บทที่ 4 Modulation วิชา... เทคโนโลยีไร้สาย Department of Applied Science, YRU

Outline คลื่นความถี่ที่ใช้งานสากล การมอดูเลชั่น การมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบ การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม

คลื่นความถี่ที่ใช้งานสากล คลื่นความถี่บริหารจัดการโดยคณะกรรมการผู้ดูแลแต่ละประเทศ หน่วยงาน (FCC : Federal Communications Corporation) กำหนดช่วงความถี่ใช้งานโดยไม่ต้องขออนุญาต ช่วงความถี่ ISM (Industrial, Science and Medical Frequency Band) กำหนดแบ่งช่วงความถี่ออกเป็น 3 ช่วง 26 MHz 83.5 MHz 125 MHz 902 MHz 2.4 GHz 5.7 GHz 902 928 2.40 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz รูปที่ 4.1 ย่านความถี่ไอเอสเอ็ม

คลื่นความถี่ที่ใช้งานสากล (ต่อ) ย่านความถี่ 902 MHz สื่อสารได้ระยะทางไกล ราคาถูก ความเร็วต่ำ ย่านความถี่ 2.4 GHz ย่านความถี่ที่ยอมรับจากทั่วโลก พัฒนาอุปกรณ์เครือข่ายไร้สาย ย่านความถี่ 5.7 GHz อัตราความเร็วในการส่งข้อมูลสูง แต่สัญญาณถูกรบกวนได้ง่าย ระยะทางใกล้ ส่วนใหญ่ใช้ได้ในแถบทวีปอเมริกาและญี่ปุ่น

รูปที่ 4.2 การทำงานของโมเด็ม การมอดูเลชั่น เมื่อต้องการส่งข้อมูลผ่านเครือข่าย นักศึกษาคิดว่าจะต้องมีกระบวนการอย่างไรบ้าง ที่จะทำให้ข้อมูลถึงปลายทาง ??? รูปที่ 4.2 การทำงานของโมเด็ม

รูปที่ 4.3 โครงสร้างและส่วนประกอบทางสถาปัตยกรรมเครือข่ายไร้สาย การมอดูเลชั่น รูปที่ 4.3 โครงสร้างและส่วนประกอบทางสถาปัตยกรรมเครือข่ายไร้สาย

สัญญาณที่ส่งออกมาในหนึ่งช่วงความถี่ เช่น สถานี Seed 97.5 การมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบ Narrow Band Modulation การแปลงข้อมูลเป็นสัญญาณแล้วส่งไปด้วยกำลังการส่งค่าหนึ่งในช่วงความถี่ ใช้ในการรับ-ส่งข้อมูลระหว่างต้นทางกับปลายทางเพียง 1 คู่เท่านั้น 100 MHz สัญญาณที่ส่งออกมาในหนึ่งช่วงความถี่ เช่น สถานี Seed 97.5 กำลังส่ง ความถี่ที่ใช้งาน รูปที่ 4.4 การส่งข้อมูลแบบแบนด์แคบ

รูปที่ 4.5 สัญญาณวิทยุคลื่นเอเอ็มหรือเอฟเอ็ม การมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบ (ต่อ) ระหว่างช่วงของความถี่ที่ใช้งาน แต่ละสถานีที่ต้องการส่งข้อมูลต้องมีการเว้นช่องว่างระหว่างความถี่ (Guard Band) ที่ไม่ทำให้ความถี่ที่ใช้งานรบกวนกัน ตัวอย่างการส่ง เช่น การกระจายสัญญาณวิทยุคลื่นเอเอ็มหรือเอฟเอ็ม รวมถึงการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์สถานีต่างๆ รูปที่ 4.5 สัญญาณวิทยุคลื่นเอเอ็มหรือเอฟเอ็ม

รูปที่ 4.6 สัญญาณรบกวนกับการมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบและแบบกระจายสเปกตรัม การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม เป็นรูปแบบการส่งที่กระจายกำลังส่งไปในหลายช่วงความถี่ สามารถลดปัญหาที่เกิดจากสัญญาณรบกวนที่แรงและมีความถี่ที่ตรงกับความถี่ที่ใช้งาน การมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบ กำลังส่ง สัญญาณรบกวนที่มีความถี่เดียวกัน การกระจายสเปกตรัม ความถี่ รูปที่ 4.6 สัญญาณรบกวนกับการมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบและแบบกระจายสเปกตรัม

รูปที่ 4.4 สัญญาณรบกวนกับการมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบและแบบกระจายสเปกตรัม การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) การมอดูเลชั่นแบบกระกายสเปกตรัม มี 3 เทคนิค คือ แบบกระโดดความถี่ (FHSS : Frequency Hopping Speed Spectrum แบบลำดับตรง (DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum) แบบโอเอฟดีเอ็ม (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing ความถี่ รูปที่ 4.4 สัญญาณรบกวนกับการมอดูเลชั่นแบบแบนด์แคบและแบบกระจายสเปกตรัม

การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบกระโดดความถี่ FHSS หลักการ : การเปลี่ยนความถี่จากค่าหนึ่งไปเป็นความถี่อื่นตลอดเวลา โดยการเปลี่ยนความถี่นี้เป็นการกระโดดจากความถี่หนึ่งไปอีกความถี่หนึ่งตามฟังก์ชันของเวลา เมื่อเวลาเปลี่ยน ความถี่ที่ใช้ก็จะเปลี่ยนไป ต้องมีการกำหนดความถี่ต่างๆ ที่ใช้งาน รวมถึงลำดับการใช้งานความถี่ FCC ได้กำหนดการกระโดดหรือเปลี่ยนความถี่ จำนวนมากกว่า 75 ความถี่ต่อการส่ง โดยจะมีเวลาที่อยู่ที่ความถี่ค่าหนึ่งไม่เกิน 400 มิลลิวินาที

ลำดับการกระโดด : C A B C B การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบกระโดดความถี่ FHSS (ต่อ) ลำดับการกระโดด : C A B C B การชน สัญญาณ รบกวน สัญญาณ รบกวน รูปที่ 4.7 การมอดูเลชั่นแบบกระโดดความถี่

รูปที่ 4.4 การมอดูเลชั่นแบบกระโดดความถี่ การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบกระโดดความถี่ FHSS (ต่อ) ความเร็วในการส่งข้อมูลมีค่าจำกัดได้ถึง 2 Mbps การมอดูเลชั่นแบบนี้ไม่เป็นที่นิยมใช้ในการส่งข้อมูลเครือข่ายไร้สายความเร็วสูง สามารถส่งข้อมูลของเครือข่ายระดับบุคคล (PAN : Personal Area Network) จากรูปแบบลำดับการใช้ความถี่ สามารถใช้งานมากกว่าหนึ่งชุดลำดับการใช้งานในช่วงความถี่เดียวกัน โดยไม่รบกวน วิธีนี้สามารถลดผลจากสัญญาณรบกวน และป้องกันการโจมตีจากผู้ไม่หวังดีในการส่งสัญญาณขัดจังหวะ รูปที่ 4.4 การมอดูเลชั่นแบบกระโดดความถี่

การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบลำดับตรง DSSS หลักการ : ใช้เทคนิคการรวมสัญญาณข้อมูลที่ต้องการส่งเข้ากับสัญญาณการส่งข้อมูลอีกชุดหนึ่งที่มีอัตราการส่งที่สูงขึ้น แต่ละบิตข้อมูลจะถูกขยายสัญญาณเป็นหลายบิตแล้วนำไป XOR : Exclusive-OR กับสัญญาณอีกชุดหนึ่งที่ได้จากการสุ่มขึ้นมาจำนวน n บิต เรียก ลำดับเอ็นบิต (n-bit Sequence) ว่า รหัสชิปปิ้ง (Chipping Code)

การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบลำดับตรง DSSS (ต่อ) 1 1 5 บิต 5 บิต 5 บิต

การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบลำดับตรง DSSS (ต่อ) กรณีมีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้น ข้อสังเกต ลำดับเอนบิต (n-bit Sequence) 10001 00000 01000 01101 11000 10111 11100 11000 11111

รูปที่ 4.8 การส่งแบบเอฟดีเอ็ม การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบโอเอฟดีเอ็ม OFDM จากพื้นฐานของ FDM ที่ใช้ในการส่งข้อมูล สามารถใช้งานหลายความถี่ได้พร้อมกัน แต่ละความถี่ที่ใช้งาน ไม่ซ้อนทับกัน โดยต้องมีช่องว่างระหว่างความถี่ กำลังส่ง ความถี่ รูปที่ 4.8 การส่งแบบเอฟดีเอ็ม

รูปที่ 4.9 การส่งแบบเอฟดีเอ็ม การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบโอเอฟดีเอ็ม OFDM (ต่อ) กำลังส่ง ความถี่ รูปที่ 4.9 การส่งแบบเอฟดีเอ็ม

การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบโอเอฟดีเอ็ม OFDM จากพื้นฐานของ FDM ที่ใช้ในการส่งข้อมูล สามารถใช้งานหลายความถี่ได้พร้อมกัน แต่ละความถี่ที่ใช้งาน ไม่ซ้อนทับกัน โดยต้องมีช่องว่างระหว่างความถี่ แต่การส่งแบบนี้จะสินเปลื้องแบนด์วิดธ์ จึงพัฒนาการส่งที่ใช้สัญญาณย่อย (Sub-Carrie) เพื่อส่งออกข้อมูลไปพร้อมกัน การส่งโดยไม่ต้องคำนึงถึงช่องว่างระหว่างความถี่ คือ ออกแบบให้ลักษณะของสัญญาณย่อยที่ใช้งานในสัญญาณซิงค์ (Sinc) ที่มีค่าเป็น Sin(x)/x แล้วส่งสัญญาณยอ่ยดังกล่าวออกไปแบบขนาน การส่ง ขณะที่สัญญาณย่อยที่ 1 มีค่ากำลังส่งเป็นค่าสูงสูด สัญญาณย่อยส่วนอื่นๆ จะไม่มีค่า (Null) ทั้งหมด ทำให้ไม่รบกวนสัญญาณ

รูปที่ 4.10 สัญญาณซิงค์ Sin(x)/x การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบโอเอฟดีเอ็ม OFDM รูปที่ 4.10 สัญญาณซิงค์ Sin(x)/x

รูปที่ 4.11 การมอดูเลชั่นแบบโอเอฟดีเอ็ม การมอดูเลชั่นแบบกระจายสเปกตรัม (ต่อ) แบบโอเอฟดีเอ็ม OFDM รูปที่ 4.11 การมอดูเลชั่นแบบโอเอฟดีเอ็ม

การพิจารณาเลือกใช้การมอดูเลชั่น จะต้องคำนึงถึงปัญหาทางด้านประสิทธิภาพและคลื่นรบกวน ก็ควรใช้วิธี DSSS ถ้าต้องการใช้อะแดปเตอร์ไร้สายขนาดเล็กและราคาไม่แพง สำหรับเครื่องโน๊ตบุ๊ค หรือ เครื่อง PDA ก็ควรเลือกแบบ FHSS