Transmisja cyfrowa Sygnały naturalne i zmodulowane

Transkrypt

1 Transmisja cyfrowa Sygnały naturalne i zmodulowane Krzysztof Włostowski chrisk@tele.pw.edu.pl pok. 467 tel

2 System transmisyjny sygnał analog. R b [bit/s] R c [bit/s] R S [baud] Kodowanie źródła Multiplexer Szyfrowanie Danych Kodowanie Korekcyjne Scrambling Modulator Do układów RF i anteny sygnał cyfrowy Bit error rate (BER) Pasmo z anieny i układów RF Demodulator Descrambler Dekoder Deszyfracja Demultiplexer użytkow. R c [bit/s] R b [bit/s] 2

3 Transmisja cyfrowa Rodzaje transmisji asychroniczna (start-stopowa) synchroniczna Tryby transmisji transmisja jednokierunkowa - Simpleks dwukierunkowa Half-Dupleks (transmisja naprzemienna w obu kierunkach) Full Dupleks (transmisja jednoczesna w obu kierunkach 3

4 Transmisja cyfrowa Transmisja asynchroniczna Format znaku Transmisja znaków 8- bitowych 4

5 Transmisja cyfrowa Transmisja synchroniczna DANE Elementowa podstawa czasu (zegar) T b Dane transmitowane bez bitów startu i stopu Konieczna synchronizacja nadawczej i odbiorczej elementowej postawy czasu (zegarów nadajnika i odbiornika) 5

6 Sygnały cyfrowe Sygnały naturalne (baseband) Sygnały zmodulowane przepływność binarna R b = 1/T b [bit/s] T b szybkość modulacji R m = 1/T m [Bd] T m modulacja czterowartościowa (M=4) R b =R m log 2 M 6

7 Widmo sygnału x(t) X(ω) t Ғ t ω widmo sygnału x(t) X(ω) ) = x(t) ) e -jωt dt - x(t) ) = 1 X(ω) ) e jωt dω 2π (ω=2 =2πf) - 7

8 e -jω t = cosωt - jsinωt Widmo sygnału X(ω) ) = x(t)cos cosωt dt-j - - x(t)sin sinωt dt = = a(ω) - jb(ω) ) = X(ω X(ω) e -jφ(ω) widmo amplitudowe widmo fazowe X(ω X(ω) = a ) = a 2 (ω) + b + b 2 (ω) -b( b(ω) Φ(ω) = arctg a( a(ω) 8

9 Sygnały cyfrowe impulsy elementarne sygnały okresowe sygnały losowe 9

10 Impulsy elementarne x(t) Impuls prostokątny - T 2 T 2 t T/2 X(ω) ) = e -jωt dt = T -T/2 sinπft πft = TSa(πfT) 10

11 Impulsy elementarne x(t) - T 2 T 2 t Dipuls T/2 X(ω) ) = e -jωt dt = -T/2 2 sin πf sin 2 πft 11

12 Impulsy elementarne widmo impulsu prostokątnego widmo dipulsu T T T T f 12

13 Sygnały okresowe T o T b x(t) = x(t+nt o ) 13

14 Sygnały okresowe X(f) f 1 T b 2 3 Tb Tb f 1 f = To 14

15 Sygnały losowe Własności widmowe sygnału przypadkowego opisuje funkcja widmowej gęstości mocy G(f) wyznaczana jako transformata Fouriera funkcji autokorelacji R s (τ) dowolnie wybranej realizacji sygnału losowego x(t). R s (τ) = lim T 1 2T T -T x(t)x(t-τ)dt G(f) = Ғ[R s (τ)] 15

16 Sygnały losowe x(t) V - V t/t Binarny sygnał losowy R s (τ) V 2 1 0,5 G(f) = T sin2 (π ft) (π ft) 2 -T T Funkcja autokorelacji τ -3/T - 2/T - 1/T 0 1/T 2/T 3/T f Widmowa gęstość mocy 16

17 Kodowanie transmisyjne (liniowe) Podstawy Telekomunikacji PTT Odwzorowanie informacji (sekwencji binarnej) w ciąg impulsów elektrycznych które mogą być przesłane w kanale Pożądane parametry sygnał wyjściowego brak składowej stałej efektywność widmowa (jak największa część energii sygnału skupiona w jak najwęższym paśmie) dobre właściwości synchronizacyjne (zmiany w sygnale liniowym) możliwość detekcji błędów mała złożoność układowa 17

18 Kody transmisyjne Podstawy Telekomunikacji PTT dane T b unipolarny NRZ bipolarny NRZ RZ Bifazowy (Manchester) Bifazowy różnicowy 18

19 Kody transmisyjne Podstawy Telekomunikacji PTT Widmowa gęstość mocy NRZ AMI Bifazowy fTb 19

20 Kody transmisyjne Podstawy Telekomunikacji PTT dane T b AMI (Alternate Mark Inversion) CMI 20

21 Skrambling Skrambler wy we + T b T b T b T b w(x) = x 4 +x Deskrambler we T b T b T b T b + + wy 21

22 Skrambling n wielomian n wielomian 3 x 3 +x x 4 +x x 5 +x x 6 +x x 7 +x x 8 +x 7 +x 2 +x+1 9 x 9 +x x 10 +x x 11 +x x 12 +x 11 +x 10 +x x 13 +x 12 +x 11 +x+1 14 x 14 +x 13 +x 12 +x x 15 +x x 16 +x 14 +x 13 +x x 17 +x x 18 +x x 19 +x 18 +x 17 +x x 20 +x

23 Sygnały cyfrowe 23

24 Sygnały zmodulowane Podstawy Telekomunikacji PTT x(t) sygnał modulujący Modulator s(t) sygnał zmodulowany x(t) = Σ n b n g(t- nt m ) g(t) - impuls kształtujący 24

25 Sygnały zmodulowane amplituda kąt s(t) = A(t) cosφ(t) Φ(t) = ω o + φ(t) ω = 2πf 2 = dφ dt ω o φ(t) pulsacja chwilowa pulsacja nośna faza 25

26 Modulacje cyfrowe ASK (Amplitude Shift Keying) modulacja z kluczowaniem amplitudy FSK (Frequency Shift Keying) modulacja z kluczowaniem częstotliwości PSK (Phase Shift Keying) modulacja z kluczowaniem fazy QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulacja mieszana będąca złożeniem modulacji amplitudy (AM) i fazy (PM) 26

27 Modulacje cyfrowe Efektywność widmowa Γ = R b /B [bit/shz] R b - szybkość transmisji (bit/s) B - pasmo częstotliwości zajmowane przez sygnał 27

28 Modulacja amplitudy - ASK /T b s(t) A0 cos( 2πf 0t) = A1 cos( 2πf 0t) dla binarnego 0 dla binarnej 1 28

29 Modulacja częstotliwości - FSK Podstawy Telekomunikacji PTT f 1 f 2 t/t b s(t) A cos( 2πf ) = 1t A cos( 2πf 2t) dla binarnego 0 dla binarnej 1 29

30 Modulacja częstotliwości - FSK Podstawy Telekomunikacji PTT częstotliwość środkowa f 0 = f 1 + f 2 2 dewiacja f = f 2 -f 1 2 wskaźnik modulacji 2 f m = R m m = 0.5 modulacja MSK (Minimum Shift Keying) G(f) m=0.5 f f 0-1/T b f 0 f 0 +1/T b 30

31 Modulacja częstotliwości B f GMSK Dane NRZ R b =1/T b Filtr DP (ch-styka Gaussa) Modulator MSK s(t) Modulator Zajmowane pasmo (znormalizowane do R b ) dla określonego % energii sygnału 31

32 Modulacja częstotliwości - GMSK Podstawy Telekomunikacji PTT G(f) [db] B f T b Widmowa gęstość mocy sygnału QPSK dla różnych wartości B f T b częstotliwość znormalizowana (f-f o )/T b 32

33 Modulacja fazy - PSK φ 0 φ 1 t/t b s(t) = Acos(2πf 0 t + φ 0 (t)) Acos(2πf 0 t + φ 1 (t)) dla binarnego 0 dla binarnej 1 33

34 Modulacja fazy - PSK BPSK Binary PSK DBPSK Differential Binary PSK QPSK (4- PSK) 8- PSK 11 34

35 Modulacja fazy - PSK impulsy prostokątne typu podniesiony kosinus Widmowa gęstość mocy (w db) sygnału BPSK 35

36 Modulacje cyfrowe Sygnał zmodulowany: s(t) = A(t) cos(2πf 0 t + φ(t)) A(t) modulacja amplitudy φ(t) modulacja kąta (fazy lub częstotliwości) s(t) = s I (t)cos2πf 0 t + s Q (t)sin2πf 0 t s I (t) -składowa synfazowa (inphase) sygnału s Q (t) -składowa kwadraturowa (quadrature) sygnału A(t) = (s I2 (t) + s Q2 (t)) 1/2 φ(t)=arctg(s Q (t)/s I (t) 36

37 Modulacje cyfrowe składowa kwadraturowa q s q s n A φ i s i składowa synfazowa Graficzna interpretacja elementu sygnału zmodulowanego 37

38 Modulacje cyfrowe składowa kwadraturowa sin2πf 0 t {d n } układ odwzorowania {q n } filtr kształtujący s Q (t) + Σ s(t) {i n } filtr kształtujący + s I (t) składowa synfazowa cos2πf 0 t Modulator kwadraturowy 38

39 Modulacja fazy QPSK q składowa kwadraturowa (01) 1 (00) R b /2 T b q n =±1-1 1 i {d n } R b =1/T b konwerter szereg./równ. cos2πf c t 90 0 Σ s(t) (11) (10) -1 R b /2 i n =±1 składowa synfazowa konstelacja QPSK modulator QPSK / OQPSK 39

40 Modulacja fazy - QPSK impulsy prostokątne typu podniesiony kosinus Widmowa gęstość mocy (w db) sygnału QPSK 40

41 Modulacje cyfrowe G(f) częstotliwość Porównanie widmowej gęstości mocy sygnału MSK z sygnałami QPSK i OQPSK 41

42 Modulacje mieszane - QAM Podstawy Telekomunikacji PTT QAM (Γ = 4 bit/shz) 42

43 Modulacje cyfrowe Podstawy Telekomunikacji PTT BER Elementowa stopa błędów 43

44 Orthogonal Frequency requency Division ivision Multiplexing Rodzaj transmisji wieloczęstotliwościowej (wielotonowej) Dostępne pasmo kanału transmisyjnego podzielone jest na wiele (N) wąskich pasm (podkanałów). Dane transmitowane są równolegle w wydzielonych podkanałach Nośne podkanałów są wzajemnie ortogonalne (odstęp między sąsiednimi nosnymi wynosi f=1/t, gdzie T jest odstępem jednostkowym modulacji) Generacja i odbiór sygnału realizowane są w oparciu o algorytmy transformaty Fouriera (IFFT w nadajniku i FFT w odbiorniku) 44

45 Modulacje wielotonowe - OFDM Podstawy Telekomunikacji PTT N nośnych dane częstotlwość B f 0 nośna B symbol OFDM T=1/f 0 czas 45

46 Modulacje wielotonowe f 1 R/N Modulator 1 Data R=1/T Parallel / Serial R/N R/N f 2 Modulator 2 f N Modulator N Σ s(t) System wielotonowy 46

47 Modulacje wielotonowe - OFDM Podstawy Telekomunikacji PTT Generacja i odbiór sygnału OFDM 47

48 Modulacje wielotonowe - OFDM Podstawy Telekomunikacji PTT Zalety OFDM Eliminacja zakłóceń powodowanych przez interferencję międzysymbolową ISI (InterSymbol Interference) Zastosowanie w miejsce pojedynczego strumienia danych o dużej szybkości równoległej transmisji strumieni danych o małych przepływnościach powoduje wydłużenie odstępu jednostkowego modulacji do wartości odpowiadającej długości odpowiedzi kanału. Wysoka efektywność widmowa Duża elastyczność umożliwiająca optymalizację systemu pod kątem maksymalnej przepływności przez odpowiednią alokację mocy i wartościowości modulacjiw podkanałach. 48

49 Modulacje wielotonowe - OFDM Podstawy Telekomunikacji PTT Wady OFDM Wrażliwość na zaniki selektywne Wymagana precyzyjna synchronizacja, konieczne jest stosowanie odpowiednich procedur (sekwencje treningowe, sygnały pilotowe) Wrażliwość na zniekształcenia nieliniowe wprowadzane przez kanał transmisyjny z uwagi na dużą dynamikę zmian amplitudy w sygnale OFDM 49

50 Modulacje wielotonowe - OFDM Podstawy Telekomunikacji PTT kanał wielodrogowy, max. opóźnienie τ max =224µs System z pojedynczą nośną (single carrier) szybkość transmisji R =1/T= 7.4 Msym/s. Poziom interferencji międzysmbolowej ISI (Inter-Symbol Interference): τ max /T= 1600 System wielotonowy (multicarrier) Strumień danych o szybkości R podzielony jest na N równoległych strumieni o szybkościach R mc = 1/T mc = R/N. ISI zostaje zredukowana do wartości: τ max /T mc = τ max /(TN) Dla DVB-T liczba nośnych wynosi N=8192 co daje ISI: τ max /T mc =0.2 50

51 Modulacje wielotonowe - OFDM Podstawy Telekomunikacji PTT Zastosowania: Telewizja cyfrowa DVB-T (Digital Video Broadcasting for Terrestrial) Cyfrowe radio DAB (Digital Audio Broadcasting) Szybka transmisja danych po przyłączach abonenckich ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loops) VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Loops) Bezprzewodowy dostęp do sieci LAN (IEEE g) Sieci WiMax 51