Digitale Bandpass Übertragung

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Roland Küng, 2009 1

Intro: Bandpass System

ADSL2 (2 - 256-QAM) ISDN Pulsformung 2B1Q ADSL Upstream OFDM Downstream OFDM 1 MB/s 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 *N 0 /2 * 2B • Lösung kohärenter Empfang N 0 einseitige noise power density 3

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 4

Modulation

Folgende Möglichkeiten bieten sich an amplitude modulation 1 0.5

0 -0.5

-1 0 

c

0.5

1     1.5

2 T ime (msec) 2.5

3  3.5

x 10 -3 4 1 0.5

0 -0.5

-1 0 0.5

1 1.5

2 T ime (msec) 2.5

frequency modulation 3 3.5

x 10 -3 4 phase modulation angle modulation 5

Vergleich mit Basisband Identisch BPSK !

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Modulation OOK (ASK) On-Off Keying (OOK) Amplitude Shift Keying (ASK) + Einfachste Hardware Anforderungen + Spart 50% Leistung Schwelleneinstellung für den Entscheider im Empfänger heikel ASK : nicht 100% ausgetastete AM …. z.B. RFID Leser zu Tag 5 V 1 0 V 0 1 1 binary signal 0 1 time 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 10

Datenrate R = 1/T ASK und PSK Pulsspektrum Unterschied OOK Rechteck: MF = Integrate & Dump BPSK Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: B Null to Null Raised Cosine: B p = (1+r)R = 2 R 11

Frequency Shift Keying FSK + Einfache Hardware + Bessere Entscheiderschwelle als OOK durch Relativ-Vergleich - Braucht mehr Bandbreite 5 V 0 V 1 0 Mark 1 1 Space 0 1 time

bit stream FSK signal

12

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 E b /N 0 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 ˚ 14

GPS: BPSK 15

Demodulatoren

Neuer Begriff: Kohärent und Nicht kohärent

Kohärent

= RX nimmt Bezug auf Trägersignal in Frequenz

und

Grund dies zu tun

: Matched Filter Implementation anstreben  Kein Nachteil durch RF Noise Phase Bsp. OOK: 16

Kohärente Demodulation Signal: Die beiden Seitenbänder addieren ihre Spannungen Rauschen: addieren sich nur die Leistungen 17

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 18

Demodulatoren OOK Kohärenter DownConverter Trägerlinie im Spektrum  PLL Pulsform: Rechteck MF: Integrate&Dump P e  Q E b N 0  gleich gut wie Basisband unipolar Beispiel Daten …1101… 19

Demodulatoren OOK Weniger aufwändig und daher billiger und stromsparender: Nichtkohärente Architektur mit Bandpassfilter und Enveloppendetektor P e  1 2 e   1 /( 2 T B p )   E b / N 0 Nur knapp 1 dB schlechter als kohärent wenn B p = 1/T realisiert wird (vgl. FSK Praktikum) B p = äquivalente Bandpassfilterbandbreite 20

Think twice !

Demodulatoren OOK gilt nur für MF!

21

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 22

Demodulatoren DPSK BPSK hat kein Trägersignal im Spektrum - Was tun ?

Ideen 1) Quadrieren hebt Modulation auf  2) Träger zum Regenerieren Differentiell Kodieren und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen DPSK (Basisband oder RF)

P e



Q

  1   (

B p T E b

/ 2 ) /

N

/( 0

E b

/

N

0 )    B p kritisch, nicht zu knapp wählen 23

Kohärente Demodulation BPSK Costas Loop VCO Kann auch kleine Frequenzfehler ausregeln!

24

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 !

P e  1 2 e   E b / N 0 Im Vergleich dazu liefert kohärenter BPSK Empfang: d.h. nur etwas mehr als 0.5 dB besser als Optimum DPSK P e  Q 2 E b N 0 25

Think twice !

Demodulatoren OOK 26

Demodulatoren FSK FSK ist einfach 2 OOK Modulationen benutzt auf 2 verschiedenen Frequenzen E b wird verdoppelt aber auch die Bandbreite B p Rauschen von beiden Filtern am Entscheide wirksam Technische Bandbreite für Übertragung: B ü = (f 2 – f 1 ) +1/T 27

Demodulatoren FSK Anderer Ansatz mittels I/Q-Demodulation: Energievergleich 28

Demodulatoren FSK P e  1 2 e   1 /( 2 T B p )   E b / N 0 P e  Q E b N 0 B p >= 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.

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Summary 30

Summary 31

remember: MF Bandbreite Basisband ist immer B  1 2 T  1 2 R T = Symboldauer R = Symbolrate 32

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