"طراحي فرستنده و گيرنده فروسرخ"

[جویابرق]

بنام ايزد يكتا



گزارش كارآموزي



طراحي فرستنده و گيرنده فروسرخ



مهدي متين‌فر، محمود جزايري‌فر



تحت نظر:

محمد ابطحي، پگاه صديقيان

گروه تحقيقاتي WLAN، مركز تحقيقات مخابرات ايران

دانشكده برق، دانشگاه صنعتي شريف



چكيده:

در اين كارآموزي، ضمن مطالعه اجزاء تشكيل دهنده يك لينك مخابراتي فروسرخ، مدارات فرستنده و گيرنده فروسرخ براي ارتباط LOS در كاربردهاي درون ساختمان طراحي شده است. به منظور سادگي از مدولاسيون On Off Keying (OOK) با پالس‌هاي RZ و سيكل وظيفه 50% استفاده شده است. نرخ ارسال اطلاعلات 250 Kb/s و توان نوري فرستنده 24 mW در نظر گرفته شده است. طراحي بگونه‌اي انجام شده كه لينك ارتباطي براي فواصل تا دو متر برقرار شود. براي سنكرون سازي فرستنده و گيرنده نيز از مدارهاي مناسبي كه در عين سادگي پاسخگوي نياز سيستم باشند كمك گرفته شده است. آناليز سيستم توسط برنامه Spice صحت عملكرد اجزاء مختلف سيستم را نشان داده است.



- نوع گزارش: كارآموزي، پروژه WLAN شماره 8031471 ، مركز تحقيقات مخابرات ايران.

- شماره مقاله: WLAN/IR-06، شهريور ماه 1380.

فهرست مطالب:

عنوان
صفحه
1)مقدمه
1

دليل گرايش به مخابرات بي سيم 1

مقايسه ارتباط نوري و راديويي 2

انواع ارتباطات نوري 3

مدل كانال ارتباط نوري و مدولاسيون شدت 4

طراحي سيستمهاي با راندمان مناسب 7

فرستنده‌هاي فرو سرخ و امنيت چشم 7

فيلترها و متمركز كننده‌هاي نوري 9
2) مدولاسيون
11

مدولاسيونهاي باند پايه 12

مدولاسيون OOK 12

مدولاسيون PPM 19

مدولاسيونهاي باند مياني 21

مدولاسيون PRK 22

مدولاسيون FSK 23

3)آشكار ساز نوري
25

پاسخدهي (Responsivity) 25

ضريب آشكار سازي (Detectivity) 26

بازده كوانتومي (Quantom Efficiency) 26

فيزيك PIN 28

مقايسه APD و PIN 33




4) مثال طراحي فرستنده و گيرنده نوري 34

فرستنده 34

گيرنده 35

طراحي تقويت كننده 35




طراحي فيلتر 37

انتگرال‌گير و مقايسه كننده 38

سنكرون سازي (Clock Recovery) 40

آناليز مدار گيرنده با SPICE
5) مراجع
43

51










































1) مقدمه:

دليل گرايش به مخابرات بي‌سيم:

طي سالهاي اخير شاهد پيشرفت عظيمي در زمينه تكنولوژي مدارات مجتمع كه قادر به پردازش با نرخ بالاي اطلاعات هستند‌، بوده ايم. گاهي اوقات نيازمنديم اطلاعات را درنقطه‌اي غير از جايي كه توليد مي‌شوند پردازش كنيم. بنابراين نياز داريم سيستمهايي طراحي كنيم كه بتواند اطلاعات را از نقطه‌اي به نقطه ديگر انتقال دهند. به عنوان مثال بخش مراقبتهاي ويژه يك بيمارستان را در نظر بگيريد كه دكتر يا پرستار مي خواهند در هر لحظه به داده‌هاي مربوط به وضعيت جسماني بيماران زيادي رسيدگي كنند در اين صورت به سيستمي نياز داريم كه اين داده‌ها اعم از ضربان قلب، فشار خون و … مربوط به هر بيمار را از محل توليد (تخت بيماران) به جايي كه دكتر يا پرستار حضور دارند انتقال دهد ولزومي به حضور آنها بر سر تخت بيماران نباشد.

گاهي اوقات اطلاعات در يك شبكه توسط كابل انتقال مي يابد، وقتي ايده سيستمهاي موبايل مطرح شد انتقال اطلاعات بصورت بدون كابل[1] پيشنهاد گرديد. حتي در سيستمهاي ساكن هم ارتباط با كابل[2] ممكن است مشكل ساز باشد. به عنوان مثال ممكن است يك ساختمان كه قرار است شبكه در آن نصب شود آنقدر قديمي باشد كه امكان نصب كابل شبكه در آن موجود نباشد. چون شبكه هاي بي‌سيم قابليت تحرك بيشتري نسبت به شبكه هاي كابلي دارند در بسياري از كاربردها بهتر است از آنها استفاده كنيم.

دو نوع ارتباط بي‌سيم وجود دارد:

1.راديويي 2.نوري

در ارتباط راديويي از امواج الكترومغناطيس در باند RF جهت ارسال داده استفاده مي‌شود ومعمولا اطلاعات بر دامنه يا فاز موج الكترومغناطيس مدوله مي‌شود ولي در سيستمهاي نوري از نور فرو سرخ [3]با طول موجي بيشتر از نور مرئي جهت ارسال داده استفاده مي شود و معمولا اطلاعات بر قدرت نور فروسرخ مدوله مي‌شود.

مقايسه ارتباط نوري و راديويي:

براي يك ارتباط با مسافت كوتاه و داخل اتاق ارتباط نوري از جهاتي بر ارتباط راديويي برتري دارد كه به ذكر آنها مي پردازيم:

1.فرستنده وگيرنده هاي نوري قادر به ارتباط با سرعت بالا و قيمت كم هستند.

2.باند نور فروسرخ داراي طيف نسبتا گسترده اي است كه هنوز بصورت جهاني طبقه بندي نشده است (بر خلاف امواج راديويي كه تحت استاندارد FCC [4]هستند) و بدون اجازه از سازمان FCC ،كه مشكلات خاص خود را دارد، مي توان از اين باند استفاده كرد.

3.چون نور فروسرخ و نور مرئي طول موجهائي نزديك بهم دارند بسياري از خواص آنها شبيه به هم است، به عنوان مثال هر دو توسط اجسام تاريك بخوبي جذب مي‌شوند، با برخورد به سطوح روشن پخش مي‌شوند، با برخورد به سطوح صاف وصيقلي در يك جهت منعكس مي‌شوند، هر دو از شيشه عبور مي‌كنند و هيچيك از ديوار يا اجسام تاريك و مات عبور نمي‌كنند. اين خاصيت باعث مي شود تا ارتباط نوري فقط محدود به داخل اتاق باشد و حال آنكه امواج راديويي بخاطر داشتن طول موج بالاتر، از ديوار عبور كرده و محدود به اتاق نمي‌باشند. بنابراين ارتباط نوري مي‌تواند براي شبكه‌هاي بسيار محرمانه داخل اتاق استفاده شود و هيچ تداخلي بين امواج فروسرخ در دو اتاق مجاور هم ايجاد نمي‌شود.

4.يكي از خواص جالب ارتباط نوري مقابله با اثر فيدينگ چند مسيره[5] است اين اثر در ارتباطات بي‌سيم مطرح مي‌شود چون موج الكترومغناطيس در سر راه خود به موانع بسياري برخورد كرده و به گيرنده مي‌رسد به همين خاطر در نهايت مجموع تعدادي فازور به گيرنده مي‌رسد كه در بعضي نقاط يكديگر را تقويت كرده و در بعضي نقاط يكديگر را تضعيف مي‌كنند، اين اثر را اصطلاحا Multipath_Fading مي‌گويند.فاصله مكاني اين نوسانات (ناشي از تقويت وتضعيف) به طول موج وابسته است. امواج راديويي طول موج بالاتري نسبت به ابعاد آنتن گيرنده دارندبنابراين ممكن است آنتن با اندكي جابجائي در نقطه‌اي قرار گيرد كه سيگنال تضعيف شده است ولي در ارتباط نوري چون ابعاد آشكارسازنوري[6] هزاران برابر بزرگتر از طول موج نور دريافتي است و جريان آشكارسازنوري متناسب با مجموع قدرت نور دريافتي است بنابراين با جابجائي گيرنده ديگر اثر فيدينگ را نخواهيم داشت.

ارتباط نوري بي نقص هم نيست، چون نور از ديوار عبور نمي‌كند، براي ارتباط از يك اتاق به اتاق ديگر نياز داريم، به يك نقطه دريافت [7]در هر اتاق نياز داريم. اتصال بين اتاقها مي‌تواند توسط كابل يا فيبر نوري برقرار شود. به غير از نويزهاي مدارات الكتريكي، در اين نوع ارتباط نويز محيط اطراف (نور خورشيد، لامپهاي فلورسان، لامپهاي تنگستن) هم وجود دارد. سيگنال به نويز در ارتباطات نوري مستقيما بامربع قدرت نور ارسالي متناسب است اما براي زياد كردن سيگنال به نويز نمي توانيم قدرت فرستنده را بدون حد زياد كنيم، عوامل محدود كننده آن تلفات توان و احتمال آسيب به چشم هستند.

در يك جمع بندي بايد گفت كه ارتباط نوري وراديويي هر يك كاربرد خاص خود را دارندونمي‌توان گفت كه كداميك بهتر است. در مواردي كه تحرك فرستنده و گيرنده خيلي زياد است يا نياز به ارتباطاتي داريم كه بين فرستنده و گيرنده مانعي مثل ديوار وجود دارد و همچنين در مواردي كه مي‌خواهيم توان كمي مصرف كنيم از ارتباط راديويي استفاده مي‌كنيم. ارتباطات نوري در مواردي استفاده مي شوند كه فرستنده و گيرنده داخل يك اتاق در فاصله كمي از هم قرار دارند.



انواع ارتباطات نوري:

ارتباطات نوري به طرق مختلف انجام مي‌شود. در اينجا با دو معيار مختلف آنها را دسته‌بندي مي‌كنيم. معيار اول ميزان مستقيم بودن ارتباط است. يعني اينكه زاويه ارسال فرستنده و گيرنده چقدر است. اگر فرستنده وگيرنده هر دو از يك زاويه كوچكي براي ارسال ودريافت استفاده كنند، آن ارتباط را مستقيمDirected) ) مي‌گوييم. اگربين فرستنده و گيرنده فقط يكي، از زاويه بزرگتري براي دريافت يا ارسال استفاده كند، آن را مختلطHybrid) ) و چنانچه فرستنده و گيرنده هر دو از زواياي بزرگ براي دريافت يا ارسال استفاده كنند، آن را غير مستقيم Nondirected)) مي گويند. ارتباط مستقيم بازده‌توان[8]بيشتري نسبت به بقيه ارتباطات دارد. اما مشكل ارتباط مستقيم اين است كه اگر مانعي سر راه گيرنده و فرستنده قرار بگيرد، ارتباط قطع مي شود.

معيار دوم دسته‌بندي اين‌است كه آيا مسير مستقيمي بين فرستنده و گيرنده وجود دارد يا خير؟ چنانچه يك مسير مستقيم بين فرستنده و گيرنده وجود داشته باشد، آن ارتباط را LOS‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌� �‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌� ��‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌� �‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌� ��‌‌‌‌‌ [9]مي‌گويند. اگر هيچ مسير مستقيم و بين فرستنده و گيرنده نباشد، آن ارتباط را NonLOS [10]مي‌گويند. در اين حالت فرستنده و گيرنده هر دو از زاويه نسبتا بزرگي جهت ارسال و دريافت استفاده مي‌كنند و هيچ مسير مستقيمي بين آنها وجود ندارد.

ارتباط LOS بازده توان بيشتري دارد و اثراتي مانند اعوجاج چند مسيره (multipath_distortion) ، كه بر اثر جمع شدن سيگنال هاي رسيده از مسيرهاي مختلف با تضعيف وتاخير هاي متفاوت، ايجاد مي‌شود در آن كمتر است.ارتباط NonLosتواانايي ارتباط را افزايش مي‌دهد و استفاده از آن براي مصرف‌كننده ساده تر است (اجازه مي دهد ارتباط با وجود موانع مختلف بين فرستنده وگيرنده برقرار باشد) . راحت‌ترين حالت از اين نظر، ارتباط Nondirected_Non_Los است كه به اين ارتباط اصطلاحا diffuse مي‌گويند. شكل(1-1) اين دسته‌بندي را نشان مي‌دهد.



مدل كانال ارتباط نوري و مدولاسيون شدت (IM/DD[11]):

در يك ارتباط نوري براي ارسال سيگنال الكتريكي از نقطه‌اي به نقطه ديگر اطلاعات را بر شدت نور ارسالي مدوله مي‌كنيم واصطلاحا آن را مدولاسيون شدت (Intensity Modulation) مي‌ناميم. در گيرنده هم قدرت نور دريافتي به يك سيگنال الكتريكي (جريان) تبديل مي‌شود و به آن آشكار‌سازي مستقيم (Direct Detection) مي‌گوييم. اينگونه ارسال و دريافت را اصطلاحا (IM/DD)ناميده مي‌شود. مدل يك كانال ارتباط نوري به صورت IM/DDدر شكل (2-1) نشان داده شده است.

سيگنال ارسالي‌ X(t) برابر توان لحظه‌اي نور ارسال‌‌شده از ديود نوري مي‌باشد و سيگنال دريافتي Y(t) جريان لحظه‌اي دريافت شده از طريق آشكارساز نوري است كه با مجموع توان نور تابيده شده به سطح آشكارساز متناسب است. كانال ارتباط نوري نيز به صورت يك كانال خطي باند پايه (Base Band) مدل مي‌شود.



شكل(1-1):انواع ساختارهاي يك ارتباط نوري (برگرفته از[1])



ورودي كانال، توان ارسال شده از LED و خروجي آن، جريان آشكارسازنوري است. پاسخ ضربه سيستم همانطور كه در شكل (1-1) نشان داده شده برابر است. كانال يك سيستم خطي تغييرناپذير با زمان است و h(t) ثابت است و فقط وقتي تغيير مي‌كند كه فرستنده يا گيرنده يا يكي از اشياء داخل اتاق به اندازه چند ده‌سانتي‌متر جابجا شوند.


شكل(2-1):مدل كانال ارتباط نوري



ارتباطات‌ بي‌سيم نوري در حضور نور زمينه (Background light) است كه توسط يك فيلتر نوري optical filter)) مي‌توان از تاثير اين نور مزاحم تا حدي جلوگيري كرد. همچنين اين نور باعث ايجاد shot noise در آشكارسازنوري مي‌شود كه در يك طراحي خوب عامل اصلي نويز در گيرنده است. اين نويز بصورت نويز سفيد گوسي و مستقل از X(t) مدل مي شود. وقتي كه نور اطراف نباشد يا انرژي خيلي كمي داشته باشد نويز غالب، نويز مدارات الكترونيكي (طبقه اول تقويت كننده) مي باشدكه آن هم گوسي و مستقل از سيگنال X(t) است و اغلب سفيد نيست بنابراين ما معمولاِ N(t) رابصورت گوسي مستقل از X(t) مدل مي كنيم اين نويز در تقابل با نويز ناشي از شمارش فوتون (photon_counting) در آشكار‌سازنوري مي‌باشدكه يك نويز وابسته به سيگنال و با توزيع پوآسون‌ (poisson) است.

لامپهاي فلورسان در طول موج فرو‌سرخ داراي مقداري انرژي هستند كه ماهيت پريوديك داردبنابراين يك ترم با دوره ثابت به N(t)اضافه مي شود .رابطه بين ورودي و خروجي بصورت زير است:


كه در اين رابطه، R، پاسخدهي ((Responsivity آشكارسازنوري است و واحد آن A/W مي‌باشد. كانال ارتباط نوري با كانالهاي كابلي و ارتباط راديوئي از جهاتي متفاوت است. ورودي كانال،X(t) توان نوري ارسالي و در نتيجه يك سيگنال مثبت (Unipolar) است.



طراحي سيستم‌هاي با راندمان توان مناسب:

دست يافتن به يك سيگنال به نويز مناسب بزرگترين مسئله‌اي است كه يك طراح فرستنده و گيرنده نوري با آن مواجه است، بغرنج بودن قضيه از دو جهت است:

1. سيگنال‌به‌نويز مربوط به مدولاسيون و آشكار‌سازي از نوعIM/DD با مربع قدرت نور دريافتي متناسب است و جهت دست‌يافتن به سيگنال‌به‌نويز بالا بايد توان بيشتري جهت ارسال استفاده كرد ولي بخاطر امنيت چشم و كم‌كردن توان مصرفي در فرستنده محدود مي‌شويم. مسئله ديگر اين است كه مي‌خواهيم گيرنده توانايي جابجايي نسبتا بالايي داشته‌باشد كه براي رسيدن به اين خواسته بايد فاصله بين فرستنده و گيرنده زياد باشد، در برابر آن تلفات كانال با عكس مجذور فاصله بين فرستنده وگيرنده متناسب است و فاصله نمي‌تواند خيلي زياد باشد، بين اين دو خواسته متضاد (سيگنال‌به‌نويز بالاوآزادي تحرك گيرنده) بايد مصالحه‌اي برقرار كرد.

2. در بسياري از محيطهاي كاري وجود نور محيط موجب shot noise در آشكار‌ساز مي‌گردداين نويز باعث كم شدن سيگنال‌ به‌ نويز مي‌شود براي آنكه اثر آن را حتي‌الامكان كم كرد مي‌توان از فيلترهاي نوري با پهناي باند باريك جهت فيلتر‌كردن نور دريافتي استفاده‌كرد.



فرستنده‌هاي فرو‌سرخ و امنيت چشم:

طول موج بين nm950-780 هم‌اكنون مناسب‌ترين طول‌موج جهت ارسال در فرستنده وگيرنده‌هاي نوري است، چون در اين طول‌موج LED و ديودهاي ليزري ارزان‌ قيمت وجود‌دارند. اولين مشكل هنگام ارسال در يك طول‌موج خاص از آنجا ناشي‌مي‌شود كه چشم در برابر آن طول‌موج حساسيت نشان‌مي‌دهد و ما را از جهت ميزان قدرت ارسالي در آن طول‌موج محدود‌مي‌كند، نور در اين طول‌موجها مي‌تواند از قرنيه[12] عبور كرده و بر شبكيه[13]متمركز شود. چنانچه شدت نور در اين طول‌موج از حدي بيشتر شود باعث آسيب چشم مي‌گردد. قرنيه، طول‌موجهاي بالاي nm 1400 را از خود عبور‌نمي‌دهدبنابراين بطور‌طبيعي ممكن‌است طول‌موج حدود nm1550 براي سيستمهاي نوري مناسب بنظرآيد. متا‌سفانه آشكار‌ساز‌هاي موجود در اين طول‌ موجها از ژرمانيم و اينيديم‌ـ‌گاليم‌ـ‌آرسنا يد ساخته مي‌شوند كه قيمت آنها خيلي بيشتر از آشكار‌سازهاي سيليكاني است‌ و خازن‌ بر‌ واحد مساحت آنها نسبت به همتاي سيليكاني آنها بيشتر است.

همانگونه كه قبلا گفته شد، فرستنده‌هاي فعلي از LED و ديودهاي ليزري جهت ارسال استفاده مي‌كنند جدول (1-1) مقايسه‌اي بين LED و ديود‌ ليزري انجام داده‌است.



جدول(1-1):مقايسه خواص LED و LD(برگرفته از[1])

LD’s
LED’s
Charactristic

to 5 nm

(<1MHz-2THz
25-100 nm

(10-50 THz)
Spectral width

Tens of kilohertz to tens of gigahertz
Tens of kilohertz to tens of megahertz
Modulation Bandwidth

30-70%
10-20%
E/O Conversion Efficiency

Must be rendered eye_safe, especially for
Generally considered eye_safe
Eye Safety

Moderate to high
Low
Cost




در بسياري از سيستمهاي تجاري از LED بخاطر پايين بودن قيمت آن استفاده مي‌شود، در برخي از كاربردها از LED بخاطر مساحت بيشتر و زاويه بيشتري كه براي ارسال دارند استفاده‌مي‌شود، اين خواص آنها را براي سيستمهاي مستقيم (Directed) مناسب كرده‌است. در سيستمهاي غير‌مستقيم (Non_Directed) اغلب از چندين LED كه در جهات مختلف تابش مي‌كنند و بصورت موازي بسته شده‌اند استفاده مي‌شود. مهمترين عيب LED عبارت‌ است‌ از:

1. بازده الكترو-اپتيكي (Electro-Optical efficiency) كمي دارد (20-10درصد) يعني توان الكتريكي خيلي بيشتري نسبت به توان نوري خروجي مصرف مي‌كنند.

2. پهناي باند مدولاسيون آن (سرعت‌سوئيچ) به چند‌ده‌MHz محدود مي‌شود.

3. طيف نور ارسالي آن نسبتا عريض است (nm100-25) كه متناسب با آن نياز به گيرنده‌‌اي با پهناي باند عريض داريم تا كليه قدرت مدوله شده فرستنده را دريافت كند كه باعث پايين‌آمدن سيگنال‌به‌نويز مي‌شود.

ديود ليزري خيلي گرانتر از LED است ولي خواص آن مناسبتر مي‌باشد، برخي از اين خواص در زير آمده‌است:

1.بازده الكترو-اپتيكي بالاتري (70-30درصد) دارد.

2.پهناي باند مدولاسيون بيشتري دارد، از چندين MHz تابيش از GHz 10 .

3.طيف نور ارسالي بسيار باريكي دارد (حتي قادر است نور با عرض طيف كمتر از nm 1 ارسال كند.)



فيلترها و متمركزكننده‌هاي نوري:

در گيرنده‌هاي فروسرخ معمولا از فيلترهاي بالاگذر[14] (از نظر طول موج) يا ميان‌گذر براي تضعيف نور اطراف استفاده مي‌شود. فيلترهاي بالا گذر تمام طول موجهاي بالاي يك طول موج خاص را عبور مي‌دهند. آنها معمولا از شيشه‌هاي رنگي يا پلاستيك ساخته مي‌شوند. معمولا پاسخدهي آشكارسازها در طول موجهاي بالاي يك حد مشخص صفر است در نتيجه با قرار دادن يك فيلتر بالا گذر مي‌توان يك باند مياني از طول موج را جدا كرد. از فيلترهاي نوري ميان‌گذر هم مي‌توان جهت حذف اثر توان نور محيط استفاده كرد اين فيلترها را معمولا به گونه‌اي انتخاب مي‌كنند كه يك باند نسبتا باريكي از طول موج را عبور دهند تا هر چه بيشتر از اثر نور محيط جلوگيري شود. (فيلترهاي با عرض كمتر از 1nm نيز ساخته شده‌اند). براي افزايش سيگنال به نويز بايد باند ارسال فرستنده در داخل باند عبور فيلتر باشد. از فيلترهاي باريكتر موقعي استفاده مي شود كه فرستنده LD [15]باشد و پهناي طيفي خيلي باريكي ارسال كند. در نتيجه به همان نسبت مي‌توان پهناي فيلتر را كم كرد.

فركانس مركزي فيلترهاي ميان‌گذر با تغيير زاويه برخورد با فيلتر تغيير مي‌كند. بنابر اين موقع استفاده از فيلترهاي با زاويه ديد ((FOV [16]زياد بايد در تنظيم زاويه فيلتر با نور ارسالي دقت كرد. توان نور دريافتي در گيرنده با سطح مؤثر آشكارساز مستقيما متناسب است ولي هر قدر كه سطح آشكارساز بيشتر باشد، هم قيمت آن بيشتر مي‌شود و هم پهناي باند گيرنده كاهش مي‌يابد به علاوه اينكار جريان ناشي از نور محيط و نويز را هم افزايش مي دهد به همين دليل از متمركزكننده‌ها استفاده مي‌شود كه بي‌آنكه پهناي باند را كم كنند، سطح مؤثر گيرنده را افزايش مي‌دهند. چند نوع متمركز كننده وجود دارد. يك نوع از آنها به شكل نيمكره هستند، اين نوع متمركزكننده‌ها FOV بزرگي دارند اما بهره چندان زيادي ندارند. نوع ديگر بيضوي شكل هستند و با CPC [17] نشان داده مي‌شوند. در اين نوع متمركزكننده‌ها، FOV كوچكتر و بهره بزرگتر است. معمولا در حالت ارسال مستقيم جهتدار (LOS) به علت محدود بودن زاويه ديد،CPC ترجيح داده مي‌شود. در حالت كلي بين بهره و FOV. بايد موازنه‌اي برقرار كرد.















2) مدولاسيون:

همانگونه كه در بخش مقدمه گفته شد سيگنال الكتريكي موقع ارسال به شدت نور خارج‌شده از LED تبديل شده و وارد كانال مي‌شود. پس ورودي كانال، يك سيگنال مثبت است بنابراين فرستنده‌هاي مناسب براي ارتباط نوري بايد يك سيگنال مثبت توليد كنند. در اين بخش مدولاسيونهايي را مورد بررسي قرار مي‌دهيم كه داراي راندمان توان بالايي هستند بطور كلي مدولاسيونهاي موجود به دو دسته باند پايه (Base_Band) و باند‌مياني (Band_Pass) تقسيم مي‌شوند. چون در مدولاسيونهاي باند مياني سيگنال حامل يك موج سينوسي است كه ذاتا يك سيگنال مثبت‌ و منفي (Bipolar) مي‌باشد و اين سيگنال براي كانال نوري مناسب نيست، پس يك مقدار DC (offset) به آن اضافه مي‌كنند تا آن را مثبت كنند، اين مقدار DC هيچ اطلاعاتي را حمل نمي‌كند وباعث اتلاف توان مي‌گردد. به همين‌خاطر از مدولاسيونهاي باند‌مياني هنگام ارسال در كانال نوري استفاده نمي‌شود، در اين بخش هم فقط به معرفي آنها اكتفا مي‌شود. در نهايت به مقايسه انواع مدولاسيونها پرداخته و از ميان آنها يكي را براي سيستم خود انتخاب مي‌كنيم.معيارهاي مقايسه انواع مدولاسيونها عبارتند‌از:

1.راندمان‌توان (power efficiency) :منظور از راندمان توان بهتر مدولاسيون A نسبت به مدولاسيون B آن است كه در يك نرخ‌ارسال‌بيت (BR)[18]معين و به‌ازاي يك‌احتمال‌خطا[19]ي (BER) معين مدولاسيون A توان كمتري مصرف كند.

2.راندمان پهناي‌باند (Band width efficiecy):منظور از راندمان پهناي ‌باند بهتر مدولاسيون A نسبت به مدولاسيون B آن است كه در نرخ ارسال (BR) معين، مدولاسيون A پهناي‌ باند ‌كمتري مصرف كند. اين راندمان به‌صورت نسبت BR به پهناي‌ باند مؤثر تعريف مي‌شود.

3.پيچيدگي فرستنده وگيرنده (Complexity) :منظور اين است كه سيستم فرستنده وگيرنده براي رسيدن به خواسته‌هاي معين تا چه‌اندازه پيچيدگي دارد.





مدولاسيونهاي باند پايه:



مدولاسيون OOK(On-Off Keying):

در مدولاسيون OOK كه به سادگي انجام مي‌شود ارسال بيت يك با حضور يك پالس انجام مي‌شود و ارسال صفر با عدم حضور پالس انجام مي‌شود. يعني در يك دوره مشخص‌ زماني اگر پالسي را ارسال كنيم يعني بيت يك فرستاده‌ايم‌ و در غير اين ‌صورت‌ بيت صفر ارسال‌كرده‌ايم. BR بصورت تعريف مي‌شود مدولاسيون را x-OOK مي‌ناميم اگر پهناي‌پالس فرستاده‌شده هنگام ارسال بيت يك، برابر باشد . اگر باشد مدولاسيون را NRZ-OOK[20] مي‌گوييم و چنانچه باشد مدولاسيون را RZ-.OOK[21] مي‌ناميم. لازم به ذكر است كه در اين مدولاسيون ‌هنگام ارسال بيت يك، لحظه شروع پالس (لبه‌بالارونده) همواره ثابت بوده ‌و در آغاز بازه بيت ارسالي مي‌باشد.

بلوك‌دياگرام مختصري از دمدولاتور OOK در شكل (1-2) آمده‌است:




شكل(1-2):بلوك دياگرام دمدولاتور OOK



در بلوك‌دياگرام شكل(1-2) بلافاصله پس‌از دريافت سيگنال OOK و تقويت‌ و فيلتركردن آن از يك فيلتر منطبق (شامل فيلتر I&D و S&H) استفاده ‌شده‌است ‌تا سيگنال‌ به ‌نويز افزايش‌ يابد. فيلتر I&D (Integrate&Dump) با ارسا‌‌‌ل اولين‌ فرمانbit sync از سيگنال ورودي خود انتگرال گرفته وبا ارسال فرمان ديگرsync انتگرال‌گير را Reset كرده وبراي دريافت بيت بعدي آن را آماده مي‌كند. بلوك S&H هم جهت نمونه‌برداري از خروجي فيلتر I&D استفاده ‌مي‌گردد تا خروجي انتگرال گير پيش از Reset ، شدن ذخيره شود. ممكن است بلوك S&H پس از مقايسه‌كننده قرار گيرد (در سيستمي كه در ادامه گزارش به طراحي آن خواهيم پرداخت اينگونه عمل شده‌است) . خروجي فيلتر منطبق با يك مقدارآستانه تحت عنوان مقايسه شده و چنانچه از آن بيشتر باشد گيرنده تصميم‌مي‌گيرد كه ‌بيت ‌يك ارسال ‌شده‌ و در غير اينصورت تصميم ‌مي‌گيرد كه بيت‌ صفر ارسال ‌شده‌است.

يكي از مشكلات‌ اساسي طراحي گيرنده OOK تعيين مقدار جهت مقايسه است در واقع نور محيط در طول‌ موج ارسال‌ و‌ دريافت سيستم داراي مقدار قابل توجهي انرژي است كه در مقايسه با سيگنال پيام مي‌تواند قوي‌تر باشد، ولي به‌دليل تغييرات كم نور محيط، جريان توليدشده متناظر با آن ماهيت DC دارد و صرفا بر مقدار DC سيگنال‌ پيام اثرمي‌گذارد و باعث افزايش آن مي‌شود، همين امر باعث مي‌شود تا نتوانيم مقدار مناسبي براي بيابيم. در بخشهاي آينده به حل اين مشكل مي‌پردازيم.

محاسبات مدولاسيون OOK (BER و PSD[22] و BE[23]):

در اين محاسبات فرض مي‌كنيم:

1.سيگنال دريافتي متوسط ثابتي برابر داشته باشد و با اين فرض دامنه سيگنال دريافتي (A) محاسبه مي‌شود.

2.جهت سادگي محاسبات فرض مي‌كنيم N(t) يك فرآيند ايستا است كه با دقت بسيار خوبي درست است.

فرض كنيم يك سيگنال RZ-OOK با x=0.5 باشد، بنا به فرض 1 داريم:


(1)











(2)


كه در اين معادله بيت k ام دريافتي است. با توجه به روابط (1) و (2) داريم:


(3)


ابتدا به محاسبه BER مي‌پردازيم.N(t) نويز غالب گيرنده .OOK همان shot noise ناشي از جريان نور محيط مربوط به آشكار‌ساز‌نوري است كه تقريبا گوسي و سفيد است، اگر را برابر مقدار تابع چگالي طيفي دو‌طرفه N(t) در نظر بگيريم، خواهيم داشت:


كه در اين رابطه جريان گذرنده از آشكار‌ساز‌نوري است.


(4)


فرض مي‌كنيم بيتهاي يك و صفر مستقل از هم و با احتمال برابر ارسال شوند. در گيرنده OOK كه اساس تصميم‌گيري بر مقدار آستانه است، BER هم تابعي از ولتاژ آستانه مي‌باشد. قصد ما تعيين آستانه‌اي است كه BER مينيمم شود. چنانچه نويز N(t) را يك فرآيند گوسي با متوسط صفر و واريانس در نظر بگيريم، مقدار دريافت‌ شده پس از فيلتر I&D و S&H يك متغير تصادفي با توزيع گوسي است (فرآيند N(t) در هر لحظه يك متغير‌تصادفي گوسي است و هر مجموعه‌ n نقطه‌اي از آن مشتركا‌گوسي هسنند پس انتگرال آنها هم يك متغير تصادفي‌گوسي است) چنانچه در فرستنده بيت يك ارسال‌شود، اين متغير تصادفي را و چنانچه در فرستنده بيت صفر ارسال شودآن را مي‌ناميم. و بترتيب چگالي احتمال و هستند.

مي‌دانيم انتگرال‌گير در بازه صفر تا انتگرال گيري كرده و سپس مقدار آن صفر مي‌شود فرض مي‌كنيم ضريب انتگرال‌گيري باشد.

(5)



و

(6)







از آنجا كه ميانگين N(t) را صفر فرض مي‌كنيم خواهيم داشت:

(7)



حال به محاسبه واريانس مي‌پردازيم. فرض‌مي‌كنيم نويز N(t) به سيستمي با پاسخ‌ضربه h(t) كه بصورت زير تعريف مي‌گردد، وارد‌شود و خروجي آن فرآيند M(t) شود.



خروجي آن را با M(t) نشان مي‌دهيم:





(8)

بنابراين BER برابر است با:



براي يافتن مي‌نيمم BER ، مشتق آن را نسبت به مي‌گيريم:


بنابراين:




در رابطه (9) مقدار آستانه بهينه است و Q(k) برابر است با احتمال اينكه مقدار يك متغير تصادفي گوسي با ميانگين صفر و واريانس يك از k بزرگتر باشد يعني:

حال به محاسبه چگالي طيفي توان (psd) سيگنال OOK مي‌پردازيم:

مي‌توان به‌سادگي نشان‌داد كه psd يك فرآيند تصادفي از رابطه زير بدست مي‌آيد:








كه در روابط فوق ‍ سيگنال پالس مي‌باشد كه‌در همه‌جا صفر مي‌باشد مگر بازه كه در آن يك است. و تبديل فوريه سيگنال پيام محدود در بازه مي‌باشد.(‏( ‏T=





كه دراين رابطه تبديل‌فوريه سيگنال است.





تعداد زوجهاي m,n)) كه تفاضل آنها مقدار ثابت l است برابر مي‌باشد.





كه در رابطه بالا تابع خود‌بستگي سيگنال پيام مي‌باشد و بصورت زير محاسبه ‌مي‌شود:








بنابراين چگالي طيف توان سيگنال OOK برابر است با:







با استفاده از:





كه هر دو طرف تساوي تبديل‌فوريه قطار ضربه با پريود هستند خواهيم داشت:

نهايتا خواهيم داشت:

(10)





از رابطه 10 پيداست كه psd سيگنال پيام از يك ترم پيوسته همراه ضربه‌هايي در مضارب تشكيل شده‌است. با كمي دقت در رابطه 10 متوجه مي‌شويم كه چنانچه مدولاسيون OOK، NRZ باشد، ضربه‌ها بطور كامل از psd حذف مي‌‌‌شوند. پهناي باند تئوري سيگنال پيام بي‌نهايت است ولي در عمل سيستم براي يك پهناي باند محدود طراحي مي‌شود معيار ما از پهناي باند مؤثر ،اولين صفر S(f) است. از رابطه 10 اولين صفر S(f) در مي‌باشد. بنابراين خواهيم‌داشت:

(11)





مصالحه بين بازده توان‌ و بازده پهناي باند در مدولاسيونOOK :

از رابطه 9 مشخص است، چنانچه بخواهيم يك BER معين و ثابت داشته باشيم و همزمان توان كمتري جهت ارسال مصرف كنيم، يا را بايد كوچك انتخاب كنيم. اگر سيستم براي يك نرخ ارسال معين طراحي شده باشد (كه معمولا چنين است)چاره‌اي جز كوچك كردن (كه به معناي كم كردن عرض پالس است) نداريم. همانگونه كه از رابطه 11 مشخص است با اين كار يعني كوچك كردن بازده پهناي باند كاهش مي‌يابد. بنابراين در مدولاسيون OOK افزايش بازده توان مستلزم كاهش بازده پهناي باند است و بالعكس.







تعيين ولتاژآستانه در مدولاسيون OOK:

همانگونه كه در بخش اول مدولاسيون OOK به آن اشاره شد در گيرنده OOK پس از انتگرال‌گيري از سيگنال دريافت شده در طي عرض پالس، جهت تشخيص صفر يا يك بودن بيت ارسالي، خروجي انتگرال‌گيربايد با يك مقدار آستانه‌اي مقايسه شود ولي چون سيگنال پيام بر سيگنال تقريبا DC ناشي از نور محيط سوار است و اين DC در طي روز تغيير مي‌كند بنابر‌اين خروجي انتگرال‌گير هنگام مقايسه مقدار از پيش‌تعيين شده‌اي نمي‌تواند داشته باشد. پس ما نمي‌توانيم يك آستانه ثابت براي سيستم تعيين كنيم، پس نياز به سيستمي داريم كه مقدار آستانه آن همراه با تغييرات مقدار DC سيگناال دريافتي تغيير كند. براي حل اين مشكل روشهاي متعددي وجود داردكه به ذكر آنها مي‌پردازيم.

يكي از راهكارها طراحي سيستمي براي باياس كردن آشكار‌ساز‌نوري مي‌باشد. هدف اين سيستم آن است كه مقدار DC سيگنال دريافتي را بطور كامل حذف كرده و به فيلتر منطبق بدهد. با اين حساب ديگر لازم نيست نگران آستانه باشيم چون بهنگام دريافت بيت يك خروجي انتگرال‌گير حتما مثبت است وهنگام دريافت صفر حتما منفي است.پس كافي است مقدار ولتاژ آستانه را صفر انتخاب كنيم. اين سيستم بايد يك مدار فيدبكي باشد كه مدام با تغيير سيگنال ورودي خروجي خود را تصحيح كند. بلوك‌دياگرام زير جهت اين كار پيشنهاد مي‌شود.


شكل (2-2)



در اين بلوك از ولتاژ خروجي طبقه تقويت‌كننده و فيلتر نمونه‌برداري كرده و پس از يك مرحله پردازش (اين پردازش به مشخصات منبع‌جريان كنترل‌شده با ولتاژ وابسته است) و عبور از يك LPF باريك و تيز حول فركانس صفر كه فقط مقدار DC سيگنال ورودي را استخراج كند، به يك منبع‌جريان‌كنترل‌شده‌ با‌ ولتاژ‌ اعمال مي‌گردد، به اين‌ترتيب خروجي زماني به تعادل مي‌رسد كه مقدار DC نداشته باشد.

يكي ديگر از راهكارها كه البته براي مدولاسيون OOKمناسب نيست، آن است كه آشكار‌ساز را بطور مستقيم به طبقه تقويت‌كننده وصل نكنيم و سر راه آن يك HPF قرار دهيم كه DC سيگنال را حذف كند ولي چون اين فيلتر علاوه‌بر DC محتواي فركانس‌پايين سيگنال را هم خراب مي‌كند و سيگنال OOK‌ محتواي فركانس‌پايين قابل‌توجهي دارد از اين روش استفاده نمي‌كنيم.



مدولاسيون PPM (Pulse Position Modulation):

همانطور كه در بخش قبل با روابط رياضي ثابت كرديم و البته از لحاظ حسي هم واضح است، در مدولاسيون OOKهر چه عرض پالس را كمتر كنيم، براي دست يافتن به يك BER معين مجبوريم توان كمتري مصرف كنيم. از اين ايده استفاده كرده و به مدولاسيون PPM مي‌رسيم. در اين‌مدولاسيون هر پالسي به جاي آنكه يك بيت را انتقال دهد، يك كلمه را انتقال مي‌دهد و پر واضح است كه توان كمتري مصرف مي‌كنيم. در اين روش هر به L قسمت مساوي تقسيم مي‌شود كه هر يك از اين قسمتها ناميده مي‌شود. در هر ، فقط يك پالس با عرضي كمتر از فرستاده مي‌شود. حال بسته به اينكه اين پالس در كدام Slot از قرار مي‌گيرد، گيرنده مي‌فهمد كه چه بيتهايي ارسال شده است. مثلا براي L=4 اگر پالس در قسمت اول بيايد، معلوم مي‌شود كه 00 ارسال شده و اگر در قسمت دوم بيايد، يعني اينكه 01 ارسال شده و…. به اين ترتيب كه عدد باينري مربوط به كلمة مورد نظر يك شماره بين صفر و L-1 را مشخص مي‌كند كه به يكي از قطعات فريم آن كلمه اشاره مي‌كند. براي ارسال آن كلمه، در قطعه اشاره شده يك پالس مي‌فرستيم. مثل مدولاسيونOOK چنانچه عرض پالس برابر x باشد،آن مدولاسيون‌ راX-PulsePPM مي‌گويند و اگر تعداد قطعات L باشد،آنرا LPPM مي‌گوييم.در اينصورت در هر فريم بيت منتقل مي‌شود و نرخ ارسال بيت / خواهدبود.



فرمولهاي PPM (BER,PSD,BE) :

جهت مقايسه PPM و OOK نياز به فرمولهاي مشابه با OOK براي BER,PSD,BE داريم كه آنها را بدون اثبات بيان مي‌كنيم:





در يك گيرندة PPM هر يك از L قسمت يكبار از فيلتر I&D عبور داده مي‌شود، سپس خروجي اين فيلتر براي Slot هاي مختلف يك Frame با هم مقايسه مي‌شوند. بزرگترين خروجي جاي پالس را در PPM مشخص مي‌كند. به اين ترتيب بر خلاف مدولاسيون OOK در PPM ديگر نيازي به مقايسه با يك مقدار آستانه (Threshold ) وجود ندارد واين مزيت بزرگي است زيرا در OOK انتخاب مقدار آستانه بطور مستقيم روي BER تاثير مي‌گذاشت. توجه شود كه اگر در PPM خطايي در تشخيص محل پالس رخ دهد بيت اشتباه دريافت مي‌شود. بنابراين در اين حالت خطاي دريافت بيتها به صورت گروهي رخ مي‌دهد. در اين نوع مدولاسيون هر پالس ، بيت اطلاعات دارد در حاليكه در OOK فقط اطلاعات يك بيت را در بر دارد. با رجوع به فرمولهاي PPM و OOK مي‌بينيم كه در PPM مقدار BE همان مقدار BE در OOK است كه در يك ضريب ضرب شده است و چون اين ضريب كوچكتر از يك است، BE در PPM از OOK كمتر است. همچنين از مقايسة فرمولهاي BER مربوط به OOK وPPM مشخص است كه در يك نرخ ارسال يكسان، براي بدست آوردن يك BER يكسان LPPM به اندازة يك عامل توان كمتري نسبت به OOK نياز دارد. واضح است كه كم كردن پهناي پالس بازده توان را اصلاح مي‌كند، اما به همان نسبت بازده پهناي باند را هم كاهش مي‌دهد.معمولا بهتر است براي افزايش بازده توان بجاي كاهش پهناي پالس X))، L را زياد كنيم زيرا اين كار تاثير كمتري بر روي بازده پهناي باند دارد، البته افزايش L هم عمل سنكرون سازي را دشوارتر مي‌سازد. با مراجعه به فرمولها مشخص است كه در PPM بر خلاف OOK ، مقدار (f)S در فركانسهاي پايين صفر است (زيرا سطح DC اطلاعاتي در بر ندارد). بنابراين مي‌توان با فيلتر كردن از نويزها و اعوجاجهاي فركانسهاي پايين و از همه مهمتر اثر نور محيط ((Ambient light جلوگيري كرد. در PPM در هر پالسها مي‌تواند عرض كمتري از داشته باشند با اينكار در (f)S، ضربه‌هايي (Impulse) بوجود خواهند آمد و مي‌توان با يك PLL، سيگنال clock را از آنها استخراج كرد. با استخراج clock ابتداي هر Slot مشخص مي‌شود اما بايد ابتداي هر Frame را هم مشخص كنيم تا بدانيم هر پالس در كدام قسمت قرار دارد. به همين دليل در PPM به دو نوع سنكرون‌سازي نياز داريم: يكي سنكرون‌سازي Slot وديگري سنكرون‌سازي Frame در حاليكه در OOK فقط يك نوع سنكرون‌سازي لازم بود.



مدولاسيونهاي باند مياني (Band pass modulation ) :

در اين قسمت به چند نوع مدولاسيون باند مياني اشاره مي‌كنيم. مهمترين مزيت اين نوع مدولاسيونها امكان استفاده از آنها در سيستمهاي FDM است. (به اين صورت كه براي پيامهاي مختلف كه از منابع مختلف مي‌آيند، فركانسهاي مشخصي در نظر گرفته مي‌شود و همه پيامها مي‌توانند با هم ارسال شوند. سپس در گيرنده با فيلتر كردن جدا شوند ). مزيت ديگر اين نوع مدولاسيون اين‌است كه در سيستمهاي اپتيكي اثر نور محيط كه به صورت يك سطح DC ظاهر مي شود را براحتي مي‌توان با فيلتر كردن حذف كرد. از طرف ديگر براي ارسال باند مياني معمولا نياز به سيگنال سينوسي به نام حامل Carrier)) هست و اطلاعات به فركانس يا اندازه تبديل مي‌شود و برحامل سوار مي‌شوند و به كمك آن فرستاده مي‌شوند، اما سيگنالهاي نوري تك قطبي هستند و در نتيجه ناچار يك مقدار Offset ثابت به حامل افزوده مي‌شود كه هيچ اطلاعاتي در بر ندارد و باعث اتلاف توان مي‌شود. بنابراين در مدولاسيون باند مياني بازده توان از باند پايه كمتر است.در اينجا به دو نوع مدولاسيون باند مياني اشاره مي‌كنيم.



مدولاسيون PRK [24]

در اين نوع مدولاسيون يك سيگنال كه به روش OOK با پالسهاي NRZ[25] بدون سطح DC مدوله شده، در يك حامل مانند ضرب مي‌شود. در واقع در اينحالت بيتهاي صفر و يك به صورت دو سيگنال سينوسي هم فركانس كه فازشان راديان اختلاف فاز دارد ارسال مي‌شود، سپس براي آنكه تك قطبي شود يك سطح Offset به آن افزوده مي‌شود.

در مدولاسيون OOK داشتيم: .بنابراين براي پالسهاي NRZخواهيم‌ داشت:

.

واضح است كه پهناي باند لازم براي PRK دو برابر OOK است. بنابراين و همواره ثابت خواهد بود. در سيستم گيرندة PRK ابتدا مقدار DC سيگنال كه به علت نبودن اثر نور محيط مقدار كاملا مشخصي است را از سيگنال حذف مي‌كنيم، سپس با ضرب در سيگنال و فيلتر كردن سيگنال PRK را به OOK تبديل مي‌كنيم و بقيه مراحل گيرنده مانند OOK انجام مي‌شود.

سيگنال دريافتي در ورودي گيرنده بصورت زير است:


پس از حذف مقدار DC و ضرب به سيگنال زير مي‌رسيم:


پس از فيلتر كردن به y(t)=x(t)/2 مي‌رسيم كه يك سيگنال OOK است.

مشخص است كه در اينجا هم مشكل مقايسه با مقدار آستانه را داريم. كه البته بر خلاف OOK چون اثرنور محيط را نداريم،مقدارش هميشه ثابت است.همچنين در اين نوع مدولاسيون داريم :


مي‌بينيم به اندازه يك عامل توان بيشتري نسبت به OOK براي بدست آوردن يك BER يكسان بايد مصرف كنيم. يكي از مشكلات گيرنده اينست كه تابع كه در سيگنال دريافتي ضرب مي‌شود حتما بايد با سيگنال حامل هم‌فاز باشد كه اين خود باعث مي‌شود كه گيرنده ‍PPK علاوه بر سنكرون‌سازي بيت كه در OOK نيز انجام مي‌گيرد، نياز به يك نوع سنكرون‌سازي حامل هم داشته باشد و اين باعث مي‌شود پياده‌سازي گيرنده PRK از OOK پيچيده‌تر شود.

مدولاسيون FSK[26]:

در اين نوع مدولاسيون در هر يك سيگنال سينوسي با يك فركانس ارسال مي‌شود. هر فركانس، اطلاعات چند بيت را در بر دارد. به اين معنا كه مثلا اگر گيرنده فركانس را دريافت كند، نتيجه مي‌گيرد كه 00 ارسال شده و اگر را دريافت كند، نتيجه مي‌گيرد كه 01 ارسال شده و … .در واقع مانند PPM است با اين تفاوت كه به‌جاي زمان از فركانس استفاده مي‌شود. نكته‌اي كه بايد به آن توجه داشت، اينست كه اين سيگنالها بايد دو به دو بر هم عمود باشند. علت اينست كه اينكار باعث‌ مي‌شود ساختن گيرنده ساده‌تر شود. در واقع اگر اين شرط را رعايت كنيم، مي‌توانيم در گيرنده در هر سيگنال دريافتي را در و و …ضرب كنيم. سپس از هر يك از اين حاصل ضربها انتگرال بگيريم. چون فركانسها دو به دو متعامدند، فقط حاصل يك انتگرال غير صفر مي‌شود و در نتيجه مي‌توان با مقايسه آنها و انتخاب بزرگترين آنها كلمه مربوطه را انتخاب كرد. اگر سيگنال به صورت زير مدوله شود:

0< t <

كه در آن i يك عدد صحيح است. بين هاي مجاور هم تغيير فاز نخواهيم داشت كه به اين روش CPFSK[27] مي‌گويند. اين كار باعث مي‌شود كه سيگنال مدوله شده نهايي ناپيوستگي نداشته باشد. و در نتيجه پهناي باند كمتري اشغال شود. روابط بهره پهناي باند و BER براي FSK به قرار زير هستند:



مي‌بينيم كه FSK نسبت به PPM براي بدست آوردن يك BER يكسان به اندازه يك عامل و نسبت به OOK به اندازه يك عامل توان بيشتري نياز دارد. پياده‌سازي FSK نسبتا پيچيده است. زيرا به چندين اسيلاتور نياز دارد كه با فركانسهاي مختلف اما به طور سنكرون نوسان كنند. به اين ترتيب اين نوع مدولاسيون به سنكرون سازي فاز هم نياز دارد.



































3) آشكارساز نوري :

آشكارساز نوري ابزاري است كه نور دريافتي را به سيگنال الكتريكي تبديل مي‌كند و به اين ترتيب مي‌توان با اندازه‌گيري سيگنال الكتريكي معياري از شدت و تمركز نور دريافتي بدست آورد. آشكارسازها كاربرد‌هاي زيادي دارند. بسته به اين كاربردها مشخصات آشكارساز نوري از قبيل سرعت پاسخ‌دهي، حساسيت و طول‌موج دريافتي تعيين و سپس آشكارساز نوري مناسب انتخاب مي‌شود. در مورد يك گيرنده نوري اگر شدت نور دريافتي به صورت پالسهايي تغيير كند، سيگنال الكتريكي ايجاد شده نيز بصورت پالسهايي توليد مي‌شود و مي‌توان به اين ترتيب اطلاعات را انتقال داد. در وهله اول خصوصيات زير براي يك آشكارسازمطلوبند:

1. پاسخ نسبتا قوي (دامنه سيگنال بزرگ) در يك طول موج مشخص

2. كم بودن نويز

3. سرعت پاسخ‌دهي به اندازة كا‌في خوب.


پاسخ‌دهي (Responsivity) :
معياري از حساسيت آشكارساز است در واقع براي يك آشكارساز كه نور را به جريان تبديل مي‌كند نسبت جريان خروجي (مقدارrms) از آشكارساز به توان نوري است كه در اثر برخورد به آشكارساز اين جريان را ايجاد كرده است. پاسخدهي تابعي است از طول موج نورتابشي، ولتاژ باياس آشكارسازنوري، دما و …


كه توان نور ورودي بر حسب وات و E توان نور بر حسب است.

معمولا مهمترين معيار عملكرد يك آشكارساز پاسخ دهي است و مسالة نويز خيلي مهم نيست زيرا دامنة آن در مقايسه با سيگنال الكتريكي ايجاد شده كم است اما در بعضي مواقع مثل استفاده از فيبرهاي نوري كه نور ارسالي پس از عبور از كيلومترها به اندازه‌اي نسبتا زياد تضعيف شده، مسالة نويز مهم مي‌شود. به اين منظور كميتي تعريف مي‌شود به نام NEP[28] كه برابر است با مقدار توان تابشي كه ولتاژي به اندازه ولتاژ نويز توليد مي‌كند. بنابراين اگر NEP برابر يك باشد، نسبت سيگنال به نويز (SNR) برابر يك خواهد بود. (علاوه بر اين مي‌توان براي كل يك سيستم هم چيزي شبيه به NEP تعريف كرد و آن را باNEI نشان داد) .



ضريب آشكار سازي (Detectivity) :

اين كميت به صورت Detectivity=1/NEP تعريف مي‌شود و طبعا هر چه بزرگتر باشد بهتر است. اين كميت به عواملي همچون سطح آشكارساز، پهناي باند سيستم اندازه‌گيري D، ولتاژ باياس، طول موج و…بستگي دارد. براي آنكه خواص ذاتي فوتوديودها را مقايسه كنيم بايد كميت ديگري را طوري تعريف كنيم كه برخلاف D به سطح و پهناي‌باند وابسته نباشد. اين كميت به صورت زير تعريف مي‌شود:


كه در آن بر حسب و A سطح آشكارساز و B پهناي باند سيستم است. به اين ترتيب معياري از خواص ذاتي نيمه‌هادي آشكارساز خواهد بود.



بازده كوانتومي (Quantom efficiency) :

نسبت زوجهاي الكترون و حفره ايجاد شده در نيمه‌هادي به تعداد فوتونهاي نور تابشي است و با نشان داده مي‌شود. با توجه به آنچه كه تاكنون بيان شده مي‌توان نتيجه گرفت كه برابر است با حاصل ضرب R در انرژي فوتون .زيرا حاصل ضرب تعداد فوتونها در انرژي هر فوتون كل توان نور تابشي و تعداد الكترونها و حفره‌هاي ايجاد شده در واحد زمان كل جريان آشكارساز است. مي‌توان نوشت :


و در نهايت به رابطه زير مي‌رسيم:


در اين روابط ‍ توان نور برخوردي به سطح آشكار ساز، q بار الكترون، h ثابت پلانك، f فركانس موج دريافتي و طول موج نور مي‌باشند وهمچنين در اين روابط طول موج بر حسب آنگستروم است.

اگر فرض كنيم كه هر فوتون در حالت ايده‌آل يك EHP [29] توليد مي‌كند برابر 100 مي‌شود. اما در عمل به علت اتلافهايي كه رخ مي‌دهد، كمتر از 100 مي‌شود. در اينجا لازم است متذكر شويم كه به طور كلي دو نوع آشكارساز وجود دارد. يك نوع آشكارساز PIN است كه فيزيك آن توضيح داده خواهد شد و نوع ديگر آشكارساز APD [30]است. در APD مكانيزم آشكارسازي به گونه‌اي است كه هر فوتون پس از برخورد به آشكارساز چندين EHP ايجاد مي‌كند در نتيجه در APD يك بهره(gain) وجود دارد و بازده كوانتمي از 100 بزرگتر است.

در آشكارسازها، پاسخدهي به شدت به طول موج حساس است. اما نسبت به شدت نور حساسيت كمي دارد. به اين ترتيب مي‌توان فرض كرد در مقاديري از توان نور كه معمولا از آشكارساز استفاده مي‌شود، با تغيير شدت نور در يك طول موج بخصوص R ثابت باقي مي‌ماند. به بيان ديگر يك رابطه خطي به صورت I=RP برقرار است. اما به هر حال طبيعي است كه اگر توان نور تابشي از حدي بيشتر شود، آشكارساز اشباع شود و رابطه از حالت خطي خارج شود. به عنوان مثال ناحيه كار خطي يك آشكارساز به ناحيه‌اي گفته مي‌شود كه ماكزيمم انحراف از حالت خطي در يك گستره تا كمتر از 5 . باشد.

به اين ترتيب يك مقدار ماكزيمم توان براي آشكارساز تعريف مي‌شود كه فقط وقتي توان ورودي به صورت پالسهايي با عرض كم باشد، اين توان مي‌تواند از مقدار ماكزيمم بيشتر شود. در اين حالت اثر غير خطي بروز نمي‌كند و به آشكارساز هم آسيب نمي‌رسد.

كميت ديگري كه براي آشكارساز مهم است، حداكثر فركانسي است كه مي‌توان از آشكارساز استفاده كرد. اين فركانس را rise time(tr) و fall time(tf) مشخص مي‌كنند. آنچه كه اين دو پارامتر را تعيين مي‌كند عبارتست از:زمان عبور حاملها در طول نيمه‌هادي و خازن پيوند PIN اين زمان به امپدانس متصل به آشكارساز نيز بستگي دارد. هر چه اين امپدانس بيشتر باشد سيگنال دريافتي از آشكارساز مطابق شكل (1-3) بيشتر تقويت مي‌شود و در عوض ثابت زماني افزايش مي‌يابد.





شكل(1-3):طريقه استفاده از آشكار ساز نوري



در آشكارسازها مي‌توان با تغيير دادن ولتاژ باياس، خازن داخلي را تغيير داد (در واقع خازن داخلي با عكس جذر ولتاژ باياس متناسب است. به عنوان چند مقدار typical در 10 ولت مقدار خازن pf 12و در 90 ولت مقدار آن حدود pf4 است).



فيزيك PIN :

اين آشكارساز در واقع يك ديود است كه بر خلاف ديودهاي معمولي كه از دو ناحيه P و Nتشكيل شده‌اند، از سه ناحيه P و I و N تشكيل شده است منظور از ناحيهI يك ناحيه از نيمه‌هادي با دوپينگ كم و تقريبا خالص intrinsic)) است كه باعث افزايش عرض ناحيه تخليه (depletion_region) مي‌گردد.


شكل (2-3):ترازهاي انرژي در PIN



هنگامي كه يك موج الكترمغناطيس به آشكارساز برخورد مي‌كند اگر طول موج نور طوري باشد كه انرژي فوتون به اندازه فاصله ترازهاي انرژي هدايت و ظرفيت باشد، يك الكترون از باند ظرفيت به باند هدايت منتقل مي‌شود. در نتيجه يك EHP ايجاد مي‌شود.


شكل (3-3):ايجاد الكترون-حفره بر اثر برخورد فوتونها



سپس الكترونهاي نوار هدايت و حفره‌هاي نوار ظرفيت مي‌توانند آزادانه تحت تاثير يك ميدان الكتريكي حركت كنند و در نتيجه يك جريان الكتريكي توليد كنند. به عبارت ديگر اگر PIN تحت تاثير يك اختلاف پتانسيل قرار گيرد و با امواج الكترومغناطيس تحريك شود، يك جريان الكتريكي در آن توليد مي‌شود.

يك ديود PIN را در نظر بگيريد . انرژي نور تابشي به ديود به 4 قسمت تقسيم مي‌شود:

1. انعكاس از سطح جلويي

2. انتقال بدون جذب از داخل آشكارساز

3. جذب از طريق برخوردهاي يونيزه كننده در ناحيه تخليه

4. جذب در ساير نواحي و از طريق ساير وسايل


شكل (4-3):ناحيه تخليه



كه فقط قسمت 3 مفيد است و بقيه تلف مي‌شوند. هنگام برخورد فوتونها به حد فاصل دو محيط مقداري از انرژي به محيط اول منعكس مي‌شود. در برخي موارد مرز جدايي دو محيط به علت بي‌نظميهاي تصادفي يا عيبهاي موجود در محيط غيريكنواخت است. در چنين مواردي انرژي انعكاس يافته تلف مي‌شود. همين پديده منجر به انعكاس از سطح جلويي مي‌شود. اگر ضريب انعكاس را بناميم، توان نوري كه از از سطح جلويي و داخل آشكارساز عبور مي‌كند، خواهد بود. نور از سمت چپ مطابق شكل (4-3)وارد ديود مي‌شودو پس از طي مسافت به ناحيه آشكارسازي intrinsic)) مي‌رسد. نور هنگام عبور از اين ناحيه جذب مي‌شود. اگر ضريب تضعيف در ناحيه را بناميم، توان نور در x= برابر خواهد بود. چون ميدان الكتريكي در ناحيه ضعيف است، الكترون و حفره‌هاي ايجاد شده در اين ناحيه بدون آنكه به حركت در بيايند، دوباره با هم بازتركيب مي‌شوند. تواني كه به ناحيه تخليه مي‌رسد، وارد ناحيه جذب مفيد مي‌شود. در اينجا الكترون و حفره‌هاي ايجاد شده، به علت وجود ميدان الكتريكي قوي در ناحيه تخليه به حركت در مي‌آيند و يك جريان الكتريكي ايجاد مي‌كنند. اگر عرض ناحيه تخليه باشد، تواني به اندازه وارد ناحيه مي‌شود كه ديگر مفيد نخواهد بود (در اين رابطه ضريب تضعيف در ناحيه است)‌ . پس توان جذب شده در ناحيه برابر خواهد بود با:


از همين‌جا مشخص است كه علت آنكه عرض ناحيه تخليه را با افزودن ناحيه خالص زياد مي‌كنند، اينست كه جذب مفيد در اين ناحيه افزايش يابد. همچنين واضح است كه هرچه كمتر شود، توان كمتري در ناحيه N جذب مي‌شود و در نتيجه توان بيشتري مي‌تواند به ناحيه برسد. براي آنكه فوتونها بتوانند الكترونها را از نوار ظرفيت به هدايت بياورند، لازم است كه مطابق شكل (3-3) انرژي آنها از Eg بيشتر باشد.


با توجه به اين رابطه مشخص است كه اگر از مقدار بزرگتر باشد، عمل جذب صورت نمي‌گيرد و ضريب . صفر است. ضريب جذب در بالاي آستانه به سرعت افزايش مي‌يابد.

معمولا آشكارساز را مي‌توان به صورت يك منبع جريان در حالت سيگنال كوچك (AC) مدل كرد. زيرا اگر به مشخصه جريان ولتاژ آن در نمودار (1-3) توجه‌كنيم، مي‌بينيم كه در حالت باياس معكوس كه در اين نمودار در ربع سوم محور مختصات قرار داريم، تغيرات جريان با تغيير ولتاژ ناچيز است. اما بسته به توان نور ورودي روي منحنيهاي مختلف حركت مي‌كنيم و جريانهاي مختلف ايجاد مي‌شود.

نمودار (1-3): مشخصه V-I در آشكارساز PIN











البته در يك مدل كامل بايد اثرات غير ايده‌آل آن را كه اثرات خازني و مقاومتي است را هم در نظر بگيريم. مقدار مقاومت را مي‌توان ازمعكوس كردن شيب منحني I-V در نمودار (1-3) بدست آورد همانطور كه ديده مي‌شود اين شيب بسيار كم است و در نتيجه مقدار مقاومت بسيار زياد مي‌شود در واقع در اكثر مواقع مقدار مقاوت را اين شيب تعيين نمي‌كند بلكه مقاوتهاي نشتي مقدار مقاومت را تعيين مي‌كند. در اين حالت هم مقدار مقاومت آنقدر زياد است كه مي‌توان از آن صرف نظر كرد. مقدار خازن را هم مي‌توان از رابطه بدست آورد. طبق اصل بقاي بار، ميزان بار در ناحيه با مجموع بار ناحيه و I برابر است. مي‌توان آشكارساز را مانند شكل (5-3) به صورت يك خازن با صفحات موازي تصور كرد. با اينكار چند تقريب زده‌ايم. يكي اينكه از بار موجود در ناحيه I صرف نظر كرده‌ايم و بار ناحيه را با بار ناحيه برابر فرض كرده‌ايم. ديگر اينكه عرض ناحيه تخليه را برابر با عرض ناحيه I فرض كرده ايم. حال مي توان مقدار خازن را از رابطه بدست آورد كه A سطح مقطع نيمه‌هادي است و عرض ناحيه I است. ثابت مي‌شود كه در حالت كلي مقدار خازن از رابطه بدست مي‌آيد كه در آن و k توابعي از ابعاد و چگالي حاملها و m عددي در محدوده 33/ .تا 3 است.


شكل(5-3) :محاسبه تقريبي خازن داخلي ‍PIN



همانطور كه گفته شد، چون مقاومت (در مقايسه با Rl) در شكل (1-3) كوچك است، فقط خازن و منبع جريان را در نظر مي‌گيريم. در نتيجه مدل سيگنال كوچك تقويت كننده شكل (1-3) به صورت زير مي‌شود:




شكل (6-3):مدل سيگنال كوچك ‍PIN



در پايان بايد به اين نكته توجه داشت كه در شكل (1-3) بايد )) ولتاژ باياس آنقدر زياد باشد كه چنانچه نور زمينه به اندازه‌اي زياد شود، مقدار (I جريان ناشي از سيگنال دريافتي و نور محيط است ) از ولتاژ باياس بيشتر نشود زيرا در اين صورت آشكارساز از حالت باياس معكوس خارج مي‌شود.



مقايسه APD و PIN :

همانطور كه قبلا گفته شد ، دو نوع آشكارساز وجود دارد:

1. PIN 2. APD

مزيت اصلي APD اينست كه نسبت جريان ايجاد شده به توان تابشي در آن بيشتر است و در واقع پاسخدهي در بهره‌اي(Gain) ضرب مي‌شود و به همين دليل اثر Shot noise در آن كمتر است اما در عوض در قياس با PIN معايبي هم دارد كه عبارت هستند از:

1.گران‌تر است.

2.جريان تاريكي(Dark current) در آن بيشتر است.

3.به ولتاژ باياس بيشتري نياز دارد و در نتيجه توان مصرفي در آن بيشتر است.

4.بهره آن به دما وابسته است.

معمولا به علت مشكلاتي كه APD دارد در مواردي كه حساسيت مدار متصل به آشكارساز آنقدر زياد است كه جريان خروجي از PIN براي آن كفايت مي‌كند‌‌، از APD استفاده نمي‌شود.







































































4) مثال طراحي يك فرستنده و گيرنده نوري:

تعريف پروژه: طراحي يك فرستنده و گيرنده نوري با مدولاسيون و نرخ ارسال بيت برابر 250 kb/s در فاصله دو متري فرستنده و گيرنده.



فرضيات وابزار استفاده شده:

1.LED و آشكارساز نوري استفاده شده بگونه‌اي هستند كه دامنه سيگنال دريافتي در گيرنده مي‌باشد.

2.تقويت كننده‌هاي عملياتي (OP-AMP) استفاده شده همگي LM218 هستند كه داراي پهناي باند با بهره واحد [31] برابر 3 MHZ مي‌باشند و همه مقايسه كننده‌هاي استفاده شده LM3302 هستند.

3.از آي‌سي VCO [32] به شماره 74HC4046 كه يك آي‌سي PLL [33] است و مي‌توان به بلوك VCO آن جداگانه دسترسي پيدا كرد استفاده مي‌شود.



فرستنده :

در اين فرستنده براي ارسال سيگنالهاي نوري از LED استفاده كرده‌ايم كه مي‌تواند جريان 100mA را تحمل كند و در اين جريان توان 24mW را ارسال كند. مدار فرستنده در شكل (1-4) آمده است.در اين مدار Driver مربوطه بايد جريان 100mA را هنگام ارسال بيت” يك “براي LED فراهم كند. اگر باشد، مي‌توانيم از يك ترانزيستور قدرت با به عنوان Driver استفاده كنيم. مدولاتور 0.5_OOK هم بسيار ساده است. كافي است كه سيگنال data را با يك clock(50%) در فرستنده كه با data سنكرون است، AND كنيم. فرض مي‌كنيم كه براي گيت AND، باشد. در اين صورت خواهيم داشت:


اگر باشد، در اين صورت داريم:

در طراحي فرستنده مقدار R را برابر انتخاب مي‌كنيم.



گيرنده :

بلوك دياگرام مدار گيرنده در شكل (2-4) آمده است.

شكل(2-4): بلوك دياگرام مدار گيرنده.



حال به توضيح بلوكهاي مختلف و طراحي آنها مي‌پردازيم:



طراحي تقويت كننده:

چون سيگنال OOK باند پايه است از تقويت كننده با تزويج مستقيم استفاده مي‌كنيم و چون مدولاسيون 0.5-OOK با نرخ ارسال بيت 250 kb/s است، بنابراين پهناي باند موثر سيگنال دريافتي، 500 KHz مي‌باشد كه در بخش طراحي تقويت كننده و فيلتر بايد مورد توجه قرار گيرد( بالاي تقويت كننده را 500 KHz در نظر خواهيم گرفت.)همچنين فرض كرديم دامنه سيگنال دريافتي است به همين خاطر بايد آن را به سطح قابل قبولي كه قابل تشخيص براي بلوكهاي مختلف باشد برسانيم، از طرف ديگر هر چه سطح سيگنال دريافتي بالاتر باشد حساسيت نسبت به ولتاژ آستانه كمتر مي‌شود. بنابراين تا آنجا كه امكان دارد، بايد از تقويت كننده با بهره بيشتر استفاده نماييم. ولي همانگونه كه مي‌دانيم هميشه مصالحه‌اي بين بهره و پهناي باند در تقويت‌ كننده‌ها وجود دارد. يكي ديگر از ويژگيهاي، بخصوص تقويت كننده‌هاي طبقه اول مدار گيرنده، آن است كه بايد تا جاي ممكن low_noise باشند. چون آشكارساز، جريان توليد مي‌كند پس ورودي تقويت كننده جريان بوده و خروجي آن ولتاژ مي‌باشد. از طرح شكل (3-4-الف) جهت مدار تقويت كنننده استفاده مي‌شود.

در مدار شكل (3-4-ب) منبع جريان و خازن مدل آشكارساز نوري هستند و از مقاومت داخلي آن صرفنظر كرده‌ايم.



محاسبات مربوط به تقويت كننده:






در روابط بالا OP-AMP را بصورت تك قطب با و بهره DC برابر در نظر مي‌گيريم. خازن جهت پايدار ساختن تقويت كننده مورد استفاده قرار گرفته است. در واقع هر چقدر كوچكتر باشد، بزرگتر مي‌گرددو هر چه بزرگتر باشد قطب‌هاي تابع شبكه به محور موهومي نزديكتر مي‌گردند و تقويت كننده به ناپايداري نزديكتر مي‌شود، در واقع معياري از ميزان پيك در اندازه تابع شبكه مي‌باشد. براي داشتن يك پاسخ مناسب، را برابر 0.5 اختيار مي‌كنيم و مي‌خواهيم باشد. با توجه به اين محاسبات و را محاسبه مي‌كنيم:




بنابراين تقويت‌كننده حاصل داراي بهره DC برابر 21721 و پهناي باند بالاي 500KHz مي‌باشد. بهره تقويت كننده منفي است و جهت مثبت كردن آن از يك طبقه تقويت كننده وارونگر [34]استفاده مي‌كنيم. چون OP_AMP استفاده شده داراي پهناي باند با بهره واحد 3 MHz مي‌باشد پس بيشترين بهره‌اي كه از اين تقويت كننده مي‌توانيم بگيريم تا آن 500KHz شود برابر 6 مي‌باشد اگر مقاومت ورودي طبقه دوم را در نظر بگيريم در اين صورت مقاومت فيدبك طبقه وارونگر خواهد شد. پس بلوك تقويت كننده بصورت شكل (4-4) كامل مي‌شود.



طراحي فيلتر:

براي حذف كردن نويز از يك فيلتر پايين‌گذر قبل از انتگرال‌گير استفاده مي‌شود. اين فيلترنبايد به سيگنال دريافتي از آشكارساز نوري كه به صورت پالسهاي مربعي هستند، آسيب بزند. همانطور كه گفته شد براي پالسهاي RZ با x=0.5 اگر نرخ ارسال باشد، پهناي باند لازم موثر سيگنال، برابر است. پس اگر نرخ ارسال باشد، يك فيلتر پايين‌گذر با پهناي باند احتياج خواهيم داشت. از ميان فيلترهاي مختلف، فيلتر بسل را انتخاب مي‌كنيم. علت اينست كه اين نوع فيلتر اگرچه شيب چندان زيادي ندارد و در نتيجه نسبت به ساير مرتبه‌ها نويز را بيشتر عبور مي‌دهد (چون شيب كمتري دارد) ، اما تغييرات فاز نسبت به فركانس در آن نسبتا خطي است كه باعث مي‌شود اعوجاج پالسها پس از عبور از اين فيلتر كم باشد. چون دامنه سيگنال ورودي به فيلتر كم است‌، كم بودن اعوجاج اهميت پيدا مي‌كند.

اگر از يك فيلتر بسل با درجه n=4، كه طرح آن در شكل (5-4) آمده است، استفاده كنيم، مقادير نرماليزه از جداول مربوطه به صورت زير بدست مي‌آيد:




نرماليزه بودن به اين معنا است كه پهناي باند فيلتري با مقادير فوق 1 Hz است. اگر پهناي باند H(s) برابر با 1 Hz باشد،پهناي باند برابر خواهد بود. از طرف ديگر جهت كم كردن اعوجاج ناشي از فيلتر فيلتر رابرابر 1MHz انتخاب مي‌كنيم.

با توجه به اين مطالب براي آنكه پهناي باند فيلتر نرماليزه فوق را به 1MHz انتقال دهيم بايد H(s) را به H(s/1000000) تبديل كنيم. اينكار معادل است با اينكه مقدار سلفها و خازنها را به صورت زير تغيير دهيم:


براي آنكه مقادير مقاومتها عملي شود، مي‌توانيم امپدانس تمام شاخه‌ها را در 100 ضرب كنيم. اين كار هيچ تاثيري روي تابع تبديل فيلتر (H(s)) ندارد. با اينكار ظرفيت خازنها بر 100 تقسيم مي‌شوند و مقدارسلفها در 100 ضرب مي‌شود.

اگر تبديلهاي فوق را انجام دهيم به مقادير زير مي‌رسيم:




انتگرال گير و مقايسه كننده:

همانگونه كه قبلا گفته شد براي بالا بردن توانايي تشخيص گيرنده در حضور نويز از يك فيلتر منطبق استفاده مي‌شود كه مقدار متوسط سيگنال را در طول محاسبه نموده و آن را با يك مقدار آستانه مقايسه كند. اگر چنانچه مدار حذف كننده مقدار DC ( در بخش مدولاسيون OOK راجع به اين مدار توضيح داده شده است (شكل (2-2)) ) را در طبقه ورودي اضافه كرده باشيم در اين صورت موقع دريافت بيت”يك“، خروجي انتگرال گير مثبت بوده و موقع دريافت بيت”صفر“، خروجي انتگرال گير منفي خواهد بود، پس در اين حالت مقدار آستانه را صفر انتخاب مي‌كنيم. اگر چنانچه مدار حذف كننده DC را در طبقه ورودي قرار ندهيم سيگنال سوار بر يك مقدار DC تقويت و فيلتر شده و به بلوك انتگرال گير مي‌رسد و پس از گرفتن مقدار متوسط مقدار DC در آن باقي مي‌ماند بنابراين ايده ديگر آن است كه از خروجي فيلتر مستقيما نمونه گرفته و توسط يك LPF تيز و باريك حول فركانس صفر DC سيگنال را جدا كنيم و خروجي آن را به عنوان مقدار آستانه به مقايسه كننده اعمال كنيم. اين روش پيچيدگي كمتري دارد زيرا ديگر بلوكهاي signal_conditionig و منبع جريان كنترل شده با ولتاژ (رجوع شود به شكل (2-2) ) را نياز ندارد. مشكل اين روش آن است كه ممكن است مقدار DC سوار شده بر سيگنال آنقدر زياد باشد كه بلوك تقويت كننده را اشباع كند در اين صورت نمي توانيم از ايده دوم استفاده كنيم. ولي در مورد ايده اول چون DC سيگنال حذف مي‌گردد، ديگر اين مشكل را نداريم. در يك جمع بندي كلي بايد بگوييم:

1.اگر چنانچه مقدار DC سيگنال موجب اشباع تقويت كننده نشود پس از تقويت سيگنال، مقدار DC سيگنال را استخراج كرده و به عنوان مقدار آستانه به مقايسه كننده اعمال مي‌كنيم.

2.اگر چنانچه DC سيگنال تقويت كننده را اشباع كند مي‌توان از ايده مدار فيدبك حذف كننده DC در ورودي مدار استفاده كرد.

حال به طراحي بلوك انتگرال گير مي‌پردازيم‌ و فرض مي‌كنيم DC سيگنال قدرت اشباع تقويت كننده را نداشته باشد. مدار انتگرال گير و مقايسه كننده و به دنبال آن S&H در شكل (6-4) آمده است.

در مدار شكل (6-4) ، سيگنال Sync انتگرال‌گير از تاخير يافته بدست آمده است، براي Reset كردن انتگرال گير از يك FET (P_chanel_enhancement) به عنوان سوئيچ استفاده مي‌شود. پس وقتي سيگنال Sync برابر 0 ولت باشد كانال وجود دارد و سوئيچ بسته است و انتگرال گير Reset مي‌شود، در غير اينصورت كانال وجود ندارد و سوئيچ باز است و انتگرال گير فعال بوده و از سيگنال ورودي انتگرال مي‌گيرد. طبقه دوم كه يك معكوس كننده است جهت مثبت كردن سيگنال تعبيه شده است. مقاومت‌هاي و در پايانه‌ مثبت OP AMP ها جهت حذف Offset جريان قرار داده شده‌اند. براي تعيين R و انتگرال گير مقاومت ورودي انتگرال گير را انتخاب مي‌كنيم و چون قرار است انتگرال‌گير مقدار متوسط بگيرد ثابت زماني انتگرال‌گير را برابر مدت زمان انتگرال‌گيري انتخاب مي‌كنيم.





جهت نمونه برداري از حاصل انتگرال گيري پس از مقايسه كننده از يك D-flip flop كه پالس ساعت آن سيگنال است استفاده مي شود توضيح آنكه اين فليپ فلاپ نقش بلوك S&H را دارد. همانطور كه قبلا گفتيم سيگنال Sync انتگرال‌گير نسبت به اندكي تاخير دارد اين به آن دليل است كه قبل از آنكه انتگرال گير Reset شود مقدار آن نمونه برداري گردد.

سنكرون سازي (Clock Recovery) :

همانگونه كه در بخشهاي قبلي ديديم جهت منظم نمودن فرمانهاي سيستم نياز به سيگنالهايي نظير Sync داريم.اين سيگنالها بايد با پيام ارسالي سنكرون باشند به همين منظور در اين قسمت سعي داريم تا سيستمي طراحي كنيم كه از سيگنال پيام ارسالي، يك كلاك سنكرون با آن بسازد. در اين راستا از يك مدار PLL استفاده مي‌كنيم. بطور كلي كاري كه يك PLL انجام مي‌دهد آن است كه مدام يك سيگنال كلاك را با سيگنال پيام رسيده به آن مقايسه مي‌كند، چنانچه اختلاف فازي در سيگنال كلاك نسبت به پيام باشد آن را سريعا تصحيح مي‌كند. بلوك دياگرام PLL استفاده شده در سيستم در شكل (7-4) آمده است.

شكل(7-4): بلوك دياگرام PLL

حال به توضيح بلوك دياگرام PLL مي‌پردازيم:



1. آشكار ساز سطح (level slicer) و monostable :

در صورتي كه ورودي آشكارساز سطح از يك آستانه معين DC بيشتر شود خروجي آن ‌”يك‌“ منطقي مي‌گردد و در غير اينصورت در” صفر “مي‌ماند. (تحقق آن خيلي ساده توسط يك مقايسه كننده انجام مي‌شود) پس از آن خروجي مقايسه كننده به ورودي با تحريك لبه بالا رونده يك monostable كه ثابت زماني آن ( ) است مي‌رود. بنابراين در صورت ارسال بيت يك، در خروجي monostable يك پالس با عرض ظاهر مي‌شود.

2. مقايسه كننده فاز :

اين بلوك از پالس توليد شده توسط monostable استفاده كرده و آن را با سيگنال كلاك خارج شده از VCO مقايسه مي‌كند و در صورتي كه اختلاف فازي بين آن دو وجود داشته باشد ولتاژ خروجي خود را تغيير مي‌دهد منظور از اختلاف فاز در PLL آن است كه لبه بالا رونده كلاك در وسط پالس توليد شده توسط monostable نباشد و در صورتي كه لبه بالا رونده كلاك خروجي از VCO در وسط پالس باشد هيچ تغييري در خروجي مقايسه كننده فاز ايجاد نخواهد شد. براي تحقق اين بلوك به صورت زير عمل مي‌كنيم:

اگر Q و C بترتيب خروجي‌هاي monostable و VCO باشند، توسط دو گيت AND سيگنال‌هاي و را مي‌سازيم، اين سيگنال‌ها بترتيب سوئيچ‌هايي را كنترل مي‌كنند كه و را به ورودي يك انتگرال‌گير سوئيچ مي‌كنند. خروجي انتگرال‌گير همان ولتاژ خروجي مقايسه كننده است كه معياري از اختلاف فاز بين كلاك خروجي VCO و سيگنال خروجي monostable است.بسادگي مي‌توان تحقيق كرد كه مدار PLL با اين نحوه اتصال داراي دو وضعيت تعادل است كه يكي پايدار و ديگري ناپايدار مي‌باشد. تعادل پايدار مدار PLL وقتي است كه لبه بالا رونده كلاك خروجي VCO، وسط پالس توليد شده در خروجي monostable باشد و وضعيت تعادل ناپايدار وقتي است كه لبه پايين رونده كلاك وسط پالس باشد.

3. بلوك VCO (Voltage Controlled Oscilator) :

نوسان كننده‌‌اي است كه پالس ساعتي با Duty cycle برابر 50% توليد مي‌كند. فركانس مركزي آن ثابت بوده و فاز آن توسط يك سيگنال ورودي كنترل مي‌شود. آي‌سي 74HC4046 يك آي‌سي ‍PLL مي‌باشد كه قسمت مقايسه كننده فاز آن شامل سه نوع مقايسه است و از هر يك از آنها جهت سنكرون‌سازي‌هاي‌ مختلفي مي‌توان استفاده كرد (براي توضيحات بيشتر به Data Sheet آي سي مراجعه شود.) ما در سيستم خود فقط از قسمت VCO آن استفاده مي‌كنيم، در واقع پايه‌هاي VCO اين آي‌سي بطور كامل در خارج آي‌سي تعبيه شده است بطوريكه مي‌توان از VCO آن استفاده نمود. فركانس مركزي VCO در اين آي‌سي توسط يك مقاومت و خازن در خروجي آن تنظيم مي‌شود.

همانطور كه قبلا گفتيم فاز سيگنال كلاك VCO با ولتاژ ورودي آن كنترل مي‌شود در واقع يك پايانه كنترل فاز دارد كه اگر ولتاژ به آن اعمال شود در خروجي يك سيگنال كلاك با فاز خواهيم داشت ، اگر چنانچه به پايانه كنترل فاز آن ولتاژ اعمال شود در خروجي آن يك سيگنال كلاك با فاز خواهيم داشت كه متناسب با مي‌باشد. VCO زماني به تعادل مي‌رسد كه هيچ اختلاف ولتاژي در پايانه ورودي كنترل فاز آن نباشد.

4. بلوك Signal Conditioning و S&H :

اگر به Datasheet آي‌سي 74HC4046 مراجعه كنيم، مي‌بينيم كه محدوده ولتاژ ورودي كنترل فاز است ( به شرط آنكه تغذيه آي‌سي +5V باشد ) بنابراين بايد خروجي بلوك مقايسه كننده فاز را بنحوي تغيير دهيم كه در محدوده قابل قبول ورودي VCO قرار گيرد. بلوك Signal_Conditioning جهت اين كار تعبيه شده است. محاسبات زير نحوه انجام اين كار را نشان مي‌دهد(در اين محاسبات خروجي انتگرال گير و ورودي كنترل فاز VCO را نشان مي‌دهند) .


كه در آن مدت زمان ارسال يك بيت است. ( )

حال براي اينكه خروجي انتگرال گير در محدوده قرار گيرد آن را با جمع مي‌كنيم. به اين ترتيب بلوك Signal Conditioning يك جمع كننده ساده است.

براي آنكه بلوك VCO تغييرات لحظه‌اي خروجي انتگرال‌گير را، كه با گذر پالس monostable ايجاد مي‌شود، نبيند و فقط مقدار نهايي آن را كه معيار اختلاف فاز است، در نظر بگيرد از بلوك S&H استفاده كرده‌ايم. براي تحقق S&H مي‌توان از يك سوئيچ، كه توسط سيگنال ناشي از monostable كنترل مي‌شود و يك خازن كه مقدار ولتاژ ورودي VCO را در خود نگه‌مي‌دارد، استفاده كرد. چون امپدانس ورودي VCO خيلي بزرگ است و تقريبا جرياني نمي‌كشد پس مي‌توانيم خازن را مستقيما به VCO وصل كنيم. مدار شكل (8-4) تحقق بلوك PLL را بطور كامل نشان مي‌دهد.

توجه:

هنگام طراحي مدار PLL و استفاده از بلوك VCO متوجه شديم كه مي‌توان بسادگي يك VCO را بصورت Discrete طراحي كرد. مدار شكل (9-4) اين ايده را نشان مي‌دهد. در توضيح مدار به نكاتي اشاره مي‌كنيم:latch از نوع SR هيچوقت به وضعيت غير مجاز (هر دو ورودي يك منطقي) وارد نمي‌شود، به اين ترتيب كه اگر مقدار انتگرال‌گير بين و باشد هر دو ورودي S و R ”صفر“منطقي بوده و latch در وضعيت hold قرار مي‌گيرد و چنانچه مقدار انتگرال‌گير از بزرگتر شود S برابر”يك“منطقي شده و لچ Set مي‌شود و به انتگرال گير فرمان مي‌دهد كه از انتگرال بگيرد (با ثابت زماني ) و در نهايت چنانچه مقدار انتگرال گير از كوچكتر شود R برابر”يك“منطقي شده و latch، Reset مي‌شود و به انتگرال‌گير فرمان مي‌دهد كه از انتگرال بگيرد (با ثابت زماني ). براي آنكه VCO درست كار كند بايد .اگر مدت زماني كه انتگرال گير از انتگرال مي‌گيرد را با و مدت زماني كه انتگرال گير از انتگرال مي‌گيرد را با نشان دهيم خواهيم داشت:



براي آنكه پريود پالس ساعت خروجي باشد بايد باشد و همچنين براي آنكه VCO درست كار كند بايد باشد.براي آنكه كلاك خروجي Duty cycle برابر 50% داشته باشد خروجي پالس ساعت توليد شده توسط مدار شكل (9-4) را به يك monostable با ثابت زماني مي‌دهيم.



آناليز مدار گيرنده با SPICE :

در اين قسمت لازم مي‌دانيم تا قسمتي از مدار گيرنده را توسط Spice آناليز كنيم. اين مدار در شكل (10-4) آمده است. براي سادگي فرض كرده‌ايم مرحله Clock Recovery انجام شده است و هر جا كه نياز به كلاك داشتيم از منبع پالس استفاده كرده‌ايم. اين آناليز را با Spice 5.1 انجام داده‌ايم. و شكل موج سيگنال‌هاي خروجي طبقات مختلف هم به دنبال شكل (10-4) آمده‌اند.

در نمودارهاي صفحات بعد شكل موج خروجي تقويت‌كننده و فيلتر I&D آورده شده‌اند و همانطور كه انتظار داريم تقريبا مربعي هستند فقط لبه هاي تيز تغيير شكل داده‌اند. شكل موجهاي خروجي انتگرال‌گير و بيتهاي خروجي هم رسم شده‌اند.





References:



[1]: J.M Kahn , J.R Barry ,”Wireless Infrared Communications”, IEEE , VOL.85 , NO.2.February 1997.



[2]: R.Otte , L.P.DE Jong and A.H.M Vanroermund , “Low-Power Wireless Infrared Communications” , Kluwer Academic Publishers , Boston , 1999.



[3]: F.R Gfeller , U.R.S. BAPST , “Wireless In House Data Communication Via Diffuse Infrared Radiation” , IEEE , VOL.67 , NO.11 , November 1979.



--------------------------------------------------------------------------------

.Wireless[1]

Wired.[2]

.Infrared[3]

Federal Communication Commission.[4]

[5].multipath fading

.Photodetector[6]

Access point.[7]

Power Efficiency.‍[8]

.Line Of Sight[9]

.Non line Of Sight[10]

.Intensity Modulation/Direct Detection[11]

.cornea[12]

retina.[13]

Long pass.[14]

[15].laser diode

[16].field of view

[17].Compound Parabolic Consentrator

.Bit Rate[18]

Bit Error Rate.[19]

Non return to Zero-OOK.[20]

.Return to Zero-OOK[21]

.Power Spectral Density[22]

.Bandwidth Efficiecy[23]

[24] Phase reversal keying

[25] Non return to zero

[26] Frequency shift keying

[27] Continous phase frequency shift keying

[28] Noise equivalent power

[29] الكترون حفره

[30].Avalanche Photodiode

.Unity Gain Bandwidth[31]

.Voltage Controlled Oscilator[32]

Phase Locked Loop.[33]

.inverting[34