Systemy i Sieci Radiowe

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Systemy i Sieci Radiowe"

Patrycja Kowalczyk
8 lat temu
Przeglądów:

1 Systemy i Sieci Radiowe Wykład 2 Wprowadzenie część 2 Treść wykładu modulacje cyfrowe kodowanie głosu i video sieci - wiadomości ogólne podstawowe techniki komutacyjne 1

2 Schemat blokowy Źródło informacji Koder źródłowy 1011 Koder kanałowy Kształtowanie impulsu modulator Kanał transmisyjny decyzja detektor demodulator WyraŜanie sygnału jako sumy waŝonej Założenie: sygnał składa się z M sygnałów s i (t), i=1,,m Każdy sygnał może być reprezentowany jako liniowa suma funkcji bazowych N s i ( t) = s ij φ j ( t) i = 1,..., M j =1 0 t T Funkcje bazowe muszą być ortonormalne φ j φ i ( t)φ j ( t) dt = 0 i j 1 i = j φ k φ i 2

sygnałów s i (t), i=1,,m Każdy sygnał może być reprezentowany jako liniowa suma funkcji bazowych N s i ( t) = s

3 Rozmiar przestrzeni sygnału Liczba funkcji bazowych niezbędnych do wyrażenia sygnału zależy od rozmiarowości sygnału Dla niektórych sygnałów wystarczy jedna funkcja bazowa, niektóre potrzebują nieskończenie wiele Liczba N, określająca liczbę funkcji bazowych, zawsze jest mniejsza bądź równa liczbie sygnałów składowych N <= M Konstelacja sygnału Znalezienie poszczególnych komponentów sygnału w dwóch wymiarach tworzy konstelację sygnału φ 2 s4 s s1 φ 1 s3 3

liczbę funkcji bazowych, zawsze jest mniejsza bądź równa liczbie sygnałów składowych N <= M Konstelacja sygnału

4 Wykorzystywanie konstelacji Ortogonalność i energia sygnału ortogonalność s 1 i s 4 są ortogonalne Iloczyn < s 1, s 4 > = s 11 xs 41 +s 12 xs 42 =(1)(0.5)+(1)(-0.5)=0 s2-0.5 φ 2 s s1 φ 1 Energia sygnału E i = T 0 N j =1 s ij φ j (t) T E i = s 2 i (t)dt N k =1 0 T N N T s ik φ k (t) dt E i = s 2 ij φ 2 j ( t) dt = s ij2 φ 2 j ( t)dt 0 j =1 j=1 0 N T 2 s ij φ 2 N 2 j ( t)dt = s ij j =1 10 j = Energia sygnału jest kwadratem długości odpowiedniego wektora w konstelacji =1 s3 Wykorzystywanie konstelacji Korelacja i odległość między sygnałami korelacja θ s1 s2 cos( θ 12 ) = s 1 T s 2 s 1 s 2 transpozycja Przykład: s 1 =(1,2) T s 2 =(2,1) T s T 1 s 2 = [ 1 2] 2 1 = = 4 s 1 = = 5 s 2 = 4 +1 = 5 cos( θ 12 ) = θ 12 = 36.9 o = 4 5 odległość 2 d 12 ( ) 2 2 = s 1 s 2 = s 1 j s 2 j = (1) 2 + (1) 2 = 2 d 12 = 2 N j =1 4

s ij j =1 10 j =1 42 43 Energia sygnału jest kwadratem długości odpowiedniego wektora w konstelacji =1 s3 Wykorzystywanie konstelacji Korelacja i odległość między sygnałami korelacja θ s1 s2 cos( θ

5 Typy modulacji modulacje z kluczowaniem fazy (PSK) BPSK QPSK (większa efektywność wykorzystania kanału transmisyjnego) DBPSK, DQPSK (modulacje różnicowe, stan przenosi informacje o zmianie wartości bitów informacji) modulacje z kluczowaniem częstotliwości (FSK) ściśle związane z kluczowaniem fazy zmiana częstotliwości -> ciągła liniowa zmiana fazy modulacje z kluczowaniem amplitudy (QAM) jednoczesna zmiana amplitudy i fazy sygnału duża efektywność widmowa trudności w realizacji, mniejsza odporność na zakłócenia modulacja wieloczęstotliwościowa OFDM Podstawowe modulacje cyfrowe 5

kluczowaniem fazy zmiana częstotliwości -> ciągła liniowa zmiana fazy modulacje z kluczowaniem amplitudy (QAM) jednoczesna zmiana amplitudy i fazy

6 PSK - Kluczowanie fazy sygnał reprezentowany w następujący sposób 2π sm( t) = g( t) cos 2πf ct + ( m 1) = M 2π 2π = g( t) cos ( m 1) cos(2πf ct) g( t) sin ( m 1) sin(2πf ct) M M gdzie: g(t) reprezentuje kształt impulsu sygnału cos( 2π f c t) sin( 2πf c t) m =1,2,3,..., M, - składowe fali nośnej 2π 2π cos ( m 1), sin M ( m 1) M - składowe kwadraturowe PSK dostępne fazy sygnału przypadek PSK dla M=2 (BPSK) oraz M=4 (QPSK) M= M= W typowej modulacji PSK do każdego symbolu przypisana jest konkretna wartość fazy sygnału 6

.., M, - składowe fali nośnej 2π 2π cos ( m 1), sin M ( m 1) M - składowe kwadraturowe PSK dostępne fazy sygnału przypadek PSK dla M=2

7 QPSK Quadrature Phase Shift Keying Modulacja 4-poziomowa Każde dwa bity łączone i mapowane na jedną z 4 faz sygnału RF fazy 45 o,135 o,225 o,315 o 2E s i (t) = T cos 2πf ct + (2i 1) π,i = 1,2,3,4 4, 0 t T 0 Szerokość symbolu Energia symbolu Konstelacja QPSK o E Funkcje bazowe φ 1 ( t) = 2 T cos2πf ct S=[0.7 E,- 0.7 E] φ 2 ( t) = 2 T sin2πf ct 7

π,i = 1,2,3,4 4, 0 t T 0 Szerokość symbolu Energia symbolu Konstelacja QPSK 01 00 45 o E

8 Obszary decyzyjne w QPSK QPSK stopa błędu Symbolowa stopa błędu SER dla QPSK P e = erfc( E 2N o ) Błąd symbolu gdy wektor odebrany należy do innej części konstelacji s2 11 s1 00 Gdy s 1 błędnie odczytany jako s 2, 00 => 11 8

Błąd symbolu gdy wektor odebrany należy do innej części

9 Błąd symbolu vs. błąd bitowy Gdy pojawia się błąd symbolu, może to być bardziej niebezpieczne dla sygnału niż bład bitowy symboli = 20 bitów Błąd symbolu=1/10 Błąd bitowy=1/20 QPSK vs. BPSK Porównanie bitowej stopy błędu i zajmowanego pasma BER Pasmo BPSK QPSK BPSK QPSK 1 2 erfc E b 1 N o 2 erfc E b N o R b R b /2 9

sygnału niż bład bitowy 00 00 10 10 11 10 11 10 11 10 10 symboli = 20 bitów Błąd

10 Idealny sygnał zmodulowany QPSK Sygnał zmodulowany QPSK 20% nierównomierności amplitudy 10

11 Sygnał zmodulowany QPSK 8 o błąd fazy Sygnał zmodulowany QPSK Niedostateczne tłumienie fali nośnej (CS=17.6dB) 11

12 DPSK róŝnicowa modulacja fazy dla każdego symbolu detekowana różnica faz między symbolem obecnym a poprzednim zmiana w fazie wskazuje na zmianę w symbolu brak konieczności detekcji koherentnej brak konieczności każdorazowej estymacji fazy sygnału znacznie prostsze projektowanie odbiornika DPSK prawdopodobieństwo błędu bitowego 12

konieczności detekcji koherentnej brak konieczności każdorazowej estymacji fazy

13 Efektywność wykorzystania pasma Efektywność wykorzystania pasma liczba bitów, które mogą być wytransmitowane w 1 Hz pasma η=r b /B T bits/sec/hz W modulacjach binarnych BT=Rb/2--> η=2 bits/sec/hz W modulacjach M-wartościowych, przepływność impulsowa R=Rb/logM. Pasmo BT=R= Rb/logM. Współczynnik wykorzystania pasma η=rb/bt=logm bits/sec/hz dla M=2, η= 1 bit/sec/hz, dla M=16, η= 4 bits/sec/hz Różnica w wykorzystywanym pasmie BM-ary=Bbinary/logM 8-PSK - konstelacja 8 fazorów na okręgu o promieniu E 45 o Obszary decyzyjne 13

14 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) MPSK schemat modulacji fazy Wszystkie amplitudy takie same QAM opisana przez konstelację złożoną z kombinacji faz i amplitud Zasada mapowania bitów na symbole n bitów -> M=2 n symboli 16-QAM - konstelacja 16-QAM wykorzystuje kody Graya Sąsiednie symbole różnią się na 1 bicie

symbole n bitów -> M=2 n symboli 16-QAM - konstelacja 16-QAM wykorzystuje kody Graya 0000 0001

15 Wektorowa reprezentacja 16-QAM Macierz 4x4 opisująca konstelację 16-QAM ( 3,3) ( 1,3) ( 1,3) ( 3,3) ( 3,1) ( 1,1) ( 1,1) ( 3,1) [a i,b i ] = ( 3, 1) ( 1, 1) ( 1, 1) ( 3, 1) ( 3, 3) ( 1, 3) ( 1, 3) ( 3, 3) Energia symbolu w QAM W QAM trudność w zdefiniowaniu energii na symbol E Konieczne zdefiniowanie średniej energii M symbolu E avg a 2 2 ( i + b i ) E avg = 1 M E = Obliczenie E avg z wykorzystaniem macierzy [a i,b i ] oraz równania E=a i^2+b i^2 i =1 E avg =10 15

zdefiniowaniu energii na symbol E Konieczne zdefiniowanie średniej energii M symbolu E avg a 2 2 ( i + b i ) E avg = 1 M 18 10

16 BFSK suma strumieni RF BFSK może być traktowana jako suma dwóch sygnałów, jeden o częstotliwości f 1 i drugi - o f BFSK for Modelowanie pasma BFSK Każdy strumień stanowi falę nośną modulowaną sygnałem, każda z nich ma widmo Sa f 1/T b =R b B T =2 f+2r b f= (f 2 -f 1 )/2 f 1 f 2 f c f c =(f 1 +f 2 )/2 16

8 0-1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-0.

17 Porównanie konstelacji BPSK i BFSK Odległości determinują BER 2 E b E b 1.4 E b E b E b E b Obie modulacje mają takie samo E b, ale sygnały BPSK są od siebie bardziej odległe - mniejszy BER Modulacja wieloczęstotliwościowa OFDM technika formowania sygnału z wykorzystaniem wielu nośnych każdy symbol zajmuje wąskie pasmo będące fragmentem pasma kanału transmisyjnego ciągi symboli transmitowane równolegle poszczególne nośne modulowane z wykorzystaniem standardowych modulacji 17

Modulacja wieloczęstotliwościowa OFDM technika formowania sygnału z wykorzystaniem wielu nośnych każdy symbol zajmuje

18 OFDM Dostęp przyszłości??? przydatna do szybkiej transmisji informacji w kanałach wielodrogowych mała wrażliwość na zakłócenia międzysymbolowe czas transmisji symbolu stosunkowo długi w porównaniu z opóźnieniami wysoki współczynnik wykorzystania pasma niezależność wszystkich łączy implikuje dużą niezawodność elastyczne planowanie i wykorzystanie zasobów radiowych formowanie sygnału wymaga dużych mocy obliczeniowych znaczna dynamika zmian poziomu sygnału wysokie wymagania na liniowość urządzeń przetwarzających sygnaływ.cz. Kodowanie video 18

symbolu stosunkowo długi w porównaniu z opóźnieniami wysoki współczynnik wykorzystania pasma niezależność wszystkich łączy implikuje

19 Kodowanie video - makrobloki Kodowanie video - rozdzielczości 19

20 Kodowanie video - rozdzielczości Kodowanie video - MPEG 20

21 Kodowanie video MPEG (poziomy) Kodowanie video CBR 21

22 Kodowanie video VBR Kodowanie - podsumowanie 22

23 Sieci Techniki komutacji 23

24 Techniki komutacji Techniki komutacji 24

25 Techniki komutacji Techniki komutacji 25

Podobne dokumenty

2. STRUKTURA RADIOFONICZNYCH SYGNAŁÓW CYFROWYCH

2. STRUKTURA RADIOFONICZNYCH SYGNAŁÓW CYFROWYCH 1. WSTĘP Radiofonię cyfrową cechują strumienie danych o dużych przepływnościach danych. Do przesyłania strumienia danych o dużych przepływnościach stosuje się transmisję z wykorzystaniem wielu sygnałów