Digitale Bandpass Übertragung © Roland Küng, 2009

Intro: Bandpass System ADSL2 (2 - 256-QAM) ISDN Pulsformung 2B1Q ADSL Upstream OFDM Downstream OFDM 1 MB/s 8 MB/s

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

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

Modulation Folgende Möglichkeiten bieten sich an amplitude modulation frequency modulation phase modulation angle modulation

Vergleich mit Basisband Identisch BPSK !

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 time voltage 0 V 5 V 1 binary signal OOK signal carrier

Modulation ASK - RFID

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

RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem X entspricht Stufen

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

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

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

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 1 180˚ = binary 0

GPS: BPSK

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:

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

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

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

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

Demodulatoren OOK Think twice ! gilt nur für MF!

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

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

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

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

Demodulatoren OOK Think twice !

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

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

Demodulatoren FSK Bp >= 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.

Summary

Summary

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