Krzysztof Włostowski. pok. 467 tel PTC -wykład 5,6,7

Transkrypt

1 Krzysztof Włostowski pok. 467 tel PTC -wykład 5,6,7

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

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

4 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 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 PTC -wykład 5,6,7

6 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=2πf) - PTC -wykład 5,6,7

7 e -jωt = cosωt - jsinωt X(ω) = x(t)cosωt dt- j - - x(t)sinωt dt = = a(ω) - jb(ω) = X(ω) e -jφ( jφ(ω) widmo amplitudowe widmo fazowe X(ω) = a 2 (ω) + b 2 (ω) -b( b(ω) Φ(ω) = arctg a(ω) PTC -wykład 5,6,7

8 impulsy elementarne sygnały okresowe sygnały losowe PTC -wykład 5,6,7

9 x(t) Impuls prostokątny - T 2 T 2 t T/2 X(ω) = e -jωt dt = T -T/2 sinπft πft = TSa(πfT) PTC -wykład 5,6,7

10 x(t) T 2 Dipuls - T 2 t T/2 X(ω) = e -jωt dt = -T/2 2 sin πf sin 2 πft PTC -wykład 5,6,7

11 widmo impulsu prostokątnego widmo dipulsu T T T T f PTC -wykład 5,6,7

12 PTC -wykład 5,6,7

13 T o T b x(t) = x(t+nt o ) PTC -wykład 5,6,7

14 X(f) f 1 T b 2 3 Tb Tb f 1 f = To PTC -wykład 5,6,7

15 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)]

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

17 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 PTC -wykład 5,6,7

18 dane T b unipolarny NRZ bipolarny NRZ RZ Bifazowy (Manchester) Bifazowy różnicowy

19 NRZ AMI 2fTb Widmowa gęstość mocy Bifazowy

20 T b dane AMI (Alternate Mark Inversion) CMI

21 Kody transmisyjne 2B1Q 00 +3V 01 +1V 10-1V 11-3V V +1V -1V -3V

22 Skrambler wy we + T b T b T b T b + w(x) = x 4 +x 3 +1 Deskrambler we T b T b T b T b + + wy

23 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 17 +1

24 B T 1

25 x(t) sygnał modulujący Modulator s(t) sygnał zmodulowany x(t) = Σ n b n g(t-nt m ) g(t) - impuls kształtujący PTC -wykład 5,6,7

26 amplituda kąt s(t) = A(t) cosφ(t) Φ(t) = ω o + φ(t) ω = 2πf = dφ dt ω o φ(t) pulsacja chwilowa pulsacja nośna faza PTC -wykład 5,6,7

27 ASK(AmplitudeShift Keying) modulacja z kluczowaniem amplitudy FSK(Frequency Shift Keying) modulacja z kluczowaniem częstotliwości PSK(PhaseShift Keying) modulacja z kluczowaniem fazy QAM(Quadrature Amplitude Modulation) modulacja mieszana będąca złożeniem modulacji amplitudy (AM) i fazy (PM) PTC -wykład 5,6,7

28 Efektywność widmowa Γ = R b /B [bit/shz] R b - szybkość transmisji (bit/s) B - pasmo częstotliwości zajmowane przez sygnał PTC -wykład 5,6,7

29 /T b s(t) A0 cos( 2πf 0t) = A1 cos( 2πf 0t) dla binarnego 0 dla binarnej 1

30 f 1 f 2 t/t b s(t) A cos( 2πf ) = 1t A cos( 2πf 2t) dla binarnego 0 dla binarnej 1

31 częstotliwość środkowa f 0 = wskaźnik modulacji f 1 + f 2 2 m = 2 f R m dewiacja f = f 2 - f 1 2 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

32 GMSK B f 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

33 G(f) [db] B f T b Widmowa gęstość mocy sygnału QPSK dla różnych wartości B ft b częstotliwość znormalizowana (f-f o )/T b

34 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

35 BPSK Binary PSK DBPSK Differential Binary PSK QPSK (4-PSK) 8-PSK 11

36 impulsy prostokątne typu podniesiony kosinus Widmowa gęstość mocy (w db) sygnału BPSK

37 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) PTC -wykład 5,6,7

38 składowa kwadraturowa q s q s n A φ i s i składowa synfazowa Graficzna interpretacja elementu sygnału zmodulowanego

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

40 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

41 QPSK, OQPSK φ max =180 0 φ max =90 0

42 π/4 QPSK π/4 QPSK φ max =135 0 niekoherentny odbiór

43 Modulacje cyfrowe demodulacja koherentna Acos(2πf 0 +θ i ) odtwarzanie nośnej Acos(2πf 0 t) Filtr DP Acosθ i demodulacja różnicowa opóźnienie T Filtr DP PTC -wykład 5,6,7

44 impulsy prostokątne typu podniesiony kosinus Widmowa gęstość mocy (w db) sygnału QPSK

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

46 QAM (Γ = 4 bit/shz)

47 Modulacje cyfrowe BER Elementowa stopa błędów PTC -wykład 5,6,7

48 f 1 R/N Modulator 1 f 2 Data R=1/T Parallel / Ser rial R/N R/N Modulator 2 f N Modulator N Σ s(t) System wielotonowy

49 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 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 m, gdzie T m jest odstępem jednostkowym modulacji) Generacja i odbiór sygnału realizowane są w oparciu o algorytmy transformaty Fouriera (IFFT w nadajniku i FFT w odbiorniku)

50 Propagacja w kanale radiowym wielodrogowość propagacji sygnału tłumienie sygnału odbicia sygnału rozpraszanie (dyspersja) sygnału ugięcia sygnału zaniki sygnału wpływ efektu Dopplera

51 Wielodrogowość propagacji moc odebrana opóźnienie 3 1 2

52 Sygnał odebrany jest sumą sygnałów docierających do odbiornika różnymi drogami. Kopie sygnału oryginalnego docierają z różnym poziomem (mocą), różnymi opóźnieniami i przesunięte w fazie. Wynikiem jest interferencja (nakładanie się) między elementami sygnału nadawanego. Poziom interferencji zależy od długości odpowiedzi kanału i szybkości transmisji. Eliminacja interferencji międzysymbolowej ISI (Inter-Symbol Interference) realizowana jest poprzez zastosowanie transmisji wielotonowej - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

53 R b =1/T=7.4Msym/s przepływność τ max =224µs długość odpowiedzi kanału System z pojedynczą nośną ISI τ max /T=1600 symboli System wieloczęstotliwościowy N=8192 nośne R c =1/T c =R b /N przepływności w podkanałach ISI τ max /T c = τ max /TN=0.2 symbolu

54

55 Generacja i odbiór sygnału OFDM

56 Dla m-tego odstępu jednostkowego modulacji sygnał OFDM można opisać wzorem: 1 s t D g t mt N 1 m( ) = m, n N n = 0 n ( ) gdzie: N jest liczbą nośnych D m,n reprezentuje zespolony sygnał danych modulujący n-tą nośną w m-tym odstępie modulacji

57 g n (t) definiuje kształt impulsu w paśmie podstawowym : gn( t) exp( j2 π n ft) 0 t T = 0 Wyjściowy sygnał OFDM określa wzór: 1 N 1 ( ) = m, n n( ) s t D g t mt N m= 0 n= 0

58 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.

59 DMT Discrete Multi-Tone DMT jest rodzajem modulacji OFDM wykorzystywanym w systemach DSL (Digital Subscriber Loops) DMT wykorzystuje 224 nośne dla kierunku w dół (downstream) i 32 nośne dla kierunku w górę (upstream), odległość między sąsiednimi nośnymi wynosi kHz

60 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

61 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