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1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2014.

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Präsentation zum Thema: "1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2014."—  Präsentation transkript:

1 1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2014

2 2 Intro: Bandpass System ISDN Pulsformung 2B1Q ADSL Upstream OFDM Downstream OFDM 1 MB/s 8 MB/s ADSL2 ( QAM)

3 33 Repetition ASV: Mischen X Ausgangssignal: y(t) = 2·s(t)∙cos(2πf 0 t) Spektrum: Y(f) = S(f+f 0 ) + S(f-f 0 ) Totale Senderleistung S TX RX Mischer: z(t) = PL·y‘(t)·cos(2  f 0 t) +n(t) Spektrum (TP gefiltert): Z(f) = Y‘(f+f 0 ) + Y‘(f-f 0 ) +N 0 /2 Totale Empfangsleistung S RX Path Loss PL

4 4 Basisband  RF  Basisband Was ändert sich dabei? Vorschau: Sender mischt Signal auf RF  Power S (E S ) am RX mit doppelter Bandbreite B Additives Rauschen entsteht am Empfängereingang vor ! dem Heruntermischen  Konsequenz: 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 : N 0 /2 N 0 /2 SESSES MF Tx Rx

5 5 3 digitale RF Modulationen vgl. Basisbandsignal Bandpasssignal mit Orthogonal incl. MSK Bitrate R = 1/T

6 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 voltage 0 V 5 V binary signal carrier OOK signal On-Off Keying (OOK) Amplitude Shift Keying (ASK)

7 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 8 RFID – Beispiel mit sehr geringer Bandbreite Bandbreite sparen bei ASK100% mit Hilfe „1 out of 4“ Pulse Position Modulation (2 bit) ISO (Logistik, Access Control) μs

9 9 ASK Puls Power Spectrum 1 Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: B Null to Null = 2 R Bandbreite sparen: Raised Cosine: B p = (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 10 Frequency Shift Keying FSK time voltage 0 V 5 V 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 11 Spektrum FSK (meist CPFSK) Erzeugung mit PLL oder DDS CPFSK = Continuous Phase FSK f2 f1 f2 ff R CP Orthogonal wenn:

12 12 Frequency Shift Keying MSK Bandbreite begrenzen ohne Amplitudenformung: FM Hub minimal machen:  FM = 0.5 (Minimum Shift Keying MSK) Orthogonal für Bsp.: R =200 Bit/s f 0 = 2 kHz  f = 50 Hz

13 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 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 15 Binary Phase Shift Keying (BPSK) Vergleichbar mit Polar im Basisband + Beste E b /N 0 Performance, wie Bipolar im Basisband + Einfache Sender Implementation: nur Double Balanced Mixer nötig - Komplexität im Empfänger am grössten (v.a. Sync) 0˚0˚180˚ 90˚ 270˚ 0˚ = binary 1180˚ = binary 0 +1 Darstellung I/Q

16 16 Beispiel BPSK: GPS

17 17 PSK Puls Power Spectrum 1 Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: B Null to Null = 2 R Bandbreite sparen: Raised Cosine: B p = (1+r)R (vgl. Kap.8) OOK BPSK Datenrate R = 1/T Unterschied: Träger Einfachste Implementation: Rechteckpulse MF = Integrate & Dump 1 Korrekte Bez.: Power Density Spectrum, Leistungsdichtespektrum

18 18 Demodulatoren Neuer Begriff: Kohärent und Nicht-kohärent Kohärent = RX nimmt Bezug auf Trägersignal in Frequenz und Phase Grund 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 19 Signal: Die beiden Seitenbänder addieren ihre Spannungen Rauschen: Es addieren sich nur die Leistungen Kohärente Demodulation I Merksatz:

20 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 Basisband b) Bildet Teil eines Matched Filters für trägermoduliertes Signal: S/N out = 2E S /N 0 Link Budget für RF-Datenübertragung: Note: Für nicht-kohärent ist der Einfluss des Filters mit der Bandbreite B p bereits in E b /N 0 enthalten: PSK: E b = E s ASK: E b = E s /2 FSK: E b = E s E S ist auf den RF Kanal bezogen. NF 10log R Es/N0 Path Loss -174 dBm/Hz EIRP+Gr S min

21 21 Demodulatoren ASK / OOK Kohärenter DownConverter Trägerlinie ist im Spektrum  PLL Pulsform: Rechteck MF: Integrate&Dump Beispiel Daten …1101…  gleich gut wie Basisband unipolar

22 22 Demodulatoren ASK / OOK Weniger aufwändig und daher billiger und stromsparender: Nichtkohärente Architektur mit Bandpassfilter und Enveloppendetektor Nur knapp 1 dB schlechter als kohärent, wenn das ideale B p = 1/T realisiert wird. (vgl. FSK Praktikum) B p = äquivalente Bandbreite Bandpassfilter bei RF (oder ZF) Ideal: B p = R = 1/T Für B p  1/T gilt:

23 23 Demodulatoren OOK Think twice ! Coherent gilt nur für: MF Noncoherent nur für B p =1/T

24 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 s 1 (t) ist das Produkt aus: Trägersignal (synchronisiert auf r(t)) und Basisband Pulsform Es kann für die Implementation auch zerlegt werden BPSK (polar): s 1 (t) = -s 2 (t) = s A (t)·cos(  t+  )

25 25 Demodulatoren BPSK Annahme: Referenzsignale = Trägersignal mit Rechteckpuls als Enveloppe Einfache Umsetzung: Multiplizierer und Integrate&Dump Benötigt Träger Synchronisation inkl. Phase und Bittakt Kenntnis I/Q- basierter DSP Empfänger Alternative Umsetzung: from carrier sync Incl. carrier sync

26 26 Synchronisation für Kohärenz Carrier Recovery durch Quadrieren: hebt Modulation auf! VCO kann sogar kleine Frequenzfehler ausregeln! 9 Modulation removed Orthogonaler Zweig für PLL Demod Zweig sin(2 ) Implementation Costas Loop: Praktikum

27 27 T BpBp T or lowpass Demodulator für Differentielle PSK BPSK hat nur im Mittel kein Trägersignal im Spektrum  noch eine Idee: Differentiell kodieren* und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen B p 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 28 DPSK für schnelle optische DÜ 40 GBit/s Link Empfänger basiert auf Delay Interferometer (DI)  Phasen Differenz Delay output2 – output1 = 25 ps (Träger Licht 193 THz)) 10 nm precision

29 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 ! Im Vergleich dazu liefert kohärenter BPSK Empfang: d.h. nur etwas mehr als 0.5 dB besser als Optimum DPSK

30 30 Demodulatoren PSK Think twice ! Coherent gilt nur für: MF Noncoherent nur für B p =1/T

31 31 Demodulator FSK coherent Kohärente Demodulation verlangt Phasen Regeneration von Mark/Space Carrier Realisation möglich mit DSP-based I/Q- Empfänger BER identisch mit Unipolar bzw. Orthogonal Kohärente FSK nur knapp 1 dB besser als nicht-kohärent from carrier sync

32 32 Demodulator FSK noncoherent FSK ist grob gesehen OOK Modulationen benutzt auf 2 verschiedenen Frequenzen Vergleich zu OOK: E b wird verdoppelt, ebenso die Rauschleistungsdichte N 0 bzw. Bandbreite, da Rauschen von beiden Filtern am Entscheider wirksam ist  gleiche BER wie OOK Technische Bandbreite für Übertragung: B ü = [(f 2 – f 1 ) + 1/T] nicht-kohärent B p  1/T 1/T = R Ideal: B p = R = 1/T

33 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

34 34 Demodulatoren FSK Think twice ! Coherent gilt nur für: MF Noncoherent nur für B p =1/T Orthogonal FSK gleich gut wie Unipolar Non-orthogonal FSK ist etwas schlechter

35 35 Summary Orthogonal >R/2 Bp = 1/T MF

36 36 Summary

37 37 Noisy DSB-Signal: Noise + cos(2  10∙t) + cos(2  16∙t) Ideal down conversion with 13 Hz LO signal Signal Level is identical: coherent addition (Voltage), see Marker Max (dB) Noise Level is 3 dB less: non-coherent addition (Power), see Marker Mean (dB) Proof by Simulation yellow RX input green Mixer output

38 38 DSP Demodulator MSK,GFSK coherent GFSK nicht mehr orthogonal  BER 1…2 dB schlechter als FSK


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