Navodila za izdelavo diplomske naloge · razdalje. Modulacija je torej postopek, pri katerem se...

I

Primož Petrovič

UČNI MODUL ZA KVADRATURNO-AMPLITUDNO MODULACIJO

Diplomsko delo

Maribor, september 2012

II

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa


Študent: Primoţ Petrovič

Študijski program: UN ŠP Telekomunikacije

Smer: Telekomunikacije

Mentor: izr. prof. dr. Iztok Kramberger

Somentor: asist. dr. Marko Kos

Lektorica: Nina Modrijan

Maribor, september 2012

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Iztoku

Krambergerju za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem

somentorju dr. Marku Kosu. Zahvala gre tudi

mojemu dekletu, Svetlani, ki me je podpirala pri

delu.

Posebna zahvala velja staršem in Republiki

Sloveniji, ki so mi omogočili študij.

V


Ključne besede: modulacijski sistem, demodulacijski sistem, QAM, frekvenca, faza,

amplituda, prenos signalov

UDK: 621.376.2(043.2)

Povzetek

V diplomski nalogi se bomo ukvarjali z modulacijo signalov v telekomunikacijskih

sistemih. Poznamo več vrst modulacij, ki se uporabljajo za določeno namene: fazna,

amplitudna, frekvenčna modulacija in kombinacija teh parametrov. Modulacije

uporabljamo za prilagoditev koristnega signala različnim prenosnim signalom. Poleg tega

modulacije omogočajo zmanjševanje šuma in interference, izbiro prenosnih kanalov na

istem prenosnem mediju, multipleksiranje in povečanje zmogljivosti naprav. Digitalne

modulacije se od zveznih razlikujejo le v tem, da so modulacijska stanja diskretna.

Modulacijska stanja se medsebojno razlikujejo v amplitudi, frekvenci, fazi, času ali

kombinaciji teh parametrov.

Opisali bomo kvadraturno-amplitudno modulacijo (QAM), ki je bila razvita zaradi skupne

uporabe ASK in PSK v enem moduliranem signalu. Z uporabo obeh je možna bolj

učinkovita komunikacija. To pomeni, da je možno prenašati več bitov na simbol po

prenosnih signalih. Ker je QAM-modulacija zelo kompleksna za implementacijo v vezju, jo

bomo implementirali kot QPSK-modulacijo, kar je enako kot 4-QAM.

VI

LEARNING MODULE FOR QUADRATURE AMPLITUDE

MODULATION

Key words: modulatory system, demodulatory system, QAM, frequency, phase,

amplitude, signal transmission

UDK: 621.376.2(043.2)

Abstract

We will study signal modulation in telecommunication systems in this diploma. There are

several types of modulations, which are used for specific purposes, like phase, amplitude,

and frequency modulations. We use modulations for adaptation of different signals to

different transmissible signals. Moreover, modulations enable noise reduction and

interferences, selection of transmission channel on the same data carrier, multiplexing and

capacity increase of devices. Digital modulations differ from continuous modulations only

in discreeter modulation states. Modulation states differ from each other in amplitude,

frequency, phase, time or in combination of these parameters.

We are going to describe quadrature amplitude modulation (QAM), which was developed

because of common usage of ASK and PSK in one modular signal. Communication is more

effective with the usage of both. That means that is possible to convey more bits per symbol

on transmissible signals. Because the QAM modulation is very complex for implementation

in circuit, we are going to implement the circuit as QPSK modulation, which is the same as

4-QAM.

VII

VSEBINA

1 UVOD ........................................................................................................................... 1

2 PREGLED AKTUALNIH REŠITEV ........................................................................ 2

2.1 ANALIZA KVADRATURNO-AMPLITUDNE MODULACIJE ............................................ 3

2.1.1 Digitalni QAM...................................................................................................5

2.1.2 Pravokotni QAM................................................................................................7

2.1.3 Nepravokotne QAM ...........................................................................................8

2.1.4 Bitna stopnja napak (ang. BER) za QAM..........................................................9

2.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI KVADRATNO-AMPLITUDNE MODULACIJE ....................... 10

2.2.1 Motnje in šum...................................................................................................11

2.3 OPIS POSAMEZNIH GRADNIKOV KVADRATNO-AMPLITUDNE MODULACIJE ............. 11

2.3.1 Modulator.........................................................................................................12

2.3.2 Demodulator.....................................................................................................12

3 PREDSTAVITEV QPSK-SISTEMA ....................................................................... 13

3.1 OPIS IN PREDSTAVITEV QPSK-MODULIRANJA ...................................................... 13

3.2 MODULACIJA ........................................................................................................ 13

3.3 QPSK-DEMODULATOR ......................................................................................... 14

3.4 SHEMA QPSK-SISTEMA ........................................................................................ 15

3.5 OPIS NALOG POSAMEZNIH GRADNIKOV ................................................................. 16

3.5.1 Modulacija........................................................................................................16

3.5.2 Demodulacija...................................................................................................18

4 MERITVE IN REZULTATI .................................................................................... 20

4.1 PREDSTAVITEV MERITEV IN MERILNE OPREME ...................................................... 20

4.2 PRIMERJAVA PREDVIDENIH REZULTATOV Z DEJANSKIMI ...................................... 27

5 SKLEP ........................................................................................................................ 28

6 LITERATURA .......................................................................................................... 29

7 PRILOGE...................................................................................................................31

7.1 Notranja shema čipa CD4053B.……………………………………………………31

7.2 Seznam slik………………………………………………………………………….31

VIII

7.3 Naslov študenta……………………………………......…………...……………….32

7.4 Kratek življenjepis………………………………………………….……………….33

IX

UPORABLJENE KRATICE

QAM (Quadrature amplitude modulation) – kvadraturno-amplitudna modulacija

PSK (Phase-shift keying) – fazno-skočna modulacija

ASK (Amplitude-shift keying) – amplitudno-skočna modulacija

FSK (Frequency-shift keying) – frekvenčno-skočna modulacija

BER (Bit Error Rate) – bitna stopnja napake

PAL (Phase alternating line) – fazno-izmenični vod

PAM (Pulse-amplitude modulation) – impulzno-amplitudna modulacija

QPSK (Quadrature phase-shift keying) – kvadraturna fazno-skočna modulacija

BPSK (Binary phase-shift keying) – binarna fazno-skočna modulacija

AM (Amplitude modulation) – amplitudna modulacija

PM (Phase modulation) – fazna modulacija

FM (Frequency modulation) – frekvenčna modulacija

ITU (International Telecommunication Unions) – mednarodna telekomunikacijska zveza

NTSC (National Television System Committee) – nacionalni odbor televizijskih sistemov

CQAM (Compatible Quadrature Amplitude Modulation) – zdruţljiva kvadraturno-

amplitudna modulacija

VDSL2 (Very high speed digital subscriber line 2) – zelo visoka hitrost digitalnega

naročnika 2

RF (Radio frequency) – radiofrekvenca

Diplomsko delo Stran 1

1 UVOD

Ţe od nastanka prvega sporočila se je pojavila potreba po njegovem prenosu. Sprva so se

posluţevali kurirjev in konjenikov. Moramo vedeti, da je v preteklih časih prenos sporočil

potekal najprej na vojaškem nivoju. Zgodovina modulacij se začne s patentiranjem radia,

ki ga je konec 19. stoletja izumil Nikola Tesla. Njegova dokumentacija in naprave so bile

uničene v poţaru leta 1895. Leta 1943, po njegovi smrti, je Vrhovno patentno sodišče ZDA

popravilo krivico in priznalo, da je Nikola Tesla prvi izumitelj radia. Po razvoju več

radijskih hiš se je pojavil problem prenašanja več kanalov hkrati. Tako so nastale prve

modulacije, ki so se razvijale do današnjih dni. Prve radijske modulacije so bile analogne,

šele nato so se razvile digitalne.

Modulacije tako v grobem delimo glede na to, kakšen nosilni signal uporabljajo, in sicer

sinusnega ali impulznega. Analogna modulacija na izvoru zaseda omejen frekvenčni pas,

ki se imenuje tudi osnovni frekvenčni pas (ang. BASEBAND). Akustične signale lahko

omejimo na slišno območje med 20 Hz in 20 kHz, govorni signal pa ostane razumljiv, če

frekvenčni spekter omejimo na območje od 300 Hz do 3400 Hz. Če ţelimo, da se signal

prenese v svojem osnovnem pasu, moramo za to na razpolago imeti prenosni medij, ki to

omogoča. Bakrene ţične povezave so kvalitetni prenosni medij za povezavo na kratke

razdalje. Modulacija je torej postopek, pri katerem se osnovni signal pomakne na višjo

frekvenčno lego, takšen signal pa lahko nato prenašamo tudi brezţično. Lahko bi rekli tudi

drugače – modulacija je funkcija, pri kateri informacijski signal spreminja lastnosti

nosilnega signala. Demodulacija je obraten postopek modulacije. Iz nosilnega signala

pridobimo informacijski signal, kateri vsebuje informacijo, ki smo jo prenesli. Ker se

bomo v diplomski nalogi osredotočili na digitalne modulacije, bomo analogne samo

omenili, da bomo modulacijo laţje razumeli.


2 PREGLED AKTUALNIH REŠITEV

V tem poglavju se bomo osredotočili na digitalne modulacije in demodulacije. Podrobno

bomo opisali kvadraturno-amplitudno modulacijo, moramo pa omeniti, da so digitalni

modulacijski postopki podobni analognim. Digitalne modulacije imajo pred analognimi

bistveno prednost, saj je signal moţno večkrat ojačati ali rekonstruirati in ga tako prenesti z

manj motnjami iz okolice.

Analogna modulacija uporablja analogne modulacijske signale in valovne nosilce.

Naštejmo jih nekaj in opišimo za laţje razumevanje:

Amplitudna modulacija (AM) je način prenašanja informacij na daljavo; pri

tem se spreminja moč oddanega signala. Uporablja se za komunikacijo z

radijskim valovanjem, pri čemer oddajnik vedno oddaja valovanje z določeno

frekvenco, ki ji pravimo nosilna frekvenca. Odvisna je od moduliranega

signala, tako da ji signal spreminja amplitudo glede na moduliran signal. Na

nasprotni strani potrebujemo demodulator, ki spremeni nosilni signal v takega,

kot smo ga oddali. Poseben način amplitudne modulacije je vklapljanje in

izklapljanje nosilne frekvence. Ta prenos je nemoduliran prenos informacije.

Oddajnik deluje na podlagi bitnih vrednosti, tako da bit z logično 1 vklopi, z 0

pa izklopi nosilno frekvenco. Tako deluje tudi telegraf, ki je najstarejša oblika

komunikacije z električnimi signali, v novejšem času pa ga uporablja standard

BLUETOOTH za povezavo računalnika z miško, tipkovnico ali drugimi orodji.

Frekvenčna modulacija (FM) je postopek spreminjanja frekvence nosilnega

signala v ritmu moduliranega signala oziroma informacije. FM za razliko od

amplitudne modulacije omogoča večjo dinamičnost moduliranega signala in s

tem manjšo dovzetnost za motnje.


Fazna modulacija (PM) se največkrat koristi v modemski tehniki, pri tem sta

amplituda in frekvenca konstantni. Na začetku vsakega bitnega intervala se

menja faza. Tako kot je prikazano na sliki 1.1, je bit 1 predstavljen s faznim

zamikom do 180°, medtem ko bit 0 prestavlja signal brez faznega pomika.

Slika 2.1: Diferencialna PSK-modulacija [7]

Iz AM- in PM-modulacij se je naknadno razvila tudi kvadraturno-amplitudna modulacija,

ki ji v tem diplomskem delu posvetimo glavno vlogo.

2.1 Analiza kvadraturno-amplitudne modulacije

V tem poglavju se bomo osredotočili na kvadraturno-amplitudno modulacijo in

demodulacijo.

Najbolj preprost modulacijski postopek je ASK (Amplitude-Shift Keying). ASK-signal

preprosto dobimo z mnoţenjem večnivojskega signala s harmoničnim nosilcem. Najbolj

preprost je binarni ASK.

Za vedno večje prenosne hitrosti se QAM pojavi iz dveh prejšnjih modulacijskih tehnik.

To sta amplitudna in fazna modulacija. S tem dobimo večfazno in večnivojsko

modulacijsko tehniko z veliko moţnostmi stanj – tako faze kot amplitude. Najpreprostejša


je 4-QAM, kjer prenašamo štiri bite. Torej se vsak simbol ponaša s svojo amplitudo in fazo

nosilca, medtem ko frekvenca ostane ista.

Kvadraturno-amplitudna modulacija je tako analogna kot digitalna. Sistem, ki prenaša

informacijski signal, lahko prenaša dve analogni sporočili ali dva digitalna bitna toka, in

sicer s krmiljenjem amplitude dveh nosilnih valov z modulacijo ASK za digitalne sisteme

in AM za analogne sisteme. Oba signala, ki sta ponavadi sinusna, sta v fazi med seboj

pomaknjena za 90° in se zato imenujeta kvadraturni sistem oziroma kvadraturni

komponenti, zato tudi shemi oziroma modulaciji rečemo kvadraturna. Modulacijski signali

se seštevajo, rezultat je kombinacija fazne PSK in amplitudne ASK (slika 2.2) ali v

primeru analogne modulacije fazna (PM) in amplitudna modulacija (AM). V digitalnem

primeru se uporablja končno število najmanj dveh faz in vsaj dveh amplitud. PSK-

modulatorji so pogosto oblikovani po QAM-načelu, vendar ji zaradi konstantne amplitude

nosilca ne štejemo pod QAM. QAM se v veliki meri uporablja kot modulacija za digitalne

telekomunikacijske sisteme. Samovoljno je moţno doseči visoke spektralne učinkovitosti,

ki določajo ustrezno velikost ozvezdja. Omejujeta ga šum in linearnost komunikacijskega

kanala. QAM-modulacije se uporabljajo v optičnih sistemih vlaken kot bit povečanja

stopnje QAM16 ali QAM64. Analogni QAM se uporablja v NTSC in PAL televizijskih

sistemih, kjer Q- in I-signali izvajajo komponente »chroma« (barva) informacij. Zdruţljivo

QAM ali CQAM se uporablja pri stereo radio AM, kjer nosi stereo razliko informacije [2].

v (t)= V sin (2τ⋅ ft +θ)

ASK FSK PSK

QAM

Slika 2.2: Kombinacija fazne PSK in amplitudne ASK [7]


2.1.1 Digitalni QAM.

Kot vsi sistemi modulacije QAM prenaša podatke s spremembo nekaterih vidikov

nosilnega signala v odvisnosti od podatkovnega toka. Kot pri mnogih digitalnih

modulacijskih shemah je koristna predstavitev v konstelacijskem diagramu. V QAM so

ozvezdne točke ponavadi urejene v kvadratni mreţi z enako vertikalno in horizontalno

razdaljo, čeprav so omogočene tudi druge konfiguracije, kot je Cross-QAM. Ker se v

digitalnih telekomunikacijah podatki prenašajo binarno, je število točk v mreţi običajno

2^n. Najpogostejše oblike so 16-, 64-, 256-, 1024-QAM. S premikom konstelacij na višji

red je mogoče predstaviti več bitov na simbol. Če je povprečna energija ozvezdja ostala

enaka, morajo biti točke med seboj dosti bliţje skupaj in so zato bolj občutljive na šum in

ostale dejavnike. To pomeni višjo bitno stopnjo napak, tako da višji QAM zagotavlja več

podatkov, vendar manjšo zanesljivost v primerjavi z niţjim QAM, ki zagotavlja manj

podatkov z večjo zanesljivostjo. Če so podatki in razdalje med njimi velike, razen tistih, ki

jih ponuja 8-PSK, je bolj običajno, da se premaknemo na QAM, saj s tem doseţemo večjo

razdaljo med sosednjima točkama na IQ-ravnini z razporeditvijo točk enakomerno. Teţava

je, da točke niso več enakih amplitud in zato mora demodulator pravilno zaznati tako fazo

kot tudi amplitudo in ne samo fazo [2].

a b c

Slika 2.2: Konstelacijski grafi: a) 4-QAM, b) 16-QAM in c) 64-QAM [7]

64-QAM in 256-QAM se pogosto uporabljata v digitalnih kabelskih TV-sprejemnikih in

aplikacijah kabelskega modema. Komunikacijski sistemi, zasnovani za doseganje zelo


visoke stopnje spektralne učinkovitosti, navadno uporabljajo zelo gosta ozvezdja QAM. Na

primer sedanje 500 Mbit Ethernet naprave uporabljajo 1024-QAM in 4096-QAM

modulacije. Tako tudi naprave, ki uporabljajo standard za povezovanje ITU-T G.hn nad

obstoječo napeljavo doma: koaksialni kabel, telefonske linije in energijski vodi omogočajo

4096-QAM, ki omogoča 12 bitov na simbol. Drugi primer je VDSL2-tehnologija bakrenih

polsukanih parov, katerih konstelacijska hitrost je 32.768 točk.

Pri kvadraturno-amplitudni modulaciji je signal vsota dveh amplitudno moduliranih PAM-

signalov. Ločitev obeh komponent v sprejemniku omogočajo ortogonalni nosilci. Digitalna

signala na vhod dobimo zaradi časovne razdelitve informacijskega signala. Pri tem je fs

minimalna širina spektra QAM signala. Slika 2.3 nam to grafično pribliţa.

Slika 2.3: Prikaz nastanka 4-QAM signala ter njegov konstelacijski graf [6]

M-nivojsko je izraz, ki izhaja iz besede binarno. M preprosto pomeni število, ki ustreza

številu pogojev, ravni ali moţnim kombinacijam za dano število binarnih spremenljivk. Na

primer: digitalni signal s štirimi moţnimi pogoji – napetostna raven, frekvenca, faza itn. je

M-nivojsko ali sistem, v katerih je M = 4. Če obstaja 8 moţnih pogojev, je M = 8 itd.

M-QAM ima veliko spektralno učinkovitost – na kanalu s pasovno širino B lahko

prenašamo v odvisnosti od šuma največ B*log (N) bitov na sekundo. Prav tako je QAM

občutljiva na nelinearna popačenja. QAM omogoča bolj učinkovito komunikacijo po


prenosnih signalih. To pomeni, da je moţno prenašati večje število bitov na simbol.

Osnovna enačba za QAM-signal je:

xi(t)=Ai(t)⋅cos[ωc⋅t+Φi(t)] (2.1)

xi (t)=Ii(t) ⋅cos⋅ (ωc t) +Qi(t) ⋅sin(ωc⋅ t) (2.2)

oziroma

xi (t)=Ii1⋅ φ1 + Qi2 ⋅ φ 2 (2.3)

Funkciji φ1 in φ2 sta t. i. bazni funkciji, ki razpenjata dvodimezionalni signalni prostor. V

digitalnih komunikacijah je ta signalni prostor ali polarni diagram (slika 2.4) predstavljen v

kvadratni obliki, amplituda in faza visokofrekvenčnega nosilca pa z "I" in "Q"

koordinatami. Ker signal tvorita dva fazno pravokotna nosilca, kjer je vsak izmed njih

moduliran z naborom diskretnih amplitud (Q) in (I), jih imenujemo kvadraturni modulirani

signali, s kratico QAM [1].

Slika 2.4: Kroţni diagram, predstavljen v I/Q-projekciji [6]

2.1.2 Pravokotni QAM.

Pravokotna konstelacija QAM (slika 2.5) je na splošno optimalna, ni pa maksimalni

prostor točk ozvezdja za določeno energijo. Pravokotni QAM ima veliko prednost, da se z


lahkoto prenaša kot dva impulza amplitudne modulacije PAM-signalov na kvadraturnem

nosilcu, ki ju je mogoče zlahka demodulirati.

Slika 2.5: Konstelacijski diagram pravokotnih 16-QAM [6]

2.1.3 Nepravokotne QAM. Lahko bi rekli, da je QAM poseben, ko gre za konstelacijo.

Modulacija je narejena na določen način, ki ga imenujemo unikatna konstelacija – tudi

konstelacije se namreč lahko razlikujejo. Predstavimo samo dva 8-QAM in 16-QAM. Za 8-

QAM (Slika 2.6) je značilna optimalna modulacija, kar se tiče srednje moči glede na

minimalno ekvidistančno razdaljo. 16-QAM-konstelacija na ta način izpade nepopolna, pa

čeprav je narejena po istih pravilih kot 8-QAM.


Slika 2.6: Konstelacijski diagram za nepravokotno 8-QAM [2]

Kroţna konstelacija poudarja razmere med QAM in PSK. Posledično je tudi teţje določiti

stopnjo napake za QAM, ki niso pravokotne, saj so odvisne od konstelacije. Moramo pa

poudariti, da se nepravokotne konstelacije redko pojavljajo, saj se pravokotne modulacije

laţje spreminjajo in demodulirajo.

2.1.4 Bitna stopnja napak (ang. BER) za QAM. Za digitalne prenose, ki jih

obravnavamo, je bitna stopnja napak razmerje med prenesenimi biti s tistimi, ki so se med

prenosom spremenili. Bit se na svoji poti lahko spremeni zaradi motenj, šuma, popačenja

ali zaradi sinhronizacije. BER je enota, ki se izraţa z odstotki. Verjetnost bitne napake pa

je pričakovana vrednost skupnih napak. Ta ocena je točna za dovolj dolg časovni interval

in visoko število bitnih napak.

QAM je pomembna modulacijska tehnika, saj omogoča višje hitrosti prenosa podatkov in

spektralno učinkovitost. Bitne stopnje napak za dane QAM (slika 2.7) se lahko izračunajo s

pomočjo simulacije Monte Carlo, vendar pa se z večanjem konstelacije QAM ta postopek

zelo zaplete. Druga moţnost je kodiranje Graya, ki zagotavlja, da je rezultat napak na

simbol en bit.


Slika 2.7: Stopnja bitne napake za nekaj QAM-tehnik [6]

2.2 Prednosti in slabosti kvadratno-amplitudne modulacije

Čeprav na prvi pogled kvadraturno-amplitudna modulacija poveča učinkovitost prenosa

radijskih komunikacijskih sistemov z uporabo tako amplitudne kot fazne variacije, ima

številne pomanjkljivosti. Prva je ta, da je bolj dovzetna za šum, ker so stanja bliţje skupaj

– zaradi tega se niţa stopnja šuma, potrebna za preusmeritev signala v drugo stanje.

Sprejemniki za fazno ali frekvenčno modulacijo uporabljajo omejitveni ojačevalnik, ki je

sposoben odstraniti vse amplitude šuma, s čimer izboljša šumno odvisnost. To ne velja za

QAM. Druga omejitev je povezana z amplitudno komponento signala. Ko je faza ali

frekvenca moduliranega signala dopolnjena, ni treba uporabljati linearnega ojačevalnika,

medtem ko mora z uporabo QAM, ki vsebuje sestavino, amplituda ohranjati linearnost. Ţal

linearni ojačevalniki porabijo več energije in so manj učinkoviti, zaradi česar so manj

privlačni za mobilne aplikacije.


Ker so prednosti in slabosti uporabe QAM specifične, jih je treba pred uporabo primerjati z

drugimi modulacijami, tudi QAM, in s tem določiti optimalnejši način. Nekateri radijsko-

komunikacijski sistemi dinamično spreminjajo modulacijske sheme, odvisne od pogojev –

nivo signala, šum, hitrost itd.

2.2.1 Motnje in šum. S teţnjo po višjem redu konstelacije QAM, torej po višji hitrosti

podatkov in načinu prenosa, se v sovraţnem okolju aplikacij RF oziroma mikrovalovni

QAM, kot so radio, TV in telekomunikacije, višjestezni obseg, običajno poveča. Zato se

pojavi širjenje lis v konstelaciji, ki zmanjšuje razdaljo med sosednjimi stanji, kar

sprejemniku oteţuje dekodiranje ustreznega signala. Z drugimi besedami – zmanjša se

šumna imuniteta. Obstaja več meritev parametrov, ki nam pomagajo določiti optimalen

način QAM za določeno delovno področje. Naslednji trije so najpomembnejši:

- nosilec/razmere motenj,

- prenosnik/šum,

- prag/šum.

2.3 Opis posameznih gradnikov kvadratno-amplitudne modulacije

Kot vsak sistem je tudi QAM sestavljen iz več podsistemov, ki pripeljejo do končne

rešitve. V tem razdelku bomo predstavili posamezne podsisteme 4-QAM in jih usmerili v

celoto. Ne bomo jih podrobno analizirali, saj so podobni sistemu QPSK, ki ga bomo

podrobno predstavili v tretjem razdelku.


2.3.1 Modulator. Pri 4-QAM modulacijski tehniki pripeljemo dva signala, katera

vsebujeta informacijo, na dva uravnoteţena modulatorja. S pomočjo nosilnega signala in

dveh različnih faz kanala zmoduliramo istočasno. Nato se oba modulirana signala seštejeta

in tako dobimo informaciji v nosilnem signalu (slika 2.8). Signal je tako pripravljen za

prenos.

Opis vezja:

Slika 2.8: Osnovna shema QAM-modulatorja

2.3.2 Demodulator. Pri 4-QAM-demodulaciji pripeljemo moduliran signal na dva

uravnoteţena demodulatorja, kjer s pomočjo nosilnega signala rekonstruiramo I- in Q-

podatke. Podatki niso obdelani, zato jih z nizkoprepustnim sitom dodatno obdelamo. Z

analogno digitalno pretvorbo podatkom priredimo osnovno obliko. Sedaj imamo ločeno

obdelane I- in Q-podatke, katere s pomočjo vzporedno-zaporedne pretvorbe pretvorimo v

en sam podatkovni tok podatkov, ki so sedaj identični poslanim podatkom.

Shema vezja:

Slika 2.9: Osnovna shema QAM-demodulatorja [3]


3 PREDSTAVITEV QPSK-SISTEMA

3.1 Opis in predstavitev QPSK-moduliranja

Od vseh MPSK-modulacij je najbolj uporabna 4-PSK-modulacija, ki jo imenujemo tudi

kvadraturna PSK oziroma QPSK. Ta posebna MPSK-modulacija je najbolj zanimiva po

tem, da poveča število simbolov na bit, pri tem pa se BER glede na BPSK ne spremeni. To

lastnost QPSK izkorišča za ortogonalnost nosilcev sinusa in kosinusa, ki lahko neodvisno

in sočasno prenašata dve BSK-modulaciji. QPSK-modulacija torej loči štiri različne faze, s

katerimi lahko prenašamo po dva bita sočasno.

Tako kot BPSK-modulacija ima tudi QPSK-modulacija ravno ovojnico in nezvezne fazne

skoke ob vsaki spremembi simbola. Ker omogoča maksimalne fazne skoke za 180°, so

moţni vsi prehodi med simboli. Pri QPSK-modulaciji lahko za enak bitni pretok

prepolovimo simbolno hitrost. Drugače povedano: potrebujemo enkrat manjšo pasovno

širino kot pri BPSK-modulaciji. Posledično zaradi tega tvegamo kompleksnejšo

demodulacijsko vezje [3].

3.2 Modulacija

QPSK (ang. Quadrature Phase-Shift Keying) je višji red modulacijske sheme, ki uporablja

digitalno modulacijo. Pri fazno-preklopni modulaciji se za ponazoritev binarne 1 ali 0

spreminja faza. Če začnemo s fazo 0° za ponazoritev binarne 0, potem lahko fazo

spremenimo na 180° za pošiljanje binarne 1 (slika 3.1). Digitalni niz mora biti v NRZ-

obliki, kar pomeni, da logično enico prenašamo s pozitivnim impulzom, logično ničlo pa z

negativnim impulzom. Vhodni niz najprej razdelimo na dva vzporedna tokova, enega za I-

kanal in enega za Q-kanal, zatem ju mnoţimo s sinusom oziroma s kosinusnim signalom

nosilne frekvence in ju seštejemo.


Slika 3.1: Prikaz binarnih podatkov s fazno modulacijo [3]

3.3 QPSK-demodulator

Na prvi pogled se zdi, da QPSK ponuja prednost pred ASK, FSK in PSK, vendar

demodulacija teh signalov zahteva različne stopnje zahtevnosti in s tem tudi stroškov. V

našem primeru je za usklajeno odkrivanje podatkov QPSK-signala le-tega potrebno

pomnoţiti z dvema nosilcema. Z multipleksiranjem kosinusnega nosilca z moduliranim

QPSK-signalom dobimo neobdelane I-podatke, obratno s tako pomnoţenim sinusnim

nosilnim signalom dobimo neobdelane Q-podatke. Te pripeljemo na nizkoprepustni filter

in primerjalnik, kjer jih dodatno predelamo in dobimo pravilne oblike podatkov. Sedaj

vzporedne I- in Q-podatke preko pretvornika pretvorimo v zaporedne in s tem dejansko

pridemo do poslanih podatkov [4].


3.4 Shema QPSK-sistema

Slika 3.2: Blokovna shema QPSK-modulatorja [5]

Slika 3.3: Blokovna shema QPSK-demodulatorja [5]


3.5 Opis nalog posameznih gradnikov

V tem razdelku bomo predstavili specifično vezje QPSK, ker se da do istega rezultata priti

po različnih poteh. Zato bomo predstavili posamezne gradnike in njihove funkcije, ki smo

jih analizirali. Zavedati se moramo, da gre za specifično vezje, ki je bilo namenjeno za

predstavitev QPSK-modulacije, zato se tudi razlikuje od osnovne blokovne vezave.

3.5.1 Modulacija

Funkcijski generator

Za namene modulacije moramo ustvariti nosilec visokih frekvenc. Lahko uporabimo

različne vrste oscilatorjev, kot so Colpittsov ali Hartleyjev. Za laboratorijske namene lahko

uporabljamo tudi prenosne funkcijske generatorje, s katerimi vezju določimo urni impulz

kot kvadratni val na določeni frekvenci. Za nosilne frekvence uporabimo frekvenčni

generator visokih frekvenc.

Frekvenčni delilnik

Frekvenčni delilnik, imenovan tudi delilnik ure, je vezje, kjer se vhodi signal, ki ima

določeno frekvenco, preslika v izhodni signal, ki ima drugačno frekvenco.

fout = fin/n, (3.1)

kjer je:

fout – izhodna frekvenca v Hz,

fin – vhodna frekvenca v Hz,

n – celo število.

Fazno zaklenjen sintetizator frekvenčne zanke uporablja frekvenčni delilnik za ustvarjanje

frekvenc, ki so večkratnik referenčne frekvence. Frekvenčni delilniki se uporabljajo tako

za analogne kot digitalne aplikacije. Uporabljamo ga zato, ker moramo zagotoviti, da bo

podatkovna frekvenca manjša od nosilne frekvence.


PN sekvenčni generator

Naključni bitni generator ustvarja bitno zaporedje – naključno število sekvenc, ki se

uporabljajo kot vhodni podatkovni tok modulatorja. PN sekvenčni generator je matrika D

pomnilniških celic, različne kombinacije XOR-vrat pa uporabimo, da dobimo različne

sekvence bitov.

Bitni razdelilnik

Bitni razdelilnik sestavljajo po 4 D pomnilne celice in 1 JK pomnilna celica. Prvi dve

pomnilni celici sestavljata pomikalni register, ki je enake stopnje hitrosti prenosa kot

podatki, medtem ko JK pomnilna celica in XOR-vrata obsegata pretvornik. Za pretvorbo

zaporednih podatkov v vzporedne uporabimo drugi dve D pomnilni celici. Sedaj so prvotni

podatki I in Q poslani z dvojno hitrostjo, ker izkoriščajo vzporedno oddajanje. Za izvedbo

vezja uporabimo 2 čipa 74175 in enega 74393.

Enopolarna bipolarna pretvorba

Cilj tega vezja je pretvoriti unipolarne I- in Q-signale v bipolarne in nato takšne poslati na

pin 1 od čipa MC1496. V tem primeru je to vezje signal, ki ima na vhodu dve stanji, na

izhodu pa tri stanja.

Uravnotežen modulator

Glavni del tega vezja sestavlja čip MC1496, pri tem sta nosilni signal in podatkovni signal

na enakovrednem vhodu. Nosilni signal je na pinu 10, medtem ko je podatkovni signal na

pinu 1. S prilagoditvijo amplitude digitalnega signala lahko preprečimo, da bi bil

moduliran signal popačen. Na koncu gre moduliran signal na nizko prepustno sito, ki

odstrani visoke frekvence signala za doseganje optimalnega signala PSK. Uravnoteţen

modulator lahko uporabi katero koli nelinearno napravo, ki ima odziv [3].


3.5.2 Demodulacija

Multiplekser

V samem sistemu je zelo pomemben multiplekser, ki je pogoj za odkrivanje surovih

podatkov iz QPSK-signala. Za to uporabljamo vezje s čipom LM1496, ki nam pomnoţi

QPSK-signal s sinusnim in kosinusnim nosilcem.

Nizkoprepustno sito

Nizkoprepustno sito je še en bistveni gradnik demodulatorja, ki opravi pomembno vlogo

pri usklajenem odkrivanju I- in Q-podatkov. Nizkoprepustno sito je uglašeno RC-vezje, ki

omogoča prepuščanje določenih frekvenc. Pri tem spremenljivi upor sluţi za nastavitev

frekvence, ki jo ţelimo. Po prehodu skozi diode neobdelani podatki prehajajo v vezje filtra.

Po prehodu skozi nizkopasovni filter signal doseţe določeno napetostno raven glede na

fazo.

Primerjalnik

Vezje s čipom UA741 se uporablja za primerjavo podatkov in referenčno napetost, ki jo

nastavimo s pomočjo spremenljivega upora na negativnem pinu UA741. Signal nato

peljemo na Šmitovo vezje, ki nam sluţi, da podatke vrne brez naklona v predhodnem

obdobju.

Vzporedno-zaporedni pretvornik

Da bi dobili dejanske podatke, moramo vzporedne podatke pretvoriti v zaporedne. To nam

uspe s pomikalnim registrom 74165, ki ga uporabimo kot vzporedno-zaporedni pretvornik.

Tukaj se tudi rekonstruira ura QPSK-signala. Frekvenčni delilnik je potreben, da deli z 2,

zato smo uporabili števec 74390.

Zaradi visokih frekvenc v vezju in slabih pogojev zgoraj opisanega vezja nismo uspeli

realizirati tako, kot smo si zastavili. Zato smo sestavili QPSK-modulator na način, kot je


predstavljen v shemi (slika 3.4). Vezje je zelo enostavno, vendar se z njim da predstaviti

modulacijo in vse njene lastnosti [4].

Slika 3.4: Blokovna shema QPSK-modulatorja


4 MERITVE IN REZULTATI

4.1 Predstavitev meritev in merilne opreme

Izmerili smo QPSK-modulator, ki smo ga sestavili na naslednji način. S PN-sekvenco

generiramo naključne podatke (Slika 4.1), nato jih z bitnim delilnikom pretvorimo v I- in

Q-podatke (Slika 4.2).

Slika 4.1: Naključni podatki iz PN-sekvence


Slika 4.2: Podatki I in Q

Ta dva signala pripeljemo na multiplekser CD4053 kot signala za izbiranje. Na prvi

multiplekser pripeljemo prvotni nosilec 1 kHz (Slika 4.3) in nosilec, premaknjen za 180°

(Slika 4.4).

Slika 4.3: Nosilec osnovne frekvence


Slika 4.4: Nosilec in fazno premaknjen nosilec za 180°

To so I-BPSK-podatki, ki se producirajo na I-osi konstelacijskega diagrama (Slika 4.5).

Slika 4.5: I-podatki in I-BPSK


Na drug multiplekser pripeljemo nosilec z obrnjeno fazo za 90° oziroma za 270° (Slika

4.6).

Slika 4.6: Nosilec, fazno premaknjen za 90° in 270°

Ta multiplekser na izhodu producira Q-BPSK-signal (Slika 4.7).

Slika 4.7: Q-podatki in Q-BPSK-signal


Zdaj imamo I-BPSK- in Q-BPSK-signala na izhodu obeh multiplekserjev (Slika 4.8).

Slika 4.8: I-BPSK- in Q-BPSK-signala


Ker potrebujemo QPSK-signal, moramo dva BPSK-signala sešteti s seštevalnikom. Po

uspešno opravljenem seštevanju napetosti dobimo QPSK-signal, ki je primeren za prenos

(Slika 4.9).

Slika 4.9: Osnovni podatki in QPSK-signal


Na koncu smo na osciloskopu preklopili še na x-y način, kar nam je omogočilo izris

konstelacijskega diagrama (slika 4.10). Konstelacijski diagram sestavljajo uspešno

preneseni biti. Iz slike je dobro razviden šum, to so tisti biti, ki niso na konstelaciji

kroţnice. Ta meritev je izredno pomembna, saj je iz nje razvidno, kako se sistem obnaša.

Slika 4.10: Konstelacijski diagram QPSK

Vezje smo izdelali na eksperimentalni plošči, za napajanje smo uporabili usmernik

HAMEG HM-7042-3. Za generator osnovne frekvence in urinega signala smo uporabili

dva funkcijska generatorja HAMEG HM 8030. Za meritve smo uporabili osciloskop

RIGOL DS1102E, s katerim smo zajeli tudi slike, prikazane v razdelku 4. Pri meritvah

smo uporabili merilne sonde RIGOL RP2200, ki omogočajo, da se signal zajame brez

motenj iz okolice.


4.2 Primerjava predvidenih rezultatov z dejanskimi

Zaradi zmanjšanja nosilne frekvence so rezultati eksperimenta primerljivi s predvidenimi.

Pri višjih frekvencah se pojavlja teţava z maso in posameznimi čipi, ki imajo pri visokih

frekvencah drugačno karakteristiko.


5 SKLEP

Namen diplomske naloge je bil izdelati QPSK-modulator, ki bi nam sluţil kot učni

modul za kvadraturno-amplitudno modulacijo. V ta namen smo podrobno preučili

QAM-modulacijo, se seznanili s prednostmi in slabostmi takšne modulacije ter preučili

njeno uporabo in delovanje. Ugotovili smo, da gre pri QPSK za 4-QAM in da sta

sistema po modulacijski tehniki zelo podobna.

Predstavili smo QPSK-modulacijo, jo analizirali in podrobno opisali njene gradnike.

Sestavili smo vezje za QPSK-modulator, ki v prvi načrtovani različici zaradi previsoke

frekvence nosilca in nekvalitetnih eksperimentalnih plošč ni deloval. Problemi so se

pojavili predvsem s šumom znotraj elektronskega vezja, ki je onemogočil pravilno

delovanje.

Zaradi teh problemov smo realizirali preprostejše vezje, ki smo mu prilagodili nosilno

frekvenco na 1 kHz, urin cikel pa na 100 Hz. Tako smo se izognili visokim

frekvencam, hkrati pa zagotovili vsem zahtevam prikaza delovanja modulatorja v učne

namene. Z danim vezjem smo enostavno preučili vse ključne signale v vezju in

predstavili QAM-modulacijo. Iz tega smo ugotovili, da sistem za analizo modulacije

lahko realiziramo zelo preprosto.

Na koncu smo vezje analizirali tako, da smo izmerili ključne signale ter jih predstavili

in pokomentirali v razdelku meritev.


6 LITERATURA

[1] I. Majcen, A. Glaţar, G. Hudohmet, Implementacija digitalnih modulacij (FSK,

PSK in QAM) na DSP TMS320C6713, končno poročilo, FERI, Maribor, 2005.

URL: http://lpa.feri.uni-mb.si/Seminar_II/koncna_porocila/2005_3.pdf.

[2] QAM, Wikipedija [splet].

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/QAM.

[3] S. Akter, N. Sharmin, I. Islam, Design and development of a QPSK modulator,

BRAC University, Dhaka, Bangladesh, 2010.

[4] M. H. Khan, M. Hasen, F. Akhter, Design and implementation of a QPSK

demodulator, BRAC University, Dhaka, Bangladesh, 2010.

[5] R. Lorencon, Elektronski elementi in vezja, Studio Maya, 2006.

URL: http://www.scribd.com/doc/56660189/132/Se%C5%A1tevalnik-in-

od%C5%A1tevalnik.

[6] Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, interna gradiva.

URL: http://www.lkn.fe.uni-lj.si/gradiva/gtk/GRADIVO/GTK_2_3.pdf.

[7] N. Dončov, Kabelski in optični komunikacijski sistemi, Niš, 2010, str. 62–68.

URL: http://www.scribd.com/doc/48270852/36/Fazna-modulacija.

[8] G. Kalivas, Digital radio system design, Wiley, 2009.

http://lpa.feri.uni-mb.si/Seminar_II/koncna_porocila/2005_3.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/QAM

http://www.scribd.com/doc/56660189/132/Se%C5%A1tevalnik-in-

http://www.lkn.fe.uni-lj.si/gradiva/gtk/GRADIVO/GTK_2_3.pdf

http://www.scribd.com/doc/48270852/36/Fazna-modulacija


7 PRILOGE

7.1 Notranja shema čipa CD4053B

Slika 7.1: Notranja struktura čipa CD4053B


7.2 Seznam slik

Slika 2: Diferencialna PSK-modulacija.................................................................................4

Slika 2.1: Kombinacija fazne PSK in amplitudne ASK.........................................................5

Slika 2.2: Konstelacijski grafi a) 4 QAM b) 16-QAM c) 64-QAM ......................................6

Slika 2.3: Prikazuje, kako nastane 4-QAM signal in konstelacijski graf, ki pri tem

nastane....................................................................................................................................7

Slika 2.4: Kroţni diagram, predstavljen v I/Q-projekciji.......................................................8

Slika 2.5: Konstelacijski diagram pravokotnih 16-QAM.......................................................9

Slika 2.6: Konstelacijski diagram za nepravokotno 8-QAM...............................................10

Slika 2.7: Stopnja bitne napake za nekaj QAM-tehnik........................................................11

Slika 2.8: Osnovna shema QAM-modulatorja.....................................................................13

Slika 2.9: Osnovna shema QAM-demodulatorja.................................................................14

Slika 3.1: Prikaz binarnih podatkov s fazno modulacijo......................................................16

Slika 3.2: Blokovna shema QPSK-modulatorja...................................................................17

Slika 3.3: Blokovna shema QPSK-demodulatorja...............................................................17

Slika 3.4: Blokovna shema QPSK-modulatorja...................................................................21

Slika 4.1: Naključni podatki iz PN-sekvence......................................................................22

Slika 4.2: Podatki I in Q.......................................................................................................23

Slika 4.3: Nosilec osnovne frekvence..................................................................................23

Slika 4.4: Nosilec in fazno premaknjen nosilec za 180°......................................................24

Slika 4.5: I-podatki in I-BPSK.............................................................................................24

Slika 4.6: Nosilec, fazno premaknjen za 90° in 270°...........................................................25

Slika 4.7: Q-podatki in Q-BPSK-signal...............................................................................25

Slika 4.8: I-BPSK- in Q-BPSK-signala................................................................................26

Slika 4.9: Osnovni podatki in QPSK-signal.........................................................................27


Slika 4.10: Konstelacijski diagram QPSK...........................................................................28

Slika 7.1: Notranja struktura čipa CD4053B.……………………………………………..31

7.3 Naslov študenta

Ime in priimek: Primoţ Petrovič

Naslov: Stojnci 1

2281 Markovci

Telefonska št.: 031 555 757

E-mail: [email protected]

7.4 Kratek življenjepis

Datum rojstva: 26. 5. 1987

Kraj rojstva: Ptuj

Osnovna šola: Osnovna šola bratov Štrafela

Markovci

Srednja šola: Srednja poklicna in tehniška šola

Ptuj

Program: Elektrotehnika

Smer: Elektronika

Fakulteta: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

Maribor

Program: 1. bolonjska stopnja, UN Telekomunikacije

mailto:[email protected]

Navodila za izdelavo diplomske naloge · razdalje. Modulacija je torej postopek, pri katerem se...

Documents

Transcript of Navodila za izdelavo diplomske naloge · razdalje. Modulacija je torej postopek, pri katerem se...