پس از بررسی مدولاسیون‌های آنالوگ در پست‌های قبلی، اکنون به سراغ مدولاسیون‌های دیجیتال می‌رویم. در این پست به معرفی یکی از ساده‌ترین و قدیمی‌ترین انواع مدولاسیون دیجیتال یعنی مدولاسیون کلید زنی شیفت دامنه ASK می‌پردازیم.

در مدولاسیون ASK، اطلاعات دیجیتال (بیت‌های 0 و 1) از طریق تغییر دامنه سیگنال حامل سینوسی منتقل می‌شوند. به‌طور معمول:

• برای بیت «1» → دامنه سیگنال حامل برابر Ac (دامنه کامل)
• برای بیت «0» → دامنه صفر یا خیلی کم (معمولاً صفر)

به همین دلیل به این روش گاهی On-Off Keying یا OOK هم گفته می‌شود.

ASK یکی از روش‌های بسیار ساده برای انتقال داده‌های دیجیتال روی باند پایه یا باند عبور (مثل نور مادون قرمز، امواج RF ساده، فیبر نوری با شدت‌نور و …) است.

مدولاسیون ASK

فرض کنید سیگنال دیجیتال (پیام) ما به‌صورت زیر باشد:

m(t) = 0 یا 1  (در هر بازه بیت Tb)

سیگنال حامل:

c(t) = Ac × sin(ωc t)

سیگنال مدوله شده ASK:

s(t) = m(t) × Ac × sin(ωc t)

یا به‌صورت معادله‌ای:

s(t) = A(t) × sin(ωc t)

که در آن:

• A(t) = Ac → وقتی m(t) = 1
• A(t) = 0 → وقتی m(t) = 0

در حالت ایده‌آل، وقتی بیت 1 می‌آید حامل با دامنه کامل ارسال می‌شود و وقتی بیت 0 می‌آید هیچ سیگنالی ارسال نمی‌شود.

دمدولاسیون ASK

تشخیص ASK برای استخراج بیت‌های اصلی از سیگنال دریافتی انجام می‌شود. دو روش اصلی داریم: همدوس (Coherent) و غیرهمدوس (Non-Coherent).

تشخیص همدوس (Coherent Detection)

این روش نیاز به همگام‌سازی دقیق با حامل فرستنده دارد (یعنی گیرنده باید فرکانس و فاز حامل را بداند). مراحل:

• ضرب در حامل محلی: r(t) × 2 cos(2π f_c t) سیگنال دریافتی را با حامل هم‌فاز ضرب می‌کنیم.
• انتگرال‌گیری: میانگین‌گیری در هر بازه بیت (Tb).
• فیلتر پایین‌گذر (LPF): حذف فرکانس‌های بالا.
• تصمیم‌گیری: مقایسه خروجی با آستانه (Threshold = A_c / 2). اگر بیشتر از آستانه باشد بیت 1 وگرنه بیت 0 ارسال شده است.

این روش بهترین عملکرد را در برابر نویز دارد (BER مشابه BPSK)، اما نیاز به مدار بازیابی حامل (PLL) دارد.

تشخیص غیرهمدوس (Non-Coherent Detection)

ساده‌تر و بدون نیاز به همگام‌سازی فاز. مناسب برای سیستم‌های ارزان. مراحل:

• فیلتر باندگذر: حذف نویز خارج از باند.
• تشخیص‌گر پوش (Envelope Detector): مدار یکسوساز (دیود + خازن) برای استخراج دامنه.
• فیلتر پایین‌گذر: صاف کردن سیگنال.
• تصمیم‌گیری: مقایسه با آستانه.

این روش 3-4 dB ضعیف‌تر از همدوس است، اما در SNR بالا خوب کار می‌کند.

کد متلب کامل پیاده‌سازی ASK

از انجایی که مدولاسیون ASK دو حالته مشابه PAM دو حالته است از این تابع متلب pammod , pamdemod استفاده می کنیم:

% مثال ساده: تشخیص همدوس Binary ASK
M = 2; EbN0_dB = 10; bits = randi([0 1], 10000, 1);
s = pammod(bits, M) / sqrt(2);  % مدولاسیون
r = awgn(s, EbN0_dB + 10*log10(log2(M)), 'measured');  % کانال نویزی
bits_rec = pamdemod(r * sqrt(2), M);  % تشخیص (همدوس)
BER = sum(bits ~= bits_rec) / length(bits);
disp(['BER = ', num2str(BER)]);

با کاهش SNR (مثلاً به زیر ۵ دB)، خطای بیت (BER) به‌سرعت افزایش می‌یابد، چون ASK بسیار حساس به نویز است (به‌خصوص وقتی بیت 0 داریم و فقط نویز دریافت می‌شود).

مزایا و معایب ASK

مزایا:

• بسیار ساده در پیاده‌سازی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری
• پهنای باند کم تقریباً برابر نرخ بیت، مناسب کانال‌های باریک
• مناسب برای سیستم‌های نوری (مادون قرمز، Visible Light Communication ساده)

معایب:

• بسیار حساس به نویز و تغییرات دامنه مستقیماً تحت تأثیر نویز AWGN قرار می‌گیرد (BER بالا در SNR کم)
• نامناسب برای نرخ بیت بالا: در فرکانس‌های بالا، اعوجاج دامنه افزایش می‌یابد
• به همین دلیل امروزه کمتر در سیستم‌های رادیویی پیشرفته استفاده می‌شود و جای خود را به PSK و QAM داده است.

در پست‌های بعدی به مدولاسیون‌های مقاوم‌تر مانند FSK و PSK خواهیم پرداخت.

کاربردهای مدولاسیون شیفت دامنه (ASK)

ASK در سیستم‌های ساده و کم‌هزینه کاربرد دارد:

در سیستم‌های مدرن، ASK اغلب با ASK پیشرفته‌تر (مثل M-ASK) ترکیب می‌شود.

نتیجه‌گیری

مدولاسیون ASK با سادگی و کارایی‌اش، پلی بین ارتباطات آنالوگ و دیجیتال است. اگرچه حساس به نویز است، اما در کاربردهای کم‌هزینه و نوری بی‌رقیب است. برای بهبود عملکرد، از تشخیص همدوس و کدینگ خطا استفاده کنید. در پست‌های بعدی، ASK را با FSK و PSK مقایسه خواهیم کرد!

[کدهای کامل تمام مدولاسیون‌های دیجیتال (ASK, FSK, PSK, QAM و …) موجود است و قابل دانلود می‌باشد.]