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1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2009.

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Präsentation zum Thema: "1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2009."—  Präsentation transkript:

1 1 Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2009

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

3 3 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

4 4 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

5 5 Modulation amplitude modulation frequency modulationphase modulation angle modulation Folgende Möglichkeiten bieten sich an

6 6 Vergleich mit Basisband Identisch BPSK !

7 7 Modulation OOK (ASK) time voltage 0 V 5 V 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)

8 8 Modulation ASK - RFID

9 9 RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem Bandbreite sparen bei ASK100% mit 1 of 256 Pulse Position Modulation (8 bit) ISO 15693

10 10 RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem X entspricht Stufen

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

12 12 Frequency Shift Keying FSK time voltage 0 V 5 V bit stream FSK signal SpaceMark + Einfache Hardware + Bessere Entscheiderschwelle als OOK durch Relativ-Vergleich - Braucht mehr Bandbreite

13 13 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 kHz Zweck: Reduktion der Bandbreite auf 3 dB Bandbreite = 500 kHz. CPFSK

14 14 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) 0˚0˚180˚ 90˚ 270˚ 0˚ = binary 1180˚ = binary 0

15 15 GPS: BPSK

16 16 Demodulatoren Neuer Begriff: Kohärent und Nicht-kohärent Kohärent = RX nimmt Bezug auf Trägersignal in Frequenz und Phase Grund dies zu tun: Matched Filter Implementation anstreben Kein Nachteil durch RF Noise Bsp. OOK:

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

18 18 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

19 19 Demodulatoren OOK Kohärenter DownConverter Trägerlinie im Spektrum PLL Pulsform: Rechteck MF: Integrate&Dump Beispiel Daten …1101… gleich gut wie Basisband unipolar

20 20 Demodulatoren OOK Weniger aufwändig und daher billiger und stromsparender: Nichtkohärente Architektur mit Bandpassfilter und Enveloppendetektor Nur knapp 1 dB schlechter als kohärent wenn B p = 1/T realisiert wird (vgl. FSK Praktikum) B p = äquivalente Bandpassfilterbandbreite

21 21 Demodulatoren OOK Think twice ! gilt nur für MF!

22 22 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

23 23 Demodulatoren DPSK BPSK hat kein Trägersignal im Spektrum - Was tun ? Ideen 1)Quadrieren hebt Modulation auf Träger zum Regenerieren 2)Differentiell Kodieren und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen DPSK B p kritisch, nicht zu knapp wählen (Basisband oder RF)

24 24 Costas Loop Kohärente Demodulation BPSK VCO Kann auch kleine Frequenzfehler ausregeln!

25 25 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 ! Im Vergleich dazu liefert kohärenter BPSK Empfang: d.h. nur etwas mehr als 0.5 dB besser als Optimum DPSK

26 26 Demodulatoren OOK Think twice !

27 27 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

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

29 29 Demodulatoren FSK nicht-kohärent B p >= 1/T 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.

30 30 Summary

31 31 Summary

32 32 remember: MF Bandbreite Basisband ist immer T = Symboldauer R = Symbolrate

33 33


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