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Digitale Bandpass Übertragung
© Roland Küng, 2009
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Intro: Bandpass System
ISDN Pulsformung 2B1Q
ADSL Upstream OFDM Downstream OFDM1 MB/s 8 MB/s
ADSL2(2 - 256-QAM)
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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
sin 2c cv V f t
amplitude modulation frequency modulation
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 10-3
-1
-0.5
0
0.5
1
Time (msec)
Vol
tage
(V
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 10-3
-1
-0.5
0
0.5
1
Time (msec)
Vol
tage
(V
)
phase modulation
angle modulation
Folgende Möglichkeiten bieten sich an
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Vergleich mit Basisband
Identisch BPSK !
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Modulation OOK (ASK)
time
volta
ge
0 V
5 V1 0 1 01 1
binary signal
carrier
OOK signal
+ Einfachste Hardware Anforderungen+ Spart 50% Leistung- Schwelleneinstellung für den Entscheider im Empfänger heikel
ASK : nicht 100% ausgetastete AM …. z.B. RFID Leser zu Tag
On-Off Keying (OOK) Amplitude Shift Keying (ASK)
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Modulation ASK - RFID
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RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem
Bandbreite sparen bei ASK100% mit „1 of 256“ Pulse Position Modulation (8 bit)
ISO 15693
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RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem
X entspricht Stufen
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ASK und PSK Pulsspektrum
Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: BNull to Null = 2 RRaised Cosine: Bp = (1+r)R
OOK
BPSK
Rechteck:
MF = Integrate & Dump
Datenrate R = 1/T
Unterschied
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Frequency Shift Keying FSK
time
volta
ge
0 V
5 V1 0 1 01 1
bit stream
FSK signal
SpaceMark
+ Einfache Hardware+ Bessere Entscheiderschwelle als OOK durch Relativ-Vergleich- Braucht mehr Bandbreite
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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 kHzZweck: Reduktion der Bandbreite auf 3 dB Bandbreite = 500 kHz.
CPFSK
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Phase Shift Keying PSK (BPSK)
+ Beste Eb/N0 Performance, wie Bipolar im Basisband
+ Einfache Senderimplementation- Komplexität im Empfänger am grössten (v.a. Sync)
0˚180˚
90˚
270˚
0˚ = binary 1180˚ = binary 0
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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 PhaseGrund dies zu tun: Matched Filter Implementation anstreben Kein Nachteil durch RF Noise
Bsp. OOK:
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Signal:Die beiden Seitenbänderaddieren ihre SpannungenRauschen:addieren sich nur die Leistungen
Kohärente Demodulation
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Noise plus 10 Hz cos + 16 Hz cos mit 13 Hz LO gemischt
Signal Level identical: coherent addition (Voltage, Max)Noise Level 3 dB less: non-coherent addition (Power, Mean)
Proof
gelb TX grün RX
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Demodulatoren OOK
Kohärenter DownConverter
Trägerlinie im Spektrum PLL
Pulsform: Rechteck
MF: Integrate&Dump
Beispiel Daten …1101…
0
be N
EQP
gleich gut wie Basisband unipolar
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Demodulatoren OOK
Weniger aufwändig und daher billiger und stromsparender:
Nichtkohärente Architektur mit Bandpassfilter und Enveloppendetektor
0bp N/E)BT2/(1e e
2
1P
Nur knapp 1 dB schlechter als kohärent wennBp = 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 TrägersignalMF dann identisch mit Korrelator: Integrate and Dump
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Demodulatoren DPSK
BPSK hat kein Trägersignal im Spektrum - Was tun ?
Ideen1) Quadrieren hebt Modulation auf Träger zum Regenerieren2) Differentiell Kodieren und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen
DPSK
)//()2/(1
/
0
0
NETB
NEQP
bp
be
Bp kritisch, nicht zu knapp wählen
(Basisband oder RF)
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Costas Loop
Kohärente Demodulation BPSK
VCO
Kann auch kleine Frequenzfehler ausregeln!
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Demodulatoren DPSK
Besser: Optimum DPSKI/Q DemodulatorFrequenz identisch TxIntegrate & Dump auf I und QPhase mit Vorgänger Phase vergleichenEntscheid mit I/Q Konstellation
Besser weil Mischerträger unverrauscht ist !
0b N/Ee e
2
1P
Im Vergleich dazu liefert kohärenter BPSK Empfang:
0
be N
E2QP
d.h. nur etwas mehr als 0.5 dB besser als Optimum DPSK
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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
0bp N/E)BT2/(1e e
2
1P
nicht-kohärentBp >= 1/T
0
be N
EQP kohärent
d.h. BER identisch mit OOK, Aber dafür dynamische Schwelle durch RelativvergleichBezahlt mit mindestens doppeltem Bandbreitebedarf im Spektrum
Kohärente FSK nur knapp 1 dB besser als nicht-kohärent.
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Summary
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Summary
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R2
1
T2
1B remember: MF Bandbreite Basisband ist immer
T = Symboldauer R = Symbolrate
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