VAIHEKOHERENTIT BINÄÄRISET KANTOAALTOMODULAATIOT JA NIIDEN VIRHETODENNÄKÖISYYDET

Samankaltaiset tiedostot
MONITILAISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 18 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

Radioamatöörikurssi 2016

BINÄÄRISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 11 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

LUKU 7 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka I Osa 30 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

SYMBOLIVIRHETODENNÄKÖISYYDESTÄ BITTIVIRHETODENNÄKÖISYYTEEN

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

Kapeakaistainen signaali

Radioamatöörikurssi 2012

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

LUKU 3 ANALOGISET KANTOAALTO- JA PULSSIMODULAATIOMENETELMÄT A Tietoliikennetekniikka I Osa 8 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

LUKU 6 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

Lähettimet ja vastaanottimet

LUKU 3 ANALOGISET KANTOAALTO- JA PULSSIMODULAATIOMENETELMÄT

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

A! Modulaatioiden luokittelu. Luento 4: Digitaaliset modulaatiokonstellaatiot, symbolijonolähetteet. ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Radioamatöörikurssi 2017

Suodatus ja näytteistys, kertaus

LUKU 3 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka I Osa 23 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

521361A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA II

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

Tietoliikennesignaalit & spektri

12. Luento. Luento 12 Modulaatio. Oppenheim luku 8 soveltuvin osin. Koherentti ja epäkoherentti analoginen modulaatio Digitaalinen modulaatio

Luento 5: Kantataajuusvastaanotin AWGNkanavassa I: Suodatus ja näytteistys a. Kuvaa diskreetin ajan signaaliavaruussymbolit jatkuvaan aikaan

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 1 (16)

SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN & SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

Luento 2. Jaksolliset signaalit

Signaaliavaruuden kantoja äärellisessä ajassa a

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 1

521357A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA

Laitteita - Yleismittari

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

A B = 100, A = B = 0. D = 1.2. Ce (1.2 D. C (t D) 0, t < 0. t D. )} = Ae πjf D F{Π( t D )} = ADe πjf D sinc(df)

IIR-suodattimissa ongelmat korostuvat, koska takaisinkytkennästä seuraa virheiden kertautuminen ja joissakin tapauksissa myös vahvistuminen.

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Pekka Pussinen OH8HBG - oulu.fi

nykyään käytetään esim. kaapelitelevisioverkoissa radio- ja TVohjelmien

Laskuharjoitus 2 ( ): Tehtävien vastauksia

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN ELI SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

Modulaatio. f C. amplitudimodulaatio (AM) taajuusmodulaatio (FM)

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Kvanttifysiikan perusteet 2017

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Amplitudimodulaatio (AM) Esitys aikatasossa

Lähettimet ja vastaanottimet

Lähettimet ja vastaanottimet. OH3NE:n radioamatöörikurssi

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

TL5231, Signaaliteoria (S2004) Matlab-harjoituksia

P (X B) = f X (x)dx. xf X (x)dx. g(x)f X (x)dx.

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Jaksollisen signaalin spektri

ANALOGISET PULSSIMODULAATIOT PAM, PWM JA PPM

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Kotitehtävät 1-6: Vastauksia

Ohjelmistoradio tehtävät 4. P1: Ekvalisointi ja demodulaatio. OFDM-symbolien generoiminen

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento Informaatioteorian alkeita Tiedonsiirron perusteet

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

Sinin muotoinen signaali

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

1. Määritä pienin näytelauseen ehdon mukainen näytetaajuus taajuus seuraaville signaaleille:

FM-, ASK- JA FSK-MODULAATIOIDEN TOTEUTTAMINEN MATLAB-SIMULINK YMPÄRISTÖSSÄ USRP OHJELMISTORADIO- LAITTEELLA

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

Insinöörimatematiikka D

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Vektorilaskenta, tentti

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I A

Transkriptio:

1 VAIHEKOHERENTIT BINÄÄRISET KANTOAALTOMODULAATIOT JA NIIDEN VIRHETODENNÄKÖISYYDET Millaiset aaltomuodot s 1 (t) ja s (t) valitaan erilaisten kantoaatomodulaatioiden toteuttamiseksi?

SYMBOLIAALTOMUODOT ASK = amplitudinsiirtoavainnus (amplitude-shift keying), vrt. AM PSK = vaiheensiirtoavainnus (phase-shift keying), vrt. PM FSK = taajuudensiirtoavainnus (frequency-shift keying), vrt. FM

MODULAATTORIEN PERIAATTEELLINEN TOTEUTUS 3

ILMAISUPERIAATE 4 Vastaanotettu signaalivektori eroaa kuvassa kohinavektorin verran lähetetystä (= erotus-/virhevektori). Ilmaisun tehtävänä päättää mitä symbolia lähinnä vastaanotettu signaalivektori on. (tyypillisesti M = k )

KOHERENTTI ILMAISU KORRELAATTORILLA 5 ASK, PSK ja FSK-modulaatiot voidaan ilmaista kahdella ekvivalenttisella vaihekoherentilla korrelaatioilmaisinrakenteella. Ilmaisusignaalit s 1 (t) s (t) vaihekoherentteja lähettimen pulssien kanssa.

6 KOHERENTTI ASK

KOHERENTTI ASK 7 Kuvasta näkyy kaistarajoituksen vaikutus moduloidun signaalin verhokäyrään. Verhokäyrä pyöristyy, koska BW ~k 1/T rise < (k<1), jolloin t rise 0.

KOHERENTTI ASK 8 Taulukon 8.1 mukaan s 1 (t) = 0 ja s (t) = A cos(ω c t), f c = ω c /π. Oskillaattori kytkee/estää kantoaallon bittien perusteella, ja se tahdistetaan bitteihin koherentisti siten, että symbolin etureuna alkaa aina samasta kohtaa aaltoa! Menetelmää kutsutaan joissain kirjoissa myös on-off-avainnukseksi (OOK) tai binääriseksi pulssin amplitudimodulaatioksi (PAM). Vastaanotettua bittiä integroidaan koherentisti T sekuntia. MF:n kaavoihin sijoittamalla R 1 = ρ 1 = 0 (ortogonaalinen modulaatio): ( ) S P P P P T PE = Q z, z = = = = = N N N B N 1 b N 0 0 T Suorituskyky on 3 db huonompi kuin antipodaalisella järjestelmällä. Huom! E b on tässä keskimääräinen bitin energia (toinen symboli on tässä nollasymboli, eli ei lähetetä mitään). Samalla pulssin amplitudilla verrattuna koherentti ASK on siten 3 + 3 = 6 db huonompi kuin antipodaalinen järjestelmä (esim. BPSK). E N b 0

KOHERENTTI ASK-ILMAISU 9 Yksi vaihekoherentti korrelaattori riittää ilmaisimeksi binäärisellä ASK:lla Huomaa: Korrelaattori on aktiivinen ilmaisin (etsii ja laskee), ja MF on passiivinen ilmaisin (odottaa, että käsi työntyy hanskan sisään )

KOHERENTTI VS. EPÄKOHERENTTI ASK 10 Epäkoherentin järjestelmän suorituskyky on aina huonompi kuin koherentin, koska signaalista ei käytetä ilmaisussa hyväksi kaikkea saatavissa olevaa tietoa, siis vaihetietoa. Ero on tyypillisesti kertaluokassa 1... db. Epäkoherentit vastaanottimet ovat helpompia toteuttaa, siirtokanavan ollessa huono. Lähetin on molemmilla samanlainen. Epäkoherentti ASK ilmaistaan verhokäyräilmaisimella.

11 KOHERENTTI PSK JA SEN ERIKOISTAPAUS BPSK

KOHERENTTI PSK 1 -vaihe PSK:ssa vaihe-ero kahden eri symbolin välillä määräytyy modulaatioindeksin cos 1 (m) perusteella, joka voi olla 0...π/. Vaihe muuttuu bitin vaihtuessa cos 1 (m) verran, eli maksimissaan 180, jolloin pulssit ovat antipodaalisia (vastaa kosinipulssin kertomista 1:llä). Tuolloin PSK-modulaatiosta käytetään nimityksiä binäärinen vaiheensiirtoavainnus (BPSK) tai vaiheenkääntöavainnus (phasereversal keying, PRK). Tarvitaan vain yksi vaihekoherentti korrelaattori, eikä kahta rinnakkain.

KOHERENTTI PSK 13 Taulukosta 8.1 saadaan (bitin kesto on sinijakson monikerta): s s k k ( t) = ( t) = Asin [ ( 1) cos ( )] k 1 ω t m c Amsin( ω t) ( 1) c k A 1 m, ω = π n / T,0 t cos( ω t),0 t T, k T, k = 1, = 1, Sinitermi edustaa π/:n vaihe-erossa olevaa kantoaaltoa, jota voidaan käyttää synkronointiin. Se on hukkatehoa tiedonsiirron kannalta. Tieto siirtyy jälkimmäisessä kosinitermissä. BPSK:n (PRK:n) tapauksessa m = 0. Kantoaalto ei häiritse korrelaattoria, koska se on ortogonaalinen hyötysignaaliin nähden. Kantoaallon päästäminen (cos 1 (m) < π/) näkyy symbolien välisen eukl. etäisyyden pienemisenä, mikä kasvattaa BEP-arvoa, koska symbolit eivät ole enää antipodaalisia. Kantoaaltotehon osuus on ½ (A m) ja informaation ½ A (1 m ). c c

PSK-SYMBOLIKONSTELLAATIO, KUN COS 1 (m) = π/4 14 Pienempi symbolien välinen euklidinen etäisyys näkyy P E :n kasvuna. Q Symbolien välinen kulma π/. Symbolien välinen etäisyys A mittayksikköä. BPSK:lla etäisyys on A yksikköä. I A A

KOHERENTTI BPSK/PRK 15 Yleensä käytetään PSK:n erikoistapausta BPSK (PRK) -modulaatiota.

E R P 1 1 = L = PSK E E T = 0 1 L = KOHERENTIN PSK:N BEP ( )( ) Amsinω t + A 1 m cosω t Amsinω t A 1 m cosω t 1 = Q( 1 A Tm E = E E 1 + E A T, 1 1 (1 m = m m = 0 P c ρ PSK BPSK E E A T (1 m 1 ρ BPSK E 1 1 ) z ), z = = T 0 ) = E N b 0 = Q( s ( t) s 1 1 c z ) ( t) dt = L A T (m Sallimalla m -osa tehosta kantoaallolle, P E heikkenee 10log 10 (1 m ) db:n verran ideaalisesta antipodaalisesta tapauksesta, jolle R 1 = 1. Kun m = 0, eli kyseessä on BPSK/PRK-modulaatio, P E on silloin 3 db parempi kuin koherentin BASK:n tapauksessa. c 1) c dt = L 16

ESIMERKKI 17

ESIMERKKI (JATKUU) 18

PSK-MODULOINTI & DEMODULOINTI 19 Vaihekoherentti ilmaisupulssi

PSK:N ILMAISU COSTASIN SILMUKALLA (S) 0 BPSK:n ja analogisen DSB-modulaation ilmaisimet ovat samantyyppisiä, sillä edellyttävät vaihekoherentit aallot ilmaisimeen. BPSK:ssä lisänä vielä päätöksentekopiiri.

BPSK-MODULAATTORIN TOTEUTUS PIIRITASOLLA (S) Databitti sisältää yleensä useita kokonaislukumonikertoja kosinisignaalin jaksoja. Jos esim. f c = 1 GHz ja R b = 10 kbit/s, bitti sisältää 10 5 jaksoa. Kuvassa esiintyvä pelkitetty 1 jakso per bitti ei siten ole realistinen tilanne. 1

BPSK-MODULAATTORIN TOTEUTUS PIIRITASOLLA (S)

3 VAIHEVIRHEEN VAIKUTUS BPSK- JÄRJESTELMÄN SUORITUSKYKYYN

VAIHEVIRHEEN VAIKUTUS BPSK-JÄRJESTELMÄSSÄ 4 P E johdettiin oletuksella, että vaihevirhe on nolla. Oletetaan BPSK, jossa esiintyy vastaanottimen tulosignaalin vaihe-ero φ, jolloin P E : x x c r P E ( t) = ± Acos( ω t ( t) = ± Acos( ω t ( φ) = Q c c + θ ) + n( t) ( ) z cos ( φ) + ˆ), θ φ = θ ˆ θ Heikennys 0 log 10 [cos(φ)] db. φ:n maksimiarvo antaa pahimman tapauksen suorituskyvyn. Jos vaihevirhe φ oletetaan gaussiseksi, voidaan laskea keskimääräinen vaihevirheen aiheuttama P E keskiarvoistamalla P E (φ).

VAIHEVIRHEEN VAIKUTUS BPSK-JÄRJESTELMÄSSÄ 5 Keskiarvoistetaan satunnaismuuttuja P E (φ) kaikkien virhekulmien yli laskemalla P E (φ):n odotusarvo käyttäen satunnaismuuttujan X ensimmäisen momentin laskentaperiaatetta: E[ X ] = π π xp( x) dx, PE = PE ( φ) p( φ) dφ p( φ) φ / σ, φ π Malli on hyvä, kun PLL toimii suurella tulon E b /N 0 (SNR) -arvolla. σ φ on vaihevirheen varianssi Gaussin jakaumassa. = e πσ φ φ

6 KOHERENTTI FSK

KOHERENTTI FSK 7 FSK on ortogonaalinen modulaatio (ρ 1 = R 1 = 0). Signaalivektorit ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan (sisätulo vektorien välillä on nolla). Binäärinen koheretti FSK on yleisemmän MFSK:n erikoistapaus. Monivaihemodulaatioilla signaaliavaruuden dimensio on maksimissaan, mutta MFSK-modulaatioilla se on suurempi kun M>. FSK-aaltomuodot saadaan valitsemalla symbolien välille sopiva bittinopeuteen verrannollinen taajuusero. FSK on kahden ASK-modulaation summa. Siksi epäkoherentissa tapauksessa ASK ja FSK voidaan ilmaista verhokäyräilmaisimella.

BFSK:N VEKTORIESITYS 8 Toisin kuin monivaihemodulaatioilla MPSK, QAM, ortogonaalisilla MFSK-modulaatioilla signaalivektorien välinen etäisyys säilyy vakiona, kun signaalien lkm. ja avaruuden dimensio kasvaa. MPSK tai QAM-modulaatiolla avaruuden dimensio säilyy arvossa, vaikka M kasvaa voi olla jopa 56 (esim. Digi-TV: DVB-T, DVB-C, DVB-S).

MFSK:N VEKTORIESITYS 9 Tapauksia M > 3 ei voida esittää graafisesti. Ovat kuitenkin toteutettavissa.

BINÄÄRINEN FSK-MODULAATTORI (BFSK) 30 Eritaajuisten pulssien täytyy olla toisiinsa nähden koherentteja myös lähettimessä. Eritaajuinen kantoaalto alkaa bittien rajalla samasta vaihekohdasta kuin edellisen aallon jakso loppuu (ei tapahdu vaihehyppyä/epäjatkuvuutta). Vastaanotin voidaan toteuttaa joko korrelaattoreilla tai sovitetuilla suodattimilla.

BFSK-DEMODULAATTORI: MF TAI KORRELAATTORI 31 Yksi korrelaattori tai MF ei riitä!

ASK, PSK JA FSK -ILMAISIMIEN VERTAILU 3

KOHERENTIN BFSK:N SUORITUSKYKY Lähetystaajuus sekä taajuuksien välinen erotus on sopivassa kokonaislukusuhteessa bittinopeuteen, siis: n kosinijaksoa mahtuu yhteen bittiväliin, tai kantoaaltotaajuus on bittinopeuden monikerta. 33 [ ] [ ] ( ) 0 1 0 0 1 1 1 1, 0 0 ) cos( ) cos( ) ( )cos cos(,,,0 ) cos( ) ( cos ) ( N E z z Q P R dt t t A dt t t A E E n m T m T n T t t A t s t A t s b E T c c c T c c c = = = = + + = = + = = = + = = ω ω ω ω ω ω ρ π ω π ω ω ω ω L L

KOHERENTIN BFSK:N SUORITUSKYKY 34 BFSK:n suorituskyky on 3 db huonompi kuin antipodaalisen BPSKjärjestelmän, koska kerroin puuttuu z:n edestä. BFSK:n suorituskyky on täsmälleen sama kuin koherentin BASKmodulaation, kun BASK:n keskimääräinen pulssin energia on sama. Jos BASK:lla on sama pulssin amplitudiarvo kuin BFSK:lla, on BASK:n keskimääräinen energia yhtä suurilla symbolien a priori todennäköisyyksillä puolta pienempi, jolloin BASK on 3 db huonompi kuin BFSK. Ero BPSK-modulaatioon on siten kasvanut 3+3 = 6 db:iin. Koherentin FSK-järjestelmän toteutuksen ongelmana on vaihekoherenssin ylläpito vastaanottimessa, sillä tyypillisesti suurilla kantoaaltotaajuuksilla nopea oskillattori hyppää taajuudelta toiselle epäkoherentisti. Siksi suositaankin epäkoherenttia vastaanottoa. Lähetin on molemmilla samanlainen lukuunottamatta lähettimen oskillaattorien taajuuseroa ja koherenttiutta.

KOHERENTIN BFSK:N SUORITUSKYKY 35 Kuvassa oletettu, että ASK- ja FSK-modulaatioilla sama pulssien amplitudiarvo (ASK:n keskimääräinen teho on puolet FSK:n arvosta).

KOHERENTTI VS. EPÄKOHERENTTI BFSK-ILMAISU 36 PLL tuottaa vaihekoherenttia kantoaaltoa. Kaistanpäästösuodattimet rajaavat spektrin kummankin keskitaajuuden ympärillä. Pätkityn/avainnetun kantoaallon amplitudispektri on aina Sinc-muotoinen.

ESIMERKKI 37

ESIMERKKI 38 Sinc(x) ja sinc (x) -funktioiden ensimmäinen nollakohta oikealle ja vasemmalle mennessä on 1/T:n päässä päähuipusta ja keskitaajuuksien taajuusero saa minimissään olla 1/T Hz, joten BFSK:n minimikaistanl. muodostuu 1/T+1/T+1/T =.5/T =.5 R.