مقاله تشخیص خودکار نوع مدولاسیون دیجیتال

در این مقاله به بررسی روش های تشخیص و شناسایی خودکار نوع مدولاسیون دیجیتال می‌پردازیم. این روش ها بر اساس ویژگی های طیفی، زمانی یا شکل منظومه سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند.

مقدمه

این فصل به معرفی اجزای تشکیل‌ دهنده یک سیستم مخابراتی دیجیتال و کانال‌های مخابراتی (مشخصات آنها) می‌پردازد و سپس به بررسی سیر تحول و توسعه سیستم‌های مخابراتی دیجیتال از منظر تاریخی می‌پردازد. این فصل نیز به تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم‌های دیجیتال می‌پردازد. در ادامه، به تفصیل به تشریح اجزا تشکیل‌ دهنده یک سیستم مخابراتی و وظایف آنها می‌پردازیم. این توضیحات شامل مفاهیم اساسی مانند مدولاسیون، دی‌مدولاسیون، تفاوت‌های مختلف بین کانال‌های مخابراتی، و نقش اجزای مختلف در انتقال و دریافت اطلاعات در یک سیستم مخابراتی دیجیتال است. این فصل با هدف ارائه یک نگاه جامع به ساختار و عملکرد سیستم‌های مخابراتی دیجیتال به خواننده ارائه می‌شود.

اجزای تشکیل دهنده یک سیستم مخابراتی دیجیتال

شکل 1-1 نمودار عملیات یک سیستم مخابراتی دیجیتال و اجزا پایه‌ای تشکیل‌دهنده آن را به تصویر می‌کشد. در این سیستم، خروجی منبع می‌تواند یک سیگنال آنالوگ، مانند سیگنال صحبت یا تصویر، یا یک سیگنال دیجیتال، مثل خروجی یک ماشین تله‌تایپ باشد، که از نظر زمانی گسسته و دارای تعداد محدودی کاراکتر است. در سیستم مخابراتی دیجیتال، پیام‌های ایجاد شده توسط منبع به دنباله‌ای از رقم‌های دودویی تبدیل می‌شوند. هدف ایده‌آل در اینجا، نمایش خروجی منبع (پیام) با کم‌ترین تعداد رقم دودویی ممکن است، به گونه‌ای که افزونگی کمتری داشته باشد و تا حد ممکن از صفر استفاده شود. این فرآیند تبدیل موثر خروجی یک منبع، سیگنال آنالوگ یا دیجیتال، به یک دنباله از رقم‌های دودویی را کدگذاری یا فشرده‌سازی داده می‌نامند.

خروجی دنباله‌ای از رقم‌های دودویی، که به نام دنباله اطلاعات معروف است، به کدگذار کانال اعمال می‌شود. هدف اصلی از کدگذار کانال، افزودن افزونگی کنترل‌شده به دنباله اطلاعات دودویی است. این افزونگی مقداری است که با دقت مدیریت شده به دنباله اطلاعات اضافه می‌شود تا در طرف گیرنده، در مقابل عواملی مانند نویز و تداخل که سیگنال هنگام انتقال از طریق کانال با آنها روبرو است، موثر باشد. این افزونگی بهبود قابلیت اطمینان اطلاعات دریافتی را به هدف دارد و وفاداری سیگنال دریافتی را بهبود می‌بخشد. به عبارت دیگر، افزونگی اضافه شده به دنباله اطلاعات، گیرنده را در کدگذاری از دنباله اطلاعات مورد نظر یاری می‌کند.

برای مثال، یک روش ابتدایی کدگذاری دنباله اطلاعات دودویی، تکرار ساده هر رقم دودویی به تعدادی برابر یک عدد صحیح مثبت مانند است. روش‌های پیشرفته‌تر و حرفه‌ای‌تر کدگذاری شامل انتخاب هر بیت اطلاعات و نگاشت آن به یک دنباله بیتی به نام کلمه کد است. اندازه افزونگی افزوده شده به دنباله اطلاعات توسط نسبت سنجیده می‌شود، که معکوس آن را نرخ کد نامیده می‌شود.

شکل 1-1- اجزای پایه یک سیستم مخابراتی دیجیتال

خروجی دنباله کدگذار کانال به مدوله‌ساز دیجیتال، که به عنوان واسطی برای کانال مخابراتی عمل می‌کند، به منظور انتقال اطلاعات اعمال می‌شود. زیرا اکثر کانال‌های مخابراتی که در عمل با آنها سر و کار داریم، قابلیت انتقال سیگنال‌های الکتریکی (شکل موج‌ها) را دارند، اولین هدف از مدوله‌ساز دیجیتال نگاشت دنباله اطلاعات دودویی به شکل موج‌ها است. به عبارت دیگر، مدوله‌ساز دیجیتال وظیفه ترجمه‌ی دقیق اطلاعات دیجیتال به زبان سیگنال‌های الکتریکی را برعهده دارد. برای توضیح بیشتر، فرض کنید که دنباله اطلاعات کدگذاری شده به صورت بیت به بیت و با نرخ یکنواخت بیت بر ثانیه ارسال شود.

مدوله‌ساز دیجیتال می‌تواند در ساده‌ترین حالت، هر بیت دنباله خروجی کدگذار را به صورت جداگانه به شکل موج ترجمه کند، که این عمل به نام مدوله‌ساز دودویی معروف است. از سوی دیگر، مدوله‌ساز ممکن است هر بار بیتی از اطلاعات کد شده را با استفاده از یک شکل موج از مجموعه‌ای از شکل موج‌های متفاوت ارسال کند، که این عمل به نام مدوله‌سازی سطحه مشهور است. در این حالت، هر دنباله بیتی ممکن است با یک شکل موج خاص هماهنگ شود. واضح است که این فرآیند باعث مدت زمان یکسانی برای ارسال هر شکل موج متناظر با یک دنباله بیتی می‌شود، که این مدت زمان با نرخ بیت کانال یعنی ثابت استفاده‌شده در سیستم، همخوانی دارد.

کانال مخابراتی به عنوان محیط فیزیکی مورد استفاده برای انتقال سیگنال از فرستنده به گیرنده در یک سیستم مخابراتی عمل می‌کند. این کانال ممکن است در انتقال بی‌سیم از اتمسفر (فضای آزاد) استفاده کند، در حالی که در کانال‌های تلفنی از نوع‌های مختلف محیط‌های فیزیکی نظیر خطوط سیمی، کابل‌های تارنوری، و محیط بی‌سیم (رادیومایکرویو) استفاده می‌شود. بدون توجه به نوع محیط فیزیکی، سیگنال ارسالی در کانال تحت تأثیر تخریبی پدیده‌های مختلفی با ماهیت تصادفی قرار می‌گیرد، که این شامل نویز حرارتی تجمعی از قطعات الکترونیک، نویز ساخته شده توسط انسان نظیر نویز سیستم احتراق اتومبیل، و نویز اتمسفری نظیر تخلیه الکتریکی ناشی از رعد و برق می‌شود.

در طرف گیرنده یک سیستم مخابراتی دیجیتال، واحد مدوله‌ساز دیجیتال شکل موج‌های ارسالی که تحت تأثیر تخریبی کانال هستند را پردازش کرده و از آنها یک دنباله اعداد که بیانگر تخمین سمبل‌های داده‌ی ارسالی است (دودویی یا سطحه) تولید می‌کند. این دنباله اعداد به واحد کدبردار کانال داده می‌شود که او نیز تلاش می‌کند با آگاهی از کد مورد استفاده توسط کدگذار کانال و افزونگی موجود در داده دریافتی، دنباله اطلاعات اصلی را بازسازی کند.

نوع خطا و تواتر وقوع آن در دنباله کدبرداری شده معیاری است برای ارزیابی میانگین احتمال خطا در خروجی کدبردار. در حالت کلی، احتمال خطا تابعی از مشخصات کد، نوع شکل موج‌های مورد استفاده برای ارسال اطلاعات روی کانال، قدرت فرستنده، و ویژگی‌های کانال (یعنی میزان نویز، ماهیت تداخل و غیره) مخابراتی است.

به دلیل خطاهای احتمالی در کدبرداری کانال و امکان ایجاد اعوجاج توسط کدگذار و احتمالاً کدبردار منبع، خروجی کدبردار منبع تقریبی از خروجی اصلی منبع است. اختلاف بین سیگنال اصلی و سیگنال بازسازی شده و یا تابعی از آن، معیاری برای اعوجاج ایجاد شده توسط سیستم مخابراتی دیجیتال است.

آشنایی با سیستم شناسایی خودکار نوع مدولاسیون و برخی از کاربردهای آن

سیستم شناساگر خودکار نوع سیگنال مسئول تعیین نوع مدولاسیون سیگنال دریافتی را، در میان مجموعه‌ای از مدولاسیون‌ها، به صورت اتوماتیک و هوشمند بر عهده دارد. این سیستم به عنوان یک سیستم هوشمند عمل می‌کند، زیرا با توجه به تغییرات شرایط کانال، خود را وفق می‌دهد و قادر به شناسایی نوع مدولاسیون می‌باشد. فرآیند بازشناخت مدولاسیون، مرحله قبل از دمدولاسیون است و در سیستم‌های مخابراتی هوشمند اهمیت زیادی دارد. اگر تشخیص غلط نوع و مرتبه مدولاسیون و بکارگیری سیگنال توسط یک دمدولاتور نامناسب صورت گیرد، ممکن است محتوای اطلاعات سیگنال به طور کامل از دست برود.

شناسایی خودکار مدولاسیون کاربردهای فراوانی در زمینه‌های نظامی و غیرنظامی دارد. در حوزه نظامی، از بازشناخت مدولاسیون در جنگ الکترونیکی، شنود و بررسی رفتار دشمن، ایجاد اغتشاش مناسب در سیگنال‌های دشمن و غیره استفاده می‌شود.

تایید سیگنال، شناسایی تداخل، مدیریت طیف، مدیریت ترافیک شبکه، تخصیص نرخ داده‌های متفاوت و غیره، از کاربردهای غیرنظامی است. در مدیریت طیف، با توجه به شرایط کانال، در فرستنده یکی از انواع مدولاسیون انتخاب و ارسال می‌شود؛ زیرا مدولاسیون‌های مختلف از نظر پهنای باند و مقاومت در برابر نویز با هم متفاوتند. این با استفاده از تکنیک شناسایی نوع مدولاسیون، مدیریت طیف را بهبود می‌بخشد.

بازشناخت نوع مدولاسیون نقش مهمی در رادیونرم‌افزاری ایفا می‌کند. ایده کلی سیستم رادیو نرم‌افزار این است که بجای انجام بخش قابل توجهی از پردازش سیگنال در سخت‌افزار، این کار توسط نرم‌افزار اجرا شود. مزیت این کار در این است که سیستم را قادر می‌سازد تا با بهنگام‌کردن الگوریتم‌های نرم‌افزاری، خود را با تغییرات محیط و نیازهای کاربر تطبیق دهد. به عنوان مثال، فرستنده می‌تواند بر اساس ظرفیت و شرایط کانال، نوع مدولاسیون مناسب را انتخاب کرده و سیگنال را ارسال کند، و گیرنده نیز به طور خودکار نوع مدولاسیون را تشخیص داده و عمل دمدولاسیون را انجام دهد. در نتیجه، سیستم ارتباطی با عملکرد بالا را خواهیم داشت.

سیر تکامل روش‌های شناسایی نوع مدولاسیون

تا اواخر دهه 80 قرن بیستم، فرآیند شناسایی نوع مدولاسیون به صورت کاملاً اپراتوری انجام می‌شد. برای این کار، ابتدا پارامترهایی از سیگنال دریافتی توسط اپراتور محاسبه می‌شد. سپس اپراتور با توجه به این پارامترها در مورد نوع مدولاسیون تصمیم‌گیری می‌کرد. در این روش، مهارت و تخصص اپراتورها بسیار حائز اهمیت بود. شکل 1-2 تجهیزاتی که در شناسایی کاملاً اپراتوری مورد استفاده قرار می‌گیرد را نشان می‌دهد. در این روش، چهار نوع اطلاعات زیر از سیگنال دریافتی توسط اپراتور محاسبه می‌شد:

شکل موج زمانی IF:

برای مطالعه مشخصات زمانی یک سیگنال و معین کردن اینکه انتقالی وجود داشته است یا خیر، از این پارامتر استفاده می‌شد.

طیف سیگنال (لحظه‌ای و متوسط‌ گیری شده):

آنالیز طیف برای مطالعه طیف سیگنال در فرکانس IF مفید بود. در انجام مد جستجو، پهنای باند گیرنده IF باید به اندازه‌ای پهن می‌بود که همه فعالیتها در باند فرکانسی مورد علاقه روی صفحه نمایش آنالیز طیف قابل رویت بود. بعد از آن، فقط یک سیگنال برای تشخیص نوع مدولاسیون و تجزیه و تحلیل بیشتر انتخاب می‌شد.

دامنه لحظه‌ای (خروجی آشکار ساز AM) و فرکانس لحظه‌ای (خروجی آشکارساز FM) سیگنال دریافتی:

از نمایشگرهای دمدولاتورهای AM و FM برای نشان دادن محتوای مدولاسیون فرکانس و دامنه در یک سیگنال استفاده می‌شدند. این نمایشگرها برای آنالیز PSK، FSK و FM به کار می‌رفتند.

صدای سیگنال:

بررسی صدا با گوش دادن به گوشی‌هایی که به دمدولاتورها وصل می‌شدند، انجام می‌شد. این عمل برای آشکارسازی نرخ گردشی سیگنال تحت بررسی، بسیار ضروری بنظر می‌رسید. همچنین صدای خروجی گوشی‌ها، در تنظیم مبنای زمانی اسیلوسکوپ‌ها به اپراتور کمک می‌کرد.

فهرست مطالب:

مقاله تشخیص خودکار نوع مدولاسیون دیجیتال
فصل اول
مقدمه
۱-۱- اجزای تشکیل دهنده یک سیستم مخابراتی دیجیتال
۱-۲- آشنایی با سیستم شناسایی خودکار نوع مدولاسیون و برخی از کاربردهای آن
۱-۳- سیر تکامل روش‌های شناسایی نوع مدولاسیون
۱-۴- سیر تحول و توسعه سیستم های مخابراتی دیجیتال از منظر تاریخی

فصل دوم
تولید سیگنال و مدولاسیون دیجیتال
۲-۱- ضرورت مدوله سازی دیجیتال
۲-۲- انواع مدولاسیون
۲-۳- نمایش سیگنال های مدوله شده ی دیجیتالی
۲-۴- روش های مدوله سازی بدون حافظه
۲-۴-۱- مدوله سازی پالس (PAM)
۲-۴-۲- مدوله سازی فاز
۲-۴-۳- مدوله سازی دامنه تربیعی

فصل سوم
روشهای تشخیص الگو
۳-۱- دسته بندی کلی روش‌های خودکار شناسایی نوع مدولاسیون
۳-۱-۱- روش‌های نظریه تصمیم
۳-۱-۲- روش‌های تشخیص الگو
۳-۱- مروری بر کارهای دیگران
۳-۲-۱- تابع همبستگی طیفی
۳-۲-۲- چگالی طیف توان
۳-۲-۳- طیف نگاره
۳-۲-۴- فاز تابع مشخصه (CF)
۳-۲-۵- شکل منظومه
۳-۲-۶- یستوگرام (نمودار مقایسه فراوانی)
۳-۲-۷- انحراف استاندارد مربوط به مقادیر لحظه ای و ویژگی طیفی
۳-۲-۸- ماتریس ممانهای مکانی (توان) و کومولانهای مرتبه بالا
۳-۲-۹- اطلاعات گذرا موجود در سیگنال
۳-۲-۱۰- سایر ویژگی‌ها

فصل چهارم
طبقه بندی کننده های SVM
۴-۱- مقدمه بر عملکرد طبقه بندی کننده ها
۴-۲- مدل سیگنال
۴-۳- استخراج ویژگی
۴-۴- پیش پردازش
۴-۵- طبقه بندی کننده(SVM)
۴-۶- بهینه سازی عملکرد طبقه بندی کننده
۴-۷- جمع بندی کارهای دیگران و اهداف انجام این پروژه

فصل پنجم
جمع بندی، نتیجه گیری و ارائه پیشنهادها
۵-۱- جمع بندی و نتیجه گیری
۵-۲- ارائه پیشنهاد جهت کارهای آینده
مراجع