04 digital modulation

ชอ .นามสกล .รหสนกศกษา .Sec .

1 December 2009 1/15 Data Communication Laboratory

สาขาวชาวศวกรรมคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง

วชา Data Communication Laboratory

การทดลองท 4 Digital Modulation techniques for data communication

วตถประสงค 1. ศกษารปแบบของการแปลงสญญาณดจตอลเปนสญญาณแอนะลอก 2. เพอเขาใจวธการของมอดเลชนแบบ ASK, FSK, BPSK, และ QAM 3. ศกษาการมอดเลตจากการสรางวงจรภาคสงและภาครบ 4. ศกษาผลกระทบของสญญาณรบกวนตอผลการแปลงสญญาณกลบสาหรบแตละมอดเลชนเทคนค

ทฤษฎ จดประสงคในการมอดเลตสญญาณดจตอลนนกเพอทาใหสามารถสงขอมลดจตอลไปไดระยะทางไกลโดย

ผานชองสญญาณทเหมาะสาหรบการสงสญญาณแอนะลอก เทคนคการมอดเลตสญญาณดจตอลสามารถทาไดหลายเทคนค หลกการมอดเลตสญญาณดจตอล คอ การใชสญญาณพาห (Carrier Signal) ซงเปนสญญาณแอนะลอก นาพาเอาบตขอมลไปยงชองทางการสงสญญาณ เทคนคการนาพาบตขอมลสามารถทาไดดวยการเปลยนคณสมบตของสญญาณพาห ไดแก ขนาด (Amplitude), ความถ (Frequency) และ เฟส (Phase) ตามคาขอมลบตทตองการแปลงสญญาณ สญญาณพาหทนยมใชจะเปนคลนไซน (Sine Wave) ตวอยางเทคนคการมอดเลตสญญาณดจตอล ไดแก ASK (Amplitude-Shift Keying), FSK (Frequency-Shift Keying), PSK (Phase Shift) และ QAM (Quadrature Amplitude Modulation) เปนตน

การมอดเลตแบบดจตอลทางแอมพลจด (ASK : Amplitude-Shift Keying) เปนการเปลยนคาขนาดแรงดนของสญญาณพาหคลนไซน ตามบตขอมล

คาบตขอมลเปน ‘0’ ใหคาขนาดแรงดนของสญญาณพาหเทากบ A1 คาบตขอมลเปน ‘1’ ใหคาขนาดแรงดนของสญญาณพาหเทากบ A2

ตวอยางเชน ให A1 = 0 V และ A2 = 5 V ผลการมอดเลตแบบ ASK เปนดงรปท 4.1

รปท 4.1 แสดงสญญาณขอมลดจตอล และสญญาณการมอดเลตสญญาณดจตอลดวยเทคนค ASK




ในทางปฎบตการปรบเปลยนขนาดแรงดนของสญญาณพาหตามคาบตขอมลทาไดโดยการสงขอมลดจตอล ผานวงจรกรองความถตา (Low Pass Filter: LPF) หลงจากนนนาผลลพธทไดมาปรบขนาด แลวจงนาไปคณกบสญญาณพาห ดงรปท 4.2

รปท 4.2 แสดง Block diagram และ สญญาณทไดจากการมอดเลตสญญาณดจตอลแบบ ASK ในทางปฎบต

สาหรบขนตอนการถอดสญญาณกลบ หรอ ASK Demodulation นน เปนขนตอนยอนกลบของการทา ASK Modulation ดงรปท 4.3

รปท 4.3 แสดง Block diagram สาหรบการทาแปลงสญญาณกลบสาหรบ ASK Demodulation



การมอดเลตแบบดจตอลทางความถ (FSK : Frequency Shift Keying) เปนการเปลยนคาขนาดความถของสญญาณพาหคลนไซน ตามบตขอมล

คาบตขอมลเปน ‘0’ ใหความถของสญญาณพาหเทากบ f1 คาบตขอมลเปน ‘1’ ใหความถของสญญาณพาหเทากบ f2

ตวอยางผลลพธของการมอดเลแบบ FSK ดงแสดงในรปท 4.4

รปท 4.4 แสดงสญญาณขอมลดจตอล และสญญาณการมอดเลตสญญาณดจตอลดวยเทคนค FSK

การมอดเลตแบบดจตอลทางเฟส (PSK : Phase Shift Keying) การมอดเลตแบบ PSK เปนการเปลยนคาเฟส ของสญญาณพาหคลนไซน ตามบตขอมล เทคนคทงายทสด

สาหรบมอดเลตแบบ PSK คอ BPSK (Binary Phase Shift Keying) หรอ PRK (Phase Reversal Keying) หรอ Biphase Modulation เปนการมอดเลตสญญาณดจตอล โดยทเปลยนขอมลดจตอลเปนสญญาณแบบสองขว (Bipolar) แลวทาการมอดเลตกบสญญาณคลนพาห ลกษณะของสญญาณ BPSK เปนดงน

( ) cos 2 ; 0cs t Am t f t t T สมการท 4-1

โดยท A คอคาคงท m t คอสญญาณอนพทมคา +1 และ –1

cf คอความถของสญญาณคลนพาห T คอชวงเวลาของบต

ดวยการมอดเลตแบบ BPSK นนเอาทพททจะเปนไปไดเพยงสองเฟสโดยทมสญญาณคลนพาหเพยงความถเดยว โดยเอาทพทตวแรกจะเปนตวแทนของสญญาณไบนาร “1” และเอาทพทตวทสองจะเปนตวแทนของสญญาณไบนาร “0” ดงรปท 4.5



รปท 4.5 แสดงสญญาณขอมลดจตอลแบบสองขว และสญญาณการมอดเลตสญญาณดจตอลดวยเทคนค BPSK

เมอสญญาณอนพททเปนสญญาณดจตอลมการเปลยนสถานะ ( จาก “0” เปน “1” หรอ จาก “1” เปน “0”) ทาใหเอาทพทเปลยนเฟสไป 180๐ ซงทาใหแทนลกษณะการมอดเลตสญญาณดจตอลดวยเทคนค BPSK ไดดงน

คาบตขอมลเปน ‘0’ ใหมมเลอนของสญญาณพาหเทากบ 0 คาบตขอมลเปน ‘1’ ใหมมเลอนของสญญาณพาหเทากบ

จากทกลาวมาสามารถเขยนสมการของการมอดเลตสญญาณดจตอลดวยเทคนค BPSK อกรปแบบไดดงน

cos 2 ; 1( )

cos 2 ; 0c

c

A f t binarys t

A f t binary

สมการท 4-2

ในรปท 4.6 (a) นนเปนการแสดงสญญาณดจตอลทมสญญาณขอมลเปน 0 1 0 1 0 0 1 เมอทาการมอดเลตแบบ BPSK จะไดสญญาณเอาทพทในดงรปท 4.6(b)

รปท 4.6 แสดงสญญาณขอมลดจตอลแบบสองขว และสญญาณการมอดเลตสญญาณดจตอลดวยเทคนค BPSK

บลอกไดอะแกรมการมอดเลตแบบ BPSK แสดงดงรปท 4.7 (a) บลอกไดอะแกรมของการดมอดเลตแบบ BPSK แสดงดงรปท 4.7 (b)



(a)

(b) รปท 4.7 แสดง Block diagram สาหรบการมอดเลตและดมอดเลตแบบ BPSK

การดมอดเลตสญญาณ BPSK การมอดเลตแบบ BPSK สามารถทาไดโดยการนาสญญาณคลนพาหคณกบสญญาณทรบเขามาได

ซงสามารถเขยนเปนสมการไดดงน

( ) cos 2 cos 2

0.5 cos 4 0.5

c c

c

r t Am t f t f t

Am t f t Am t

สมการท 4-3

เมอผานวงจรฟลเตอรแบบความถตาผานจะไดสญญาณ 0.5Am t ซงเปนสญญาณไบนาร การมอดเลตแบบ QAM เปนการเปลยนคณสมบตของสญญาณพาหคลนไซนตามบตขอมลถง 2 คณลกษณะคอ คาขนาดแรงดน และ

มมเฟส สามารถเลอกเงอนไขการเปลยนคาขนาดแรงดน และมมเฟสตามลกษณะของ QAM เชน 8-QAM สามารถเลอกคาขนาดและมมไดหลายแบบ เชน ม 1 คาขนาดแรงดน และ 8 มมเฟส หรอ ม 2 คาขนาดแรงดน และ 4 มมเฟส ไดเชนกน

ซงคาขนาดและมมเลอนทถกเลอกใชสาหรบ QAM สามารถแสดงไดในกราฟ Constellation diagram โดยรศมของพกดของแตละจดจากจดศนยกลางของ Constellation diagram แสดงถงขนาดของสญญาณพาห และ มมของพกดแตละจดเปนมมเลอนของสญญาณพาหนนเอง ตวอยางของ Constellation diagram ของ 8-QAM และ 16-QAM แสดงในรปท 4.8



สาหรบเทคนคการสรางสญญาณ QAM ทาไดดงแสดงในรปท 4.9 โดยทางภาคสงจะทาการสรางสญญาณ QAM หนงชดทเปนตวแทนขอมล 2 บต จงมสวนของการแปลง serial-to-parallel มาชวย เพอทาใหสามารถสงสญญาณ 2 บต ( X และ Y)ไปบนสญญาณพาหทความถเดยวกน โดยเอาสญญาณบตท 1 (X) คณกบสญญาณพาหทเปนสญญาณ cosine สวนบตท 2 (Y) จะถกคณกบสญญาณพาห cosine ทเลอนไป 90 องศา นนคอ สญญาณพาห sine นนเอง จากนน สญญาณของทงสองบตจะถกรวมเพอสงออกไปพรอมกนเปนสญญาณ QAM

สวนทภาครบจะนาสญญาณ QAM ทไดรบ มาทาการถอดสญญาณบต X และ บต Y ทละบต แลวจงจดเรยงลาดบบตขอมลสงออกไป (Parallel-to-Serial) โดยการถอดบตขอมลบต X สามารถทาไดดวยการนาสญญาณ QAM คณกบสญญาณพาห cosine อยางไรกด เมอสญญาณเดนทางผานชองนาสญญาณ สญญาณอาจมการเลอนตว ทาใหสญญาณ QAM ทไดรบอาจเลอนไปจากทภาคสงสงออกมา ดงนน จงตองมการ Sync สญญาณพาห cosine ของภาครบใหตรงกบภาคสง โดยปรบเลอนใหสญญาณพาหตรงกบสญญาณ QAM ดวย phase shifter จากนน กรองสญญาณดวน LPF เพอกาจดสญญาณรบกวน สดทายจะตองมการตดสนใจวาสญญาณทไดรบ ควรเปนขอมล ‘0’ หรอ ‘1’ ซงทาไดโดยใช Decision Maker สดทายจะไดสญญาณบต X กลบออกมาทภาครบ สวนขนตอนในการถอดขอมลบต Y ทาไดเชนเดยวกน

a) Circular 8-QAM b) Rectangular 8-QAM

c) Rectangular 8-QAM d) Circular 16-QAM

รปท 4.8 แสดง Constellation Diagram ของการมอดเลตแบบ QAM



(a)

(b) รปท 4.9 แสดง Block diagram แสดง (a) เทคนคการมอดเลชน และ (b) ดมอดเลชนสญญาณแบบ 4-QAM



การทดลองท 4.1 ศกษาการทางานเบองตนของการแปลงสญญาณดวยเทคนค ASK Modulation และ Demodulation

การทาการแปลงสญญาณดวยเทคนค ASK modulation สามารถทาไดตาม process ทแสดงในรปท 4.2 โดย 1. ใชโปรแกรม TutorTIMS-Adv-net30 เลอก Module และ ตอ Module ตามรปท 4.10

รปท 4.10 แสดงการเชอมตอ netTIMS Modules สาหรบการแปลงสญญาณเดวยเทคนค ASK

2. เปรยบเทยบระหวาง X ของ Sequence Generator, OUT ของ Tunable LPF, และ kXY ของ Multiplier 2.1 ปรบคาความถตรงปม TUNE ใหมคาเปนความถตามากๆ และ เลอกคา Gain มาหนงคา จากนน

บนทกผลสญญาณทง 3 สญญาณ เทยบกน พรอมทงบนทกคา TUNE และ GAIN

TX: ASK Modulator

RX: ASK Demodulator



รปท 4.11 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator, OUT ของ Tunable LPF และ

kXY ของ Multiplier เมอเลอกคาความถเปนความถตา

2.2 เปลยนคาความถเปนคาความถสงขนจนรปของสญญาณทไดตางจากรปในขอ 2.1 อยางชดเจน จากนน บนทกผลสญญาณทง 3 สญญาณ เทยบกน พรอมทงบนทกคา TUNE และ GAIN

รปท 4.12 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator, OUT ของ Tunable LPF และ

kXY ของ Multiplier เมอเลอกคาความถเปนความถสง

3. บนทกผลเปรยบเทยบสญญาณฝง ASK Demodulator ทจด kXY ของ Multiplier, OUT ของ Tunable LPF, และ OUT1 ของ Decision Maker



รปท 4.13 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ kXY ของ Multiplier, OUT ของ Tunable LPF,

และ OUT1 ของ Decision Maker

3. จงพจารณาเทยบผลลพธจากการแปลงสญญาณกลบในขอ 2 กบสญญาณ X จาก Sequence Generator วาตรงกนกบ OUT1 ของ Decision Maker หรอไม อธบายความเหมอนหรอความตางของสญญาณASK ทได

____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________



การทดลองท 4.2 ศกษาการทางานเบองตนของการแปลงสญญาณดวยเทคนค QAM Modulation และ Demodulation

1. ใหนกศกษาใชโปรแกรม TutorTIMS-Adv-net30 สรางการทดลอง โดยทาการเชอมสายสญญาณตามทแสดงในแบบจาลองรปดานลาง (ใหใชสญญาณ sin( )t 2 kHz MESSAGE เพอใชสรางชดสญญาณขอมล X และ Y ของ Sequence Generator (กาหนดใหใชสเหลอง), สวนความถของสญญาณพาห (Carrier) ใหใชความถ 100 kHz และ B.CLK ของ Decision Maker ใหใช TTL 100 kHz (Decision Maker Module สามารถรองรบสญญาณ 2 ชด ของ X และ Y ได)

รปท 4.14 แสดง Modules ทใชสาหรบแปลงสญญาณดวยเทคนค QAM (MOD และ DEMOD)

TX: QAM Modulator

RX: QAM Demodulator

2 kHz MESSAGE



2. เปรยบเทยบระหวางสญญาณ X ของ Sequence Generator และ สญญาณหลงจากทผาน Multiplier (kXY)

รปท 4.15 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator และ kXY

3. เปรยบเทยบระหวาง X ของ Sequence Generator และ สญญาณ QAM ตรงจด output ของ Adder Module เมอ

ปรบคา G และ g ทตางกน 2 ค บนทกคา

คท 1:

รปท 4.16 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator และ สญญาณ QAM ตรงจด output ของ Adder Module (คา G และ g คท 1)



คท 2 :

รปท 4.17 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator และ สญญาณ QAM ตรงจด output ของ Adder Module (คา G และ g คท 2)

3. เปรยบเทยบระหวาง Output (kXY) ของ Multiplier Module ทตวรบ, output ของ Tunable LPF, และ สญญาณ Output ของ Decision Maker Module ใหนกศกษาลองปรบคาพารามเตอรของ Phase Shifter, Tunable LPF และ Decision Maker Module เพอใหผลลพธการดมอดเลต(Output) จาก Decision Maker Module ตรงกบสญญาณ X ของ Sequence Generator

บนทกคา

Phase Shifter Module:

Tunable LPF Module:

Decision Maker:



รปท 4.18 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator, Output (kXY) ของ Multiplier Module ทตวรบ, และ output ของ Tunable LPF

รปท 4.19 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ X ของ Sequence Generator และ

สญญาณ Output ของ Decision Maker Module



4. ใหตอเพมชดการถอดสญญาณ Y เพม โดยใหใช Decision Maker Module ตวเดยวกบชดถอดสญญาณ X

รปท 4.20 ภาพเปรยบเทยบสญญาณ Y ของ Sequence Generator, Output (kXY) ของ Multiplier Module ทตวรบ, และ output ของ ของ Decision Maker Module สาหรบถอดชดสญญาณ Y

คาถามทายการทดลอง 1. ถาไมทาการตอวงจรภาคกรองความถตาผานทตอจากเอาทพทของภาคดมอดเลตเทคนค จะสามารถดเทค

สญญาณดจตอลไดหรอไม เพราะเหตใด 2. จงคานวณหา bandwidth ของการมอดเลตทกเทคนค ทไดทดลองน 3. ถาความถของสญญาณคลนพาหมความถเปน 20 kHz วงจรภาคดมอดเลตสามารถดเทคสญญาณไดหรอไม

เพราะเหตใด

04 digital modulation

Documents