Present_lec9_bandpass

Report
Digitale Bandpass Übertragung
© Roland Küng, 2009
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Intro: Bandpass System
ADSL2
(2 - 256-QAM)
ISDN
Pulsformung 2B1Q
ADSL Upstream OFDM
1 MB/s
Downstream OFDM
8 MB/s
2
Basisband  RF
Was ändert sich ?
• Sender mischt Signal auf RF - Empfänger wieder herunter
• Rauschen am Empfängereingang wird addiert
• ! vor dem Heruntermischen  Konsequenz:
3 dB mehr Rauschen wirksam : N = 2 *N0/2 * 2B
• Lösung kohärenter Empfang
N0 einseitige
noise power density
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Design-Ziele
Die Ziel beim Entwurf eines digitalen Kommunikationssystems
gelten auch für Bandpass Übertragung
• Maximierung der Übertragungs-Bitrate
• Minimierung der Bitfehlerrate
• Minimierung der benötigten Leistung
• Minimierung der benötigten Bandbreite
• Maximierung der Verfügbarkeit
• Minimierung der Systemkomplexität
Hauptprobleme heute:
Bandbreite ist rar  hohes Gewicht
Systemkomplexität hoch, wegen Träger und -Sync
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Modulation
Folgende Möglichkeiten bieten sich an
1
v  Vc sin  2 fct   
Voltage (V)
0.5
0
-0.5
-1
0
0.5
1
1.5
2
T ime (msec)
2.5
2
T ime (msec)
2.5
3
3.5
4
-3
x 10
1
Voltage (V)
0.5
0
-0.5
-1
0
amplitude modulation
0.5
1
1.5
3
3.5
4
-3
x 10
frequency modulation
phase modulation
angle modulation
5
Vergleich mit Basisband
Identisch BPSK !
6
Modulation OOK (ASK)
On-Off Keying (OOK)
Amplitude Shift Keying (ASK)
+ Einfachste Hardware Anforderungen
+ Spart 50% Leistung
- Schwelleneinstellung für den Entscheider im Empfänger heikel
…. z.B. RFID Leser zu Tag
voltage
ASK : nicht 100% ausgetastete AM
1
0
1
1
0
1
5V
0V
time
binary signal
OOK signal
carrier
7
Modulation ASK - RFID
8
RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem
ISO 15693
Bandbreite sparen bei ASK100%
mit „1 of 256“
Pulse Position Modulation (8 bit)
9
RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem
X entspricht Stufen
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ASK und PSK Pulsspektrum
Unterschied
Datenrate R = 1/T
OOK
Rechteck:
MF = Integrate & Dump
BPSK
Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: BNull to Null = 2 R
Raised Cosine: Bp = (1+r)R
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Frequency Shift Keying FSK
+ Einfache Hardware
+ Bessere Entscheiderschwelle als OOK durch Relativ-Vergleich
- Braucht mehr Bandbreite
voltage
Mark
1
0
1
Space
1
0
1
5V
bit stream
0V
time
FSK signal
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FSK Beispiel Bluetooth
Die Bitrate beträgt brutto 1 MBit/s
Bandbreite Kanal 1 MHz (Frequency Hopped 1600 mal/s)
Als Modulation wird GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
mit BT=0,5 (B=Bandbreite des Gauß-Filters, T=Symboldauer) verwendet.
Modulation fo +- 157 kHz
Zweck: Reduktion der Bandbreite auf 3 dB Bandbreite = 500 kHz.
CPFSK
13
Phase Shift Keying PSK (BPSK)
+ Beste Eb/N0 Performance, wie Bipolar im Basisband
+ Einfache Senderimplementation
- Komplexität im Empfänger am grössten (v.a. Sync)
90˚
180˚ = binary 0
180˚
0˚ = binary 1
0˚
270˚
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GPS: BPSK
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Demodulatoren
Neuer Begriff: Kohärent und Nicht-kohärent
Kohärent = RX nimmt Bezug auf Trägersignal in Frequenz und Phase
Grund dies zu tun: Matched Filter Implementation anstreben
 Kein Nachteil durch RF Noise
Bsp. OOK:
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Kohärente Demodulation
Signal:
Die beiden Seitenbänder
addieren ihre Spannungen
Rauschen:
addieren sich nur
die Leistungen
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Proof
Signal Level identical: coherent addition (Voltage, Max)
Noise Level 3 dB less: non-coherent addition (Power, Mean)
Noise plus 10 Hz cos + 16 Hz cos mit 13 Hz LO gemischt
gelb TX
grün RX
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Demodulatoren OOK
Kohärenter DownConverter
Trägerlinie im Spektrum  PLL
Pulsform: Rechteck
MF: Integrate&Dump
 Eb 

Pe  Q
 N 
0 

 gleich gut wie Basisband unipolar
Beispiel Daten …1101…
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Demodulatoren OOK
Weniger aufwändig und daher billiger und stromsparender:
Nichtkohärente Architektur mit Bandpassfilter und Enveloppendetektor
Pe 
1  1 /( 2T B p ) E b / N 0
e
2
Nur knapp 1 dB schlechter als kohärent wenn
Bp = 1/T realisiert wird (vgl. FSK Praktikum)
Bp = äquivalente Bandpassfilterbandbreite
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Demodulatoren OOK
Think twice !
gilt nur für MF!
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Demodulatoren BPSK
Vorweg: Kohärent ist hier ein Thema. Aber was ist machbar ?
Allg. Matched Filter auf RF ist eher unmöglich (nur SAW Filter)
Besser möglich: Allgemeiner kohärenter Empfänger nach dem Korrelatorprinzip
Realistisch:
Referenzsignale für Rechteckpulsform weil identisch mit Trägersignal
MF dann identisch mit Korrelator: Integrate and Dump
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Demodulatoren DPSK
BPSK hat kein Trägersignal im Spektrum - Was tun ?
Ideen
1) Quadrieren hebt Modulation auf  Träger zum Regenerieren
2) Differentiell Kodieren und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen
DPSK
(Basisband oder RF)


E b / N0


Pe  Q
 1  (BpT / 2) /(Eb / N0 ) 


Bp kritisch, nicht zu knapp wählen
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Costas Loop
Kohärente Demodulation BPSK
VCO
Kann auch kleine Frequenzfehler ausregeln!
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Demodulatoren DPSK
Besser: Optimum DPSK
I/Q Demodulator
Frequenz identisch Tx
Integrate & Dump auf I und Q
Phase mit Vorgänger Phase vergleichen
Entscheid mit I/Q Konstellation
Besser weil Mischerträger unverrauscht ist !
1 E b / N 0
Pe  e
2
 2E b
Pe  Q
 N
0

d.h. nur etwas mehr als 0.5 dB besser als Optimum DPSK
Im Vergleich dazu liefert kohärenter BPSK Empfang:




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Demodulatoren OOK
Think twice !
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Demodulatoren FSK
FSK ist einfach 2 OOK Modulationen benutzt auf 2 verschiedenen Frequenzen
Eb wird verdoppelt aber auch die Bandbreite Bp
Rauschen von beiden Filtern am Entscheide wirksam
Technische Bandbreite für Übertragung: Bü = (f2 – f1) +1/T
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Demodulatoren FSK
Anderer Ansatz mittels I/Q-Demodulation: Energievergleich
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Demodulatoren FSK
Pe 
1  1 /( 2T B p ) E b / N 0
e
2
 Eb 

Pe  Q
 N 
0 

Bp >= 1/T
nicht-kohärent
kohärent
d.h. BER identisch mit OOK,
Aber dafür dynamische Schwelle durch Relativvergleich
Bezahlt mit mindestens doppeltem Bandbreitebedarf im Spektrum
Kohärente FSK nur knapp 1 dB besser als nicht-kohärent.
29
Summary
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Summary
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remember: MF Bandbreite Basisband ist immer
T = Symboldauer R = Symbolrate
B
1
1

2T 2 R
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