A digital hybrid communication system using pulse position and width modulation

Abstract

Dijital iletişim, dijital sistemlerin geniş kullanımına ve dijital iletişim kullanmanın yararlarına göre, farklı dijital sistemler arasında veri alışverişinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dijital bir değer, bir dizi bit kullanılarak tanımlanır, bu bitlerin her biri, iki olası değerden birine sahip olabilir. Bu tür verilerle analog biçime dönüştürülmeden etkileşimde bulunan sistemler, dijital sistemler olarak bilinir. Bir dijital değişkendeki bitlerin sayısını tanımlayarak, değişkenin sahip olabileceği ayrık değerlerin yanı sıra aralıktaki değerlerin de bilinir. Bu nedenle, dijital veri kullanımı, gürültüye ve daha verimli depolamaya önemli ölçüde daha iyi direnç göstermiştir.Dijital sistem yalnızca dijital değerler verebildiğinden, sistemdeki analog bileşenlere ihtiyaç duyulmaması için bu tür sistemlerde analog modülasyon teknikleri önerilmemektedir. Darbe Kodlu Modülasyon (PCM), dijital darbelerde modüle edilen değere bağlı olarak bir darbe karakteristiğinin değiştirildiği yaygın olarak kullanılmaktadır. Darbe Genlik Modülasyonu (PAM), puls genliğinin giriş değerine göre ayarlandığı zamandır. Bununla birlikte, gürültünün sinyalin genliği üzerindeki yüksek etkisine göre, PAM, sistemin bir saniyede iletişim kurabildiği bit sayısı ile tanımlanan sınırlı bir bant genişliği göstermiştir. Pules Width Modulation (PWM), giriş değerine bağlı olarak, çıkarılan darbenin görev döngüsünü ayarlar. Bu modülasyon türü, darbenin genliği modüle edilmiş değer ekstraksiyonunda dikkate alınmadığından gürültüye karşı daha yüksek direnç göstermiştir. Diğer bir önemli, yakın zamanda darbe modülasyon tekniği Çıktı darbenin önceden tanımlanmış bir aralıktaki pozisyonunun giriş değerine göre ayarlandığı Nabız Konumu Modülasyonu. Bu modülasyon tekniği, girilen değerden bağımsız olarak nabzın genişliği ve genliği sabit olduğundan, iyi bir gürültü direnci ve güç verimliliği göstermiştir.Modern dijital sistemlerin çoğu, mikroişlemciler ve Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) gibi programlanabilir dijital bileşenler kullanır. Donanım değişikliklerine gerek kalmadan modülasyon şemasını değiştirerek sistemin bant genişliğini artırmak, bu sistemlerde önemli bir yere sahiptir. Bu nedenle, bu çalışmada PWM ve PPM modülasyon yöntemlerini çıkarılan sinyalde birleştiren bir karma modülasyon tekniği önerilmiştir. Giriş değerindeki bitler, her biri modülatörlerden biri kullanılarak modüle edilen iki gruba ayrılır ve her modülatör, atanan bit grubunun değerine dayanarak kendi darbesini çıkarır. Bu modülatörlerin çıktısı ikili olduğundan ve iki modülatör bulunduğundan, her zaman vakası için bu çıkışların dört olası durumu vardır. Bu olası durumları kodlamak için iki kodlama tekniği uygulanmaktadır, böylece alıcı her zaman örneğinde her modülatörün çıktısını tespit edebilmektedir. Kanalın özelliklerine bağlı olarak, önerilen yöntemi kullanarak iletişim kurmak için genlik ve frekans kodlaması kullanılabilir.Önerilen yöntemin değerlendirme sonuçları, global saat hızı veya nabız hızı gibi sistemin ana bileşenlerini değiştirmeden, iletişimin bant genişliğini önemli ölçüde arttırma yeteneğini göstermiştir. Önerilen hibrit yöntem, her ikisi de 10-4 Bit Hata Oranı (BER) olan PPM modülasyonunu kullanarak yalnızca 8Mbps'ye ulaşabilen aynı sistem yapılandırmalarını kullanarak 16Mbps bant genişliğini elde edebildi. Ayrıca, sonuçlar, genlik kodlamanın kullanımının, frekans kodlaması kullanımına kıyasla daha az ortalama BER ürettiğini göstermektedir. Bu farkın arkasındaki sebep, kodlama frekansının, çıkış sinyalinin zamanlamasına, özellikle de PWM çıkışının genişliğine getirdiği bozulmadır. Bununla birlikte, her iki kodlama tekniği de bant genişliğini saniyede 50MHz ve 1M darbeli global bir saatle 16Mbps hıza yükseltebildi.

Digital communications have been widely employed in data exchange among different digital system, according to the wide use of digital systems and the benefits of using digital communication. A digital value is defined using a series of bits, each of these bits can have one of two possible values. Systems that interact with such data without converting them to analogue format are known as digital systems. By defining the number of bits in a digital variable, the number of discrete values that the variable can have are known, as well as the values in the range. Thus, the use of digital data has shown significantly better resistance to noise, as well as more efficient storage.As the digital system can only output digital values, analogue modulations techniques are not recommended in such systems to avoid the need for analogue components in the system. Pulse-Coded Modulation (PCM) has been widely used in digital communications, where the characteristic of a pulse is modified depending on the value being modulated. Pulse Amplitude Modulation (PAM) is when the amplitude of the pulse is adjusted according to the input value. However, according to the high effect of noise over the amplitude of the signal, PAM has shown limited bandwidth, defined by the number of bits the system can communicate in a second. Pules Width Modulation (PWM) adjusts the duty cycle of the outputted pulse, depending on the input value. This type of modulation has shown higher resistance to noise, as the amplitude of the pulse is not considered in the modulated value extraction. Another important, recent, pulse modulation technique is the Pulse Position Modulation, where the position of the outputted pulse in a predefined interval is adjusted according to the input value. This modulation technique has shown significantly good noise resistance and power efficiency, as the width and amplitude of the pulse is constant regardless of the inputted value.Most of the modern digital systems use programmable digital components, such as microprocessors and Field-Programmable Gate Array (FPGA). Increasing the bandwidth of the system by changing the modulation scheme, without the need to impose changes to the hardware, has significant importance in such systems. Thus, a hybrid modulation technique is proposed in this study, which combines the PWM and PPM modulation methods in the outputted signal. The bits in the input value are split into two groups, each modulated using one of the modulators, and each modulator outputs its own pulse, based on the value of the assigned group of bits. As the output of these modulators are binary, and two modulators exist, there are four possible states of these outputs per each time instance. Two encoding techniques are implemented to encode these possible states, so that, the receiver can detect the output of each modulator per each time instance. Depending on the characteristics of the channel, amplitude and frequency encoding can be used to establish communications using the proposed method.The evaluation results of the proposed method have shown the ability of increasing the bandwidth of the communication, significantly, without changing the main components of the system, such as the global clock rate or pulse rate. The proposed hybrid method has been able to achieve 16Mbps bandwidth using the same system configurations that have only been able to achieve a maximum of 8Mbps using the PPM modulation, both with 10-4 Bit Error Rate (BER). Moreover, the results show that the use of amplitude encoding has produced less average BER, compared to the use of frequency encoding. The reason behind such difference is the distortion imposed by the encoding frequency to the timings of the output signal, especially the width of the PWM output. However, both encoding techniques have been able to increase the bandwidth to the 16Mbps rate, with a global clock of 50MHz and 1M pulse per second.