1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2014.
-
Upload
bardulf-wollenburg -
Category
Documents
-
view
116 -
download
5
Transcript of 1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2014.
1
Digitale Bandpass Übertragung
© Roland Küng, 2014
2
Intro: Bandpass System
ISDN Pulsformung 2B1Q
ADSL Upstream OFDM Downstream OFDM1 MB/s 8 MB/s
ADSL2(2 - 256-QAM)
33
Repetition ASV: Mischen
f f0 -f0
S(f)
f
S(f-f0)
f0 -f0
S(f+f0) Y(f)
B
USB LSB USB LSB
B B
• X Ausgangssignal: y(t) = 2·s(t)∙cos(2πf0t)
• Spektrum: Y(f) = S(f+f0) + S(f-f0)
Totale Senderleistung STX
• RX Mischer: z(t) = PL·y‘(t)·cos(2f0t) +n(t)
• Spektrum (TP gefiltert):
Z(f) = Y‘(f+f0) + Y‘(f-f0) +N0/2
Totale Empfangsleistung SRX
Path Loss PL
4
Basisband RF Basisband
Was ändert sich dabei? Vorschau:
• Sender mischt Signal auf RF Power S (ES) am RX mit doppelter Bandbreite B• Additives Rauschen entsteht am Empfängereingang vor ! dem HeruntermischenKonsequenz: wegen 2·B addieren sich auf dem Kanal 3 dB mehr Rauschen
• Empfänger mischt Signal + Rauschen wieder herunter• Im Idealfall addiert sich Signalamplitude und Rauschleistung. Gewinn 3 dB.
Bandpass Übertragung ist gleichwertig wie Basisband
Note: Noise power density zweiseitig : N0/2
N0/2
SES
MF
Tx Rx
5
3 digitale RF Modulationen
vgl.
Basisbandsignal
Bandpasssignal
mit
Orthogonal incl. MSK
Bitrate R = 1/T)θtf2sin(V)t(v CCC
6
Vergleichbar mit Unipolar im Basisband
+ Einfachste Sender Hardware + simple Amplitudendetektion im Empfänger - Schwelleneinstellung für den Entscheider im Empfänger heikel
ASK : <100% ausgetastete AM …. z.B. RFID Leser zu Tag
Modulation OOK (ASK)
time
volta
ge
0 V
5 V1 0 1 01 1
binary signal
carrier
OOK signal
On-Off Keying (OOK) Amplitude Shift Keying (ASK)
7
Modulation ASK - RFID
S/N bei RFID i.A. kein Thema, dafür aber • Bandbreite im Kanal• Power Harvesting auf Funketikette
ASK 100%, 10% PPM
8
RFID – Beispiel
mit sehr geringer Bandbreite
Bandbreite sparen bei ASK100% mit Hilfe „1 out of 4“ Pulse Position Modulation (2 bit)
ISO 15693 (Logistik, Access Control)
75.52 μs
0 1 2 3
9
ASK Puls Power Spectrum1
• Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: BNull to Null = 2 R
• Bandbreite sparen: Raised Cosine: Bp = (1+r)R (vgl. Kap.8)
OOK
BPSK
Einfachste Implementation:
• Rechteckpulse
• MF = Integrate & Dump
Datenrate R = 1/T
Unterschied: Träger
1 Korrekte Bez.: Power Density Spectrum, Leistungsdichtespektrum
10
Frequency Shift Keying FSK
time
volta
ge
0 V
5 V1 0 1 01 1
bit stream
FSK signal
SpaceMark
Vergleichbar mit Orthognal im Basisband
+ Einfache Hardware+ Bessere Entscheiderschwelle als OOK durch Relativ-Vergleich- Braucht mehr Bandbreite (FM)
Bandbreite:
11
Spektrum FSK (meist CPFSK)
Erzeugung mit PLL oder DDS
CPFSK = Continuous Phase FSK
f2f1
f1 f2f
R
CP
Orthogonal wenn:
Nn,m
nm
Rmf
Rnf
2
1
2
fffHub 12 2/R
fFM
12
Frequency Shift Keying MSK
Bandbreite begrenzen ohne Amplitudenformung: • FM Hub minimal machen: FM = 0.5 (Minimum Shift Keying MSK)
5.0T)ff(2/R
2/)ff(
f
f12
12
mFM
Orthogonal für2/Rn)ff(
2/Rff
12
12
Bsp.:R =200 Bit/sf0 = 2 kHzf = 50 Hz
13
Frequency Shift Keying GFSK
Bandbreite begrenzen ohne Amplitudenformung: • Übergang weich fahren ( analog FM mit gefilterten Pulsen): z.B. Gaussfilterung (GFSK)
• Pulsspektrum schmaler Shift geringer wählbar
FM 0.1…1
14
GFSK - Beispiel Bluetooth
• Die Bitrate beträgt brutto 1 MBit/s . 80 Kanäle bei 2.4 GHz.• 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 mit kleinem Hub fo ± fd = fo ± 157 kHz (FM = 0.3) Zweck: Reduktion der Bandbreite auf Bandbreite = 500 kHz.
GFSK FM = 0.3
15
Binary Phase Shift Keying (BPSK)
Vergleichbar mit Polar im Basisband
+ Beste Eb/N0 Performance, wie Bipolar im Basisband
+ Einfache Sender Implementation: nur Double Balanced Mixer nötig- Komplexität im Empfänger am grössten (v.a. Sync)
0˚180˚
90˚
270˚
0˚ = binary 1180˚ = binary 0+1
-1
Darstellung I/Q
16
Beispiel BPSK: GPS
17
PSK Puls Power Spectrum1
• Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: BNull to Null = 2 R
• Bandbreite sparen: Raised Cosine: Bp = (1+r)R (vgl. Kap.8)
OOK
BPSK
Datenrate R = 1/T
Unterschied: TrägerEinfachste Implementation:
• Rechteckpulse
• MF = Integrate & Dump
1 Korrekte Bez.: Power Density Spectrum, Leistungsdichtespektrum
18
Demodulatoren
Neuer Begriff: Kohärent und Nicht-kohärent
Kohärent = RX nimmt Bezug auf Trägersignal in Frequenz und PhaseGrund dies zu tun: Matched Filter Implementation auch für Träger anstreben
Es entsteht dann kein Nachteil durch den RF Noise
Bsp. OOK:
a) Noncoherent Detection
b) Coherent Detection with Lowpass (Matched) Filter Detektion
MF
from carrier sync
Mischer:“Korrelation mit Träger”
19
Signal:Die beiden Seitenbänderaddieren ihre SpannungenRauschen:Es addieren sich nur die Leistungen
Kohärente Demodulation I
Merksatz:
20
Kohärente Demodulation II
2 Sichtweisen zu kohärenter Demodulation von ASK, PSK, FSK:
a) S/N im RF Kanal ist 3 dB tiefer als im Basisbandb) Bildet Teil eines Matched Filters für trägermoduliertes Signal: S/Nout = 2ES/N0
Link Budget für RF-Datenübertragung:
Note:Für nicht-kohärent ist der Einfluss des Filters mit der Bandbreite Bp bereits in Eb/N0 enthalten:
ideal_peq BB2T
1R
PSK: Eb = Es
ASK: Eb = Es/2FSK: Eb = Es
ES ist auf den RF Kanal bezogen.
RN
EFkTS
0
bmin
NF
10log R
Es/N0
Path Loss
-174 dBm/Hz
EIRP+Gr
Smin
21
Demodulatoren ASK / OOK
Kohärenter DownConverter
Trägerlinie ist im Spektrum PLL
Pulsform: Rechteck
MF: Integrate&Dump
Beispiel Daten …1101…
0
be N
EQP
gleich gut wie Basisband unipolar
22
Demodulatoren ASK / 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,wenn das ideale Bp = 1/T realisiert wird. (vgl. FSK Praktikum)
Bp = äquivalente Bandbreite Bandpassfilter bei RF (oder ZF)
Ideal: Bp = R = 1/T
Für Bp 1/T gilt:
23
Demodulatoren OOK
Think twice !
Coherent gilt nur für: MFNoncoherent nur für Bp =1/T
24
Demodulatoren BPSK
• BPSK kann nur kohärent demoduliert werden ! • Bau allg. Matched Filter auf RF ist eher unmöglich (nur mit teuren SAW Filter)
• Besser: Allgemeiner kohärenter Empfänger nach dem Korrelatorprinzip
• Reference Signal s1(t) ist das Produkt aus: Trägersignal (synchronisiert auf r(t)) und Basisband Pulsform• Es kann für die Implementation auch zerlegt werden
BPSK (polar): s1(t) = -s2(t) = sA(t)·cos(t+)
25
Demodulatoren BPSK
Annahme: Referenzsignale = Trägersignal mit Rechteckpuls als EnveloppeEinfache Umsetzung: Multiplizierer und Integrate&Dump
Benötigt Träger Synchronisation inkl. Phase und Bittakt Kenntnis
I/Q- basierterDSP Empfänger
Alternative Umsetzung:
)tcos()t(m)t(r
)tcos()t(m)t(r 0
from carrier sync
Incl. carrier sync
26
Synchronisation für Kohärenz
Carrier Recoverydurch Quadrieren:hebt Modulation auf!
VCO
kann sogar kleine Frequenzfehler ausregeln!
9
Modulation removed
Orthogonaler Zweigfür PLL
Demod Zweig
sin(2 )
ImplementationCostas Loop:
Praktikum
27
T
Bp
Tor lowpass
Demodulator für Differentielle PSK
BPSK hat nur im Mittel kein Trägersignal im Spektrum noch eine Idee:
Differentiell kodieren* und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen
)N/E/()2/TB(1
N/EQP
0bp
0be
Bp kritisch, nicht zu knapp wählen ( Lit.)
DPSK
z.B. SAW Delay Line
DPSK gilt als non-coherent Modulation
TX:
RX:
XNOR: Bei “0” Phasensprung um
* vgl NRZ Space Code
28
DPSK für schnelle optische DÜ
40 GBit/s LinkEmpfänger basiert aufDelay Interferometer (DI) Phasen Differenz
Delay output2 – output1 = 25 ps
(Träger Licht 193 THz))
10 nm precision
29
Optimum DPSK Demodulator
Besserer Empfänger:
Optimum DPSK
• I/Q Demodulator• Frequenz identisch Tx, Phase egal• Integrate & Dump auf I und Q• Phase mit Vorgänger Phase vergleichen• Entscheid mit I/Q Konstellation
Bessere BER 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
30
Demodulatoren PSK
Think twice !
Coherent gilt nur für: MFNoncoherent nur für Bp =1/T
31
Demodulator FSK coherent
Kohärente Demodulation verlangt Phasen Regeneration von Mark/Space CarrierRealisation möglich mit DSP-based I/Q- Empfänger
0
be N
EQP
• BER identisch mit Unipolar bzw. Orthogonal
Kohärente FSK nur knapp 1 dB besser als nicht-kohärent
from carrier sync
from carrier sync
32
Demodulator FSK noncoherent
FSK ist grob gesehen OOK Modulationen benutzt auf 2 verschiedenen Frequenzen
Vergleich zu OOK: Eb wird verdoppelt, ebenso die Rauschleistungsdichte N0 bzw. Bandbreite, da
Rauschen von beiden Filtern am Entscheider wirksam ist gleiche BER wie OOK
Technische Bandbreite für Übertragung: Bü = [(f2 – f1) + 1/T]
0bp N/E)BT2/(1e e
2
1P nicht-kohärent Bp 1/T 1/T = R
Ideal: Bp = R = 1/T
33
Demodulator FSK noncoherent
Anderer Ansatz mittels I/Q-Demodulation mit Energievergleich
• BER identisch mit OOK• Vorteil des Relativ-Vergleich: dynamische Schwelle • 3 dB weniger Peak Power als OOK• Bezahlt mit min. doppelte Bandbreite
0b N/E2/1e e
2
1P
34
Demodulatoren FSK
Think twice !
Coherent gilt nur für: MFNoncoherent nur für Bp =1/T
Orthogonal FSKgleich gut wie Unipolar
Non-orthogonal FSK ist etwas schlechter
35
Summary
Orthogonal >R/2
Bp = 1/TMF
36
Summary