GENERALITATI PRIVIND SISTEMELE DE COMUNICATII DIGITALE

GENERALITATI PRIVIND SISTEMELE DE COMUNICATII DIGITALE

Intr-un sistem de transmisii de date semnalele purtatoare de informatie (datele), emise de un emitator, ajung la receptor, propagandu-se prin canalul de transmisie.

Pentru a se realiza o transmisie de date eficienta referitoare la latimea de banda implicata, puterea emisa sau complexitatea implementarii sistemului, este necesar ca semnalul de date sa fie prelucrat anterior transmisiei prin canal. Altfel spus se doreste o adaptare a semnalului la mediul de transmisie (canal), iar tehnica prin care se obtine aceasta adaptare se numeste modulatie.

Pentru proiectarea unui sistem de comunicatii cu transmisie pe fibra optica, cablu sau prin satelit, se dispune in prezent de o mare varietate de tehnici digitale de modulatie (Tabel 1.1). Alegerea unei tehnici modem trebuie sa asigure performante superioare si cost minim de transmisie.

TABEL

1.1 Principalele tehnici de modulatie clasice si actuale

O alta clasificare a modulatiilor digitale se poate face:

1. Pe criteriul marimilor caracteristice purtatoarei care sunt afectate in procesul de modulatie:

a) Amplitudine: ASK 121c27b , MSK 121c27b etc.;

b) Faza: PSK 121c27b , DPSK 121c27b , QPSK 121c27b etc.;

c) Frecventa: FSK 121c27b etc.;

d) Combinatii ale acestora: APK 121c27b , NF-MP-SK 121c27b .

2. In functie de numarul de dimensiuni ale spatiului de semnal in care se lucreaza:

a) Unidimensionale: ASK 121c27b ;

b)Bidimensionale: modulatii pe purtatoare ortogonale QAM;

c) Tridimensionale: modulatii de amplitudine si sau de faza frecvente putatoare multiple.

3. Pe baza numarului starilor semnalului modulat:

a) Binare (s = 2 stari);

b) Ternare (s = 3 stari): modulatii ASK 121c27b , FSK 121c27b , PSK 121c27b , cu precodare sau cu raspuns partial;

c) Cuaternale: QPSK 121c27b , MSK 121c27b , SFSK 121c27b ;

d) Multiple: modulatii cu semnal modulator multinivel (8-ASK 121c27b , 16-PSK 121c27b , 3-FSK 121c27b , 64-QAM).

O alta clasificare a modulatiilor digitale se face in functie de conditiile de transmisie si de valorile coeficientilor de eficienta spectrala, respectiv de putere:

a) modemuri cu eficienta de putere (minimum 90

b) modemuri cu eficienta spectrala (minimum 6 b/s/Hz).

I.1. Modulatia digitala de amplitudine ASK 121c27b

Semnalele ASK 121c27b sunt folosite in telegrafia multiplata de audiofrecventa cu modulatie de amplitudine TA-MA. In acest caz purtatoarea este o unda sinusoidala cu o anumita frecventa (frecventa purtatoare), iar semnalul modulator corespunde unei succesiuni de impulsuri, astfel ca semnalul purtator este transmis pe perioada cat aceste impulsuri sunt pozitive (DATE = 1) si intrerupt in intervalul cand sunt negative sau zero (DATE = 0). (Vezi fig. 1.1)

Exista doua tipuri de semnale ASK 121c27b :

● ASK 121c27b simplu curent (unipolar);

● ASK 121c27b dublu curent (polar).

Semnalul ASK 121c27b unipolar poate fi demodulat folosind un detector de anvelopa, insa semnalul ASK 121c27b polar nu va putea fi modulat decat prin detectie sincrona.

Semnalul ASK 121c27b simplu curent este de tipul MA-BLD (modulatie de amplitudine cu banda laterala dubla) si are in spectrul drept o componenta discreta pe frecventa purtatoarei (datorata existentei componentei de curent continuu in semnalul modulator unipolar). In acest caz sincronizarea de purtatoare la receptie se face cu un filtru banda (FTB) care va extrage purtatoarea din spectrul receptionat. Semnalul ASK 121c27b dublu curent polar este de tipul MA-BLD-PS (modulatie de amplitudine cu banda laterala dubla cu purtatoare suprimata). In spectrul semnalului ASK 121c27b nu apare o componenta discreta pe frecventa purtatoare. Se folosesc metode neliniare pentru crearea purtatoarei in receptor.

I.2. Modulatia digitala de faza PSK 121c27b

Semnalul PSK 121c27b binar BPSK 121c27b (Binary PSK 121c27b ) prezinta analogii pronuntate cu semnalul MA. Si in acest caz purtatoarea este o unda sinusoidala iar semnalul modulator corespunde unei succesiuni de impulsuri tip dublu curent. (Vezi fig. I.1.2)

Semnalul PSK 121c27b cu faza de referinta este obtinut in felul urmator:

pe durata bitului 1 se transmite purtatoarea cu faza 0° (faza de referinta);

pe durata bitului 0 se transmite putatoarea cu faza 180° (inversare de faza fata de referinta).

Fig. I.2.2

Operatiile sunt echivalente cu o multiplicare a semnalului purtator Asint cu (+1) pentru obtinerea semnalului de referinta sau cu (-1) pentru inversarea fazei.(fig. I.2.2.). Modulatorul PSK 121c27b este un multiplicator atacat de o succesiune de impulsuri rectangulare de tip dublu-curent. Spectrul semnalului PSK 121c27b se poate obtine din cel al semnalului ASK 121c27b impartind la 2 amplitudinile tuturor componentelor laterale si eliminand frecventa purtatoare .(Vezi fig. I.2.3).

Figura I.2.3.

I.3.  Modulatia digitala de frecventa FSK 121c27b

Semnalul FSK 121c27b este un semnal cu modulatie de frecventa avand purtatoarea sinusoidala, iar semnalul modulator de forma unei succesiuni de impulsuri rectangulare simplu sau dublu curent. (Vezi fig. I.1.3.1)

Figura I.1.3.1.

Observam in figura I.1.3.1. doua tipuri de semnale FSK 121c27b , astfel :

● semnalul FSK 121c27b cu continuitate de faza (fig. I.1.3.1.b);

semnalul FSK 121c27b cu discontinuitate de faza (fig. I.1.3.1.c).

Practic, semnalul FSK 121c27b cu discontinuitate de faza, se obtine plecand de la doua oscilatoare separate pe frecventele si modulatorul FSK 121c27b reducandu-se la un comutator analogic, care selecteaza una din cele doua frecvente, in concordanta cu valoarea binara asociata semnalului modulator (fig. I.1.3.2.a), iar cel cu continuitate de faza, plecand de la un oscilator, caruia i se variaza frecventa de la la si invers, asa cum arata in figura I.1.3.2.b.

In cazul semnalului FSK 121c27b binar (semnalul modulator este un semnal digital cu doua nivele), se asociaza:

o frecventa bitului 1 ;

o frecventa bitului 0.

Se definesc, in aceste conditii:

frecventa purtatoare sau frecventa medie :

deviatia de frecventa Δf:

ca fiind valoarea cu care trebuie sa varieze  pentru a fi egala cu sau ;

indicele de modulatie m:

unde = 1/T - viteza de transmisie a datelor binare.

Avand in vedere ca frecventa purtatoare este variata cu pentru a se obtine frecventele si :

este convenabil sa exprimam datele in codarea dublu curent.

I.4. Modulatia digitala QAM

Structura semnalului QAM se bazeaza pe existenta a doua semnale MA cu banda laterala dubla si purtatoare suprimata, purtatoarele fiind defazate in cuadratura. Semnalul QAM poate fi obtinut cu schema de principiu din figura I.4.1.

Figura I.4.1.

Tehnica de transmisie a semnalelor modulate pe purtatoare in cuadratura permit folosirea mai eficienta a benzii canalului realizandu-se dublarea vitezei de transmisie. Cele doua semnale purtatoare moduleaza liniar anvelopa unei unde de tip sinus si cosinus.

Notand cele doua semnale de baza cu X(t) si Y(t) semnalul modulat QAM se poate scrie sub forma:

unde:

- este frecventa purtatoare a semnalului.

I.5. Modulatia digitala APK 121c27b

Cresterea debitului de informatie in transmisiile de date, atat pe canal telefonic cat si prin sisteme de radiocomunicatii terestre sau spatiale, impune folosirea unor tehnici de modulatie mai eficiente, care sa asigure transmisia datelor utilizand o banda cat mai ingusta.

Fata de metodele clasice (ASK 121c27b , FSK 121c27b , PSK 121c27b si QAM), metodele de modulatie combinate asigura cresterea debitului de informatie transmis, realizand la aceeasi rata a erorilor o economie de putere in comparatie cu sistemul PSK 121c27b echivalent. Aceste metode sunt cunoscute sub denumirea de APK 121c27b (Amplitude Phase K 121c27b eyed) si permit imbunatatirea performantelor transmisiei prin complicarea echipamentului sau simplificarea acestuia in detrimentul performantelor.

Semnalele APK 121c27b cu M nivele de amplitudine si faza pot fi reprezentate sub forma unui set de M vectori bidimensionali de forma:

unde T este durata unui simbol.

Valoarea medie a raportului semnal zgomot, pentru acest set de semnale este dat de:

iar valoarea sa maxima este de :

unde este variatia zgomotului (puterea sa medie). 

In figura I.5.1.(a,b,c), sunt prezentate cateva semnale cu 4 si 8 nivele de faza si amplitudine.

In principiu se pot distinge mai multe categorii de constelatii de semnal dupa cum urmeaza:

1. Fazorii distribuiti pe cercuri concentrice;

2. Fazorii aranjati intr-o retea de triunghiuri echilaterale;

3. Fazorii asezati pe o retea de patrate;

4. Fazorii aranjati pe o structura de tip fagure (hexagonala).

Cateva constelatii de semnal pentru semnale APK 121c27b cu 16 nivele sunt prezentate in figura I.5.2.

Datorita naturii bidimensionale a semnalelor APK 121c27b , implementarea modem-urilor APK 121c27b este diferita total de cea a modem-urilor PSK 121c27b sau QAM.

Modulatia APK 121c27b octovalenta se foloseste la viteza de 4800bps, permitand chiar functionarea modem-urilor pe retea comutata. Totusi metoda nu este optima din punct de vedere al raportului semnal/zgomot.

O prima varianta este prezentata in figura I.5.3. :

Una din cele 8 stari se caracterizeaza prin absenta semnalului, iar celelalte 7 sunt situate egal distantate pe un cerc. Prin aceasta cele 7 puncte de pe cerc sunt egal protejate fata de zgomot. Cel de-al 8-lea corespunde unei reprezentari pasive (absenta semnalului) si va fi sursa principala de erori.

I.6. Principiile modulatiilor digitale

In cazul unui circuit digital modulator, semnalul purtator este analogic, armonic sau periodic rectangular, iar cel modulator este digital. Pentru cresterea vitezei de transmisie si a eficientei spectrale se pot folosi mai multe semnale purtatoare.

In cazul unei secvente purtatoare unice dublarea vitezei de transmisie poate fi realizata prin modularea ambelor purtatoare armonice care poarta numele de modulatii purtatoare ortogonale.

Schema bloc a unui modulator digital pe purtatoare ortogonale este prezentata in figura I.1.6.1.:

Blocul de intarziere K 121c27b Tb de pe canalul in cuadratura al modulatorului este utilizat pentru uniformizarea anvelopei semnalului transmis. Acest bloc separa momentele de tranzitie de pe cele doua canale ale modulatorului astfel incat la fiecare moment semnificativ de esantionare a datelor doar un singur bit, modulatorul trecand din starea curenta intr-o stare adiacenta.

Blocul de conversie a semnalelor binare sunt circuite de codare binar-zecimala (BCD), in cazul semnalelor de tip QAM si a codoarelor cu raspuns partial pentru modulatoare QPRS.

Filtrele premodulatoare sunt filtre cu raspuns finit in frecventa de tip trece jos, care reduc considerabil latimea spectrului semnalelor modulatoare.

Oscilatorul local genereaza semnale purtatoare pe frecventa intermediara (FI) sau radiofrecventa (FR).

Demodularea semnalelor QAM se realizeaza pe principiul demodulatoarelor de amplitudine sincrone prin remodularea semnalului receptionat cu purtatoarele coerente generate local in receptor si filtrarea semnalelor modulatoare in banda de baza.

Blocurile de decizie necesita circuite comparatoare cu mai multe tensiuni de prag in cazul semnalelor cu eficienta spectrala mare, cu numar mare de nivele in semnalele modulatoare.