vederea reducerii interferentei simbolurilor.

Fig.8. Schema bloc generala a unui sistem MA

Modulatorul realizeaza o inmultire a componentelor spectrale a semnalului format de FTJ cu un purtator sinusoidal, fiind un modulator de produs. FTB cu functia de transfer H(w) limiteaza spectrul de frecventa al semnalului modulat, eliminand fie partial, fie complet, una din benzile laterale.

Canalul de comunicatie intervine prin caracteristica sa de transfer C(w). La receptie un filtru cu functia de transfer R(w) elimina componentele zgomotului aflate in afara benzii semnalului util. Dupa detector, un FTJ cu functia L(w) elimina componentele rezultate in procesul de detectie, situate in jurul armonicii a doua a purtatorului.

Deoarece MA translateaza spectrul de frecventa din BB in BLS si BLI iar detectia coerenta translateaza fiecare BL in pozitia din BB, criteriile Nyquist pentru eliminarea interferentei simbolurilor pot fi aplicate fiecarei BL.

Deoarece componentele ce rezulta dupa detectie de la cele doua BL se aduna, se pot efectua modificari complementare arbitrare in caracteristica de transmisie trece banda. Caracteristica de transfer a sistemului echivalent in BB este H_e(w) definita de relatia:

H_e (w) = ,

D₁(w) si D₂ (w) fiind transformatele Fourier ale semnalelor in BB de la emisie, inainte de formare si de la receptie dupa FTJ.

Reprezentarea grafica a modulatiei ASK este realizata in fig. 10

Fig. 10 Reprezentarea grafica a semnalelor MA

Semnalul MA poate fi obtinut prin inmultirea mesajului g(t) cu purtatorul sinusoidal si trecand rezultatul printr-un filtru cu functia de pondere h(t).

FTB poate fi folosit si pentru formarea semnalului insa se va considera ca semnalul modulator (in BB) este format, rolul filtrului fiind acela de a obtine timpul de modulatie dorit (BLD, BLU, BLR).

Fig.11 Schema bloc a unui modulator

Expresia semnalului generat este:

s(t) = cosw_pt + sinw_pt.

Daca functia pondere h(t) a FTB o socotim echivalenta cu functiile pondere h₁(t) si h₂(t) ale unui FTJ iar g(t) h₂ (t) pot fi interpretate drept componenta in faza a semnalului modulat respectiv componenta in cuadratura, se poate sugera schema de generare a semnalului modulat in care sunt folosite doua filtre trece jos si doua modulatoare de produs.

Fig.12 Schema bloc reprezentand un alt mod de generare a semnalului MA.

A Modulatia cu doua benzi laterale (BLD)

Pentru acest tip de modulatie filtrul h(t) poate fi un FTB avand ca functie pondere functia d(t).

Semnalul modulat are expresia:

s(t) = = g (t) cosw_pt.

Daca semnalul modulator g(t) are o componenta de curent continuu:

g₀ = in spectrul semnalului modulat s(t) va aparea o limita spectrala de frecventa purtatorului. Daca g₀=0, in semnalul modulat purtatorul este suprimat.

Pentru transmiterea mesajului continut in semnalul modulat este suficient sa se transmita o singura BL, deci sistemul BLD este un sistem redundant, ce ocupa o banda de frecventa mult mai mare decat cea necesara.

B. Modulatie BLU

Un semnal MA cu BLU ocupa o banda de frecventa egala cu a semnalului modulator.

Schema de generare a semnalelor BLU.

Expresiile analitice ale celor doua benzi laterale sunt:

si

Cele doua expresii corespunzatoare benzii laterale inferioare si benzii laterale superioare conduc la schema din figura

Fig. 13. Schema de generare a semnalelor BLU

C. Modulatia de amplitudine in cuadratura.

Schema bloc este reprezentata in figura 14

Fig. 14. Schema bloc a modulatorului MA in cuadratura

Semnalul MAQ poate fi exprimat:

q(t) = x₁(t) cosw_pt + x₂(t)sinw_pt, unde x₁(t) si x₂(t) sunt semnalele in BB emise de doua surse de date independente si care moduleaza fiecare cate un purtator, cei doi purtatori avand aceeasi frecventa dar defazati intre ei cu 90⁰.

D. Demodularea semnalelor M.A. ( fig. 15)

Fig. 1 Demodularea semnalelor modulate in amplitudine

Exista doua metode: detectia coerenta si detectia necoerenta.

Detectia coerenta presupune existenta unui purtator local sincron si sinfazic cu purtatorul receptionat.

Detectia necoerenta (de infasuratoare) este aplicata numai semnalelor BLD cu purtator, adica acelor semnale modulate a caror infasuratoare reprezinta semnalul modulator si detectia coerenta.

Daca purtatorul local are o eroare q fata de purtatorul receptionat se va obtine:

s_d (t) = x(t) cos q + y(t) sin q

Pe langa componenta ce contine mesajul si care depinde de eroarea q, apare o componenta care poate fi interpretata ca distorsiune introdusa prin detectie si care se manifesta ca interferenta a simbolurilor. Eroarea q trebuie minimizata.

3. Modemurile MA (ASK)

Modemul genereaza un semnal analogic care este modulat in frecventa, faza si/sau amplitudine pentru a reprezenta datele binare (0 si 1). Un modem realizeaza la receptie conversia semnalului analogic in semnalul digital.

MODEM opereaza in mod duplex, cu comunicatie simultana in ambele sensuri (emisie si receptie), sau in mod semi-duplex daca comunicatia in cele doua sensuri de emisie si receptie este separata in timp.

Transmisia datelor poate fi realizata asincron sau sincron. Transmisia asincrona de date seriale este cunoscuta si sub numele de transmisie de date start-stop.

Se foloseste pentru viteze de transmitere sub 200 b/s. Controlul transmisiei corecte a datelor se poate realiza prin bitul de paritate.

Transmisia sincrona de date seriale nu are biti de start si de stop, ceea ce permite viteza de transmitere a datelor. Din punct de vedere al sincronizarii se disting transmisiuni sincrone cu sincronizare pe bit, cadru si multicadru.

Recomandarile ITU-T in vigoare prevad aplicarea modulatiei de amplitudine in CD pe circuite utilizand latimea de banda a unui grup primar (60-108Khz) din sistemele telefonice de curenti purtatori, vitezele de transmitere recomandate sunt de 48, 56, 64 si 72 Kb/s (aviz V.36) sau 96, 112, 128, 144, 169 Kb/s (aviz V.37).

Se utilizeaza MA-BLU, frecventa pilotului fiind de 100 KHz. Pentru reconstituirea purtatorului la receptie se recomanda transmiterea unui pilot de frecventa egala cu cea a purtatorului.

MA - BLU permite o utilizare mai eficienta a benzii de frecvente cu MA - BLR. Obtinerea semnalului MA-BLU in C.D. este dificila din cauza ca semnalul modulator are componente importante de frecvente foarte joase si eliminarea completa a unei BL este insotita de distorsiunea celeilalte benzi in apropierea frecventei purtatorului.

Formarea semnalului modulator corespunzator unei caracteristici spectrale cu raspuns paralel de tip trece banda, asa cum recomanda avizele V.36 si V.37, simplifica problema eliminarii unei benzi laterale, insa duce la scaderea protectiei fata de zgomot.

4. Comunicatii de date cu modulatie de frecventa (FSK).

Introducere

Modulatia de frecventa are aplicatie in sistemele CD in care problema folosirii eficiente a benzii de frecvente nu este obligatorie. Procesarea de semnal necesita o banda de frecvente mai mare decat modulatia de faza sau modulatia de amplitudine, dar echipamentul utilizat este mai simplu deoarece in receptor se poate folosi detectia necoerenta.

Modulatia de frecventa este recomandata in CD cu viteze mici pana la 1200b/s, pe canalele telefonice vocale. Deoarece puterea semnalului modulat este constanta, MF este recomandata in sistemele in care puterea de varf a semnalului modulat trebuie sa fie limitata si independenta de semnalul modulator.

Semnalul MF de date poate fi exprimat analitic:

S(t)=Acosj(t) unde A este amplitudinea constanta iar j(t) reprezinta faza instantanee care contine mesajul. In cazul cand semnalul modulator este format din impulsuri, frecventa unghiulara instantanee (viteza de variatie a fazei ) a semnalului MF are valoarea (w ) sau (w ) in functie de starea semnificativa a semnalului modulator. Trecerea de la o valoare a frecventei la alta se face brusc, in momentele de tranzitie ale semnalului modulator. Acest tip de modulatie se numeste modulatie prin deplasare sau deviatie de frecventa (MDF).

Se disting doua tipuri de modulatie prin deplasare de frecventa, dupa cum se mentine sau nu continuitatea fazei semnalului modulat in momentele de tranzitie de la o frecventa la alta: MF cu faza continua si MF cu faza discontinua.

Reprezentarea grafica a modulatiei FSK este realizata in fig. 16

Fig.16. Reprezentarea grafica a modulatiei de frecventa

Modemuri MF.

Modulatia de frecventa este recomandabila in cazurile in care nu este necesara o utilizare eficienta a benzii de frecvente disponibile. In C.D. in banda telefonica vocala, se recomanda a se folosi MF pentru viteze de pana la 1200b/s. Avizul CCITT V 21 contine recomandarile privind modemul pentru CD sincrone sau asincrone pe sisteme de comunicatii cu comutatie, cu viteza pana la 300 de bauzi.

Pentru un circuit fizic pe doua fire sau pe un canal telefonic duplex (pe 4F) modemul permite transmisiuni duplex, separarea sensurilor de transmisie facandu-se in domeniul frecventa.

Se foloseste MF binara, frecventa medie pentru un sens fiind 1080 Hz (canalul 1) iar pentru celalalt sens 1750 Hz (canal 2). Deviatia de frecventa este de 100 Hz pentru ambele canale.

Avizul V 23 se refera la modemul de 600/1200 b/s pentru transmisiuni sincrone sau asincrone pe ST cu comutatie. Modemul permite transmisiunii semi-duplex pe 2F sau duplex pe 4F si are doua moduri de lucru.

Modul 1 permite transmisiuni cu viteza pana la 600 bauzi, frecventele caracteristice fiind 1300 Hz si 1700 Hz. In modul 2 rapiditatea de modulatie (viteza telegrafica, signaling speed) este pana la 1200 bauzi iar frecventele caracteristice sunt 1300 si 2100 Hz.

Alegerea modului de lucru se face in functie de calitatea circuitului pe care s-a stabilit legatura. Pentru protectia impotriva erorilor este inclus si un canal invers, cu rapiditatea de modulatie de pana la 75 bauzi si frecvente caracteristice 390 Hz si 450 Hz

Modem de 300 b/s V21

Recomandarea V21 CCITT da urmatoarele caracteristici de MODEM:

-viteze de transmisie sincrone 300 b/s;

-formatul datelor sincron;

-modulatie FSK - Frequency Shift Keying;

bit 0 bit 1

Canalul sursa receptor 1180 Hz 980 Hz

Canalul receptor sursa 1850 Hz 1650 Hz.

Mod de operare: duplex pe 2 fire (separarea sensurilor de comunicatie se face in frecventa).

Fig. 17 Caracteristici principale ale modemurilor standardizate

Modulatia de faza (PSK)

C.D. cu viteza medie (1200 - 48000b/s) folosesc semnale cu modulatie de faza multinivel, deoarece acest tip de modulatie realizeaza un raport optim intre protectia de zgomot, banda de frecventa ocupata si complexitatea echipamentului.

Semnalul de date primit sub forma binara serie este grupat in biti simpli, dibiti sau tribiti (in general multibiti, formati din M biti) care se asociaza cu faza purtatorului dupa un anumit principiu. In acest fel rapiditatea (viteza) de modulatie scade de M ori fata de debitul informational, rezultand o micsorare proportionala a benzii de frecvente ocupate.

Pentru debitul (viteza) de 1200 b/s rapiditatea de modulatie folosita este de 1200 Bd (t_s = 1200 Hz). Pentru viteza de 2400 b/s, fluxul de date se grupeaza in dibiti ceea ce pastreaza rapiditatea de modulatie la valoarea de 1200 Bd.

Pentru viteza de 4800 b/s datele se grupeaza in tribiti rezultand viteza de 1600 Bd. Numarul N de nivele ale parametrului modulat (faza) este egal cu numarul de multibiti distincti N=2^M, astfel incat rezulta o modulatie binara pentru viteza de 1200 b/s, cuaternara (tetravalenta) pentru 2400 b/s si octala pentru 4800 b/s.

La iesirea din modulatorul de faza parametrul modulat este o marime discreta multinivel care se mentine constanta pe fiecare interval elementar (T =).

Pentru a defini viteza de trimitere a datelor trebuie sa specificam caracterul sincron respectiv asincron de transmitere.

Trebuie sa facem deosebire intre debitul binar al unei cai (canal) de date, viteza de modulatie si viteza de transmitere numita in cazul transmisiei sincrone si debit de informatie.

Debitul binar D al unei cai de date se defineste ca fiind numarul maxim de simboluri binare ce se transmit intr-o secunda.

D = (biti). Acesti biti pot fi biti informationali, biti de sincronizare si biti de control.

La transmisiile asincrone pentru a defini debitul binar se foloseste notiunea de rapiditate de modulatie (viteza de modulatie sau signaling speed).

Daca se extinde notiunea de viteza de modulatie asupra semnalului emis in linie se utilizeaza notiunea de debit de informatie. Pentru teleimprimatoare, unde pentru transmiterea semnalelor se folosesc 2 stari (doua nivele de transmisiune) debitul de informatie este egal cu viteza de modulatie.

V_m = ; D _m = V_{m =} V_m log₂q unde:

T_ds este durata in secunde iar q reprezinta numarul par de simboluri.

Daca pentru transmiterea datelor se folosesc 4 nivele de tensiune (4 stari semnificative), viteza de modulatie = 50 Bd, D = log₂ q = . log₂ 4 = 100 b/s.

Modulatorul digital genereaza un semnal cu spectrul foarte larg deoarece atat purtatorul cat si mesajul au forma rectangulara. Demodulatorul digital trebuie sa primeasca semnal binar ceea ce conduce la limitarea semnalului receptionat, rezultand avantajul unei demodulari independente de schimbarile nivelului de receptie.

Prin filtrare forma semnalului purtator devine sinusoidala iar faza instantanee devine o marime variabila continua in timp.

Reprezentarea grafica a modulatiei PSK este realizata in fig. 18

Fig.18 Reprezentarea grafica a modulatiei de faza

In figura 19 sunt prezentate constelatiile de faza recomandate de CCITT pentru modulatiile cu 2, 4, 8, nivele de faza. Constelatiile de semnal arata corespondenta ce trebuie creata intre datele de la intrare si salturile de faza ale semnalului emis.

a b c

Fig.19 Constelatii de semnale utilizate pentru modulatia de faza

a) MF binara; B2: 90⁰ -270⁰; A2: 0⁰-180⁰

b) MF cuaternara; B4: 45⁰+k90⁰; A4: k90⁰

c) MF octala; A8: k.45⁰

Punctele din plan reprezentand varfurile fazorilor asociati semnalelor cu diferite faze, aflate pe un cerc, formeaza o configuratie specifica fiecarui tip de modulatie si a fost denumita constelatie de semnal.

Pentru acelasi numar de nivele (puncte de constelatie) exista doua conventii (solutii) de alocare a fazelor notate A si B. Pentru modulatia binara, conventia A2 inseamna utilizarea valorilor 0⁰ si 180⁰ iar conventia B2 inseamna utilizarea valorilor 90⁰ si 270⁰.

Pentru constelatiile de 4 puncte corespunzatoare modulatiei cuaternare, in conventiile B4 si A4, sunt reprezentati dibitii asociati.

Tabelul 1.

In conventia B4 se folosesc valorile (p/4 + kp/2), k=0,1,2,3 iar in conventia A4 valorile utilizate sunt kp

Conventia A8 este folosita pentru viteza de 4800 b/s. Tribitul de date (trei biti consecutivi) este codificat prin schimbarea fazei in raport cu faza elementului de semnal precedent.

Clasificarea tribitilor Tabelul 2.

Diagrama vectoriala a semnalelor la 9600 b/s

Fig. 20 Diagrama vectoriala a semnalelor la 9600 bs.

Expresia analitica a semnalului MF

. Expresia unui semnal modulat in faza cu N nivele este:

s(t) = A unde: u_T este un impuls dreptunghiular de curent continuu cu durata T si amplitudinea unitara, w_p p f_r este frecventa unghiulara a purtatoarei iar

F_n=, unde k=0, 1, .N-1,(la care se adauga valoarea in conventiile de tip B) este faza semnalului pe intervalul elementar cu numar de ordine n.

In conformitate cu avizul V21 transmiterea se realizeaza cu ajutorul a doua canale: canalul inferior cu frecventa nominala de 1080 Hz si canalul superior cu frecventa de 1750 Hz. Prin conventie, modemul chemator emite pe canalul inferior (frecventa de 1180 Hz corespunzatoare lui zero logic-O_L si frecventa 980 Hz corespunzatoare valorii unu logic-1_L) iar cel chemat pe canalul superior (frecventa de 1850 si 1650 Hz corespunde semnalelor binare 0 si 1).

Se admite o toleranta de 6 Hz fata de valorile nominale ale celor 4 frecvente.

Modemul semnalului de linie la receptie va fi de-48dB_n pe canalul inferior si-43dB_n pe canalul superior.

Avizul V 26 defineste modemul ce utilizeaza MF a debitelor (datele fiind constituite prin perechi de biti consecutivi numiti dibiti), fiecare dibit fiind codificat prin schimbarea fazei in raport cu faza elementului de semnal precedent.

Modemul definit prin aviz se utilizeaza pe linii specializate cu 2 fire sau in reteaua telefonica comutata. In cazul cand mediul de transmitere nu permite debitul de transmitere de 2400 b/s, avizul V 26 bis recomanda utilizarea debitului de 1200 b/s.

In cazul debitului de 1200 b/s starea binara 0 corespunde unui salt al fazei frecventei de 90^o iar starea binara 1 unui salt al fazei de + 270^o.

Avizul V 27 defineste un modem ce foloseste modulatia in faza a unor grupe de trei biti consecutivi (tribiti); fiecare tribit este codificat prin schimbarea fazei in raport cu faza elementului de semnal precedent.

Frecventa purtatoare este de 1800 Hz iar debitul binar de 4800 b/s ii corespunde o viteza de modulatie de 1600 B_d.

Avizul V 27 prevede utilizarea unui egalizator automat ce are rolul de a obtine transmiterea semnalelor de frecvente diferite cu aceeasi atenuare si acelasi raport semnal-zgomot, in vederea maririi vitezei de transmitere a datelor.

Viteza modemului se face full duplex sau semi-duplex pe circuite specializate pe 2 fire. Se permite functionarea cu un debit binar de 2400 b/s cu modulatia de faza diferentiala cu 4 faze.

Avizul V 27 test defineste un modem identic cu V 27 bis, avand in plus posibilitatea de protectie impotriva ecoului. Avizul V 29 defineste un modem ce utilizeaza MA (2 nivele pentru o faza) a unui semnal cu 8 faze in vederea obtinerii semnalului ce se va transmite pe linie.

Fiecare element de semnal corespunde unui grup de 4 biti consecutivi. Primul bit din fiecare grup serveste pentru a determina amplitudinea elementului de semnal ce urmeaza a fi transmis; ceilalti 3 biti ai grupului folosesc la codificarea unui salt de faza in raport cu elementul semnalului precedent.

Avizul V 29 prevede si inchiderea unui multiplexor ce combina vitezele de transmitere de 1700 Hz. In cazul modemului definit prin avizul V 36 semnalul transmis corespunde unei modulatii cu BLU cu o purtatoare de frecventa egala cu 100 KHz.

El asigura o transmitere numerica sincrona pe un canal de grup primar (60 - 100 KHz) si cu un debit de 48, 56, 64, 72 Kb/s.

ASK - este utilizata destul de variat, deoarece asemanator MA, are un raport semnal-zgomot redus datorita actiunii perturbatiilor si fadingului.

FSK - este utilizat in domeniul frecventei retelei joase, deoarece nu este un sistem FSK - real ci o combinatie intre semnalele MA - MF, deci nu are un raport semnal-zgomot bun.

PSK - si variantele sale sunt cel mai mult utilizate, datorita imunitatii crescute la zgomote/perturbatii si a benzii relativ inguste ocupate.

QPSK sau QASK sunt utilizate in transmiterea semnalelor PCM in comunicatii satelit sau la mare distanta.