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Digitale Bandpass Übertragung

© Roland Küng, 2009

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Intro: Bandpass System

ISDN Pulsformung 2B1Q

ADSL Upstream OFDM Downstream OFDM1 MB/s 8 MB/s

ADSL2(2 - 256-QAM)

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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

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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

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Modulation

sin 2c cv V f t

amplitude modulation frequency modulation

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (msec)

Vol

tage

(V

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (msec)

Vol

tage

(V

)

phase modulation

angle modulation

Folgende Möglichkeiten bieten sich an

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Vergleich mit Basisband

Identisch BPSK !

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Modulation OOK (ASK)

time

volta

ge

0 V

5 V1 0 1 01 1

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)

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Modulation ASK - RFID

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RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem

Bandbreite sparen bei ASK100% mit „1 of 256“ Pulse Position Modulation (8 bit)

ISO 15693

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RFID – Beispiel für Bandbreiteproblem

X entspricht Stufen

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ASK und PSK Pulsspektrum

Rechteck Enveloppe: Bandbreite sehr gross: BNull to Null = 2 RRaised Cosine: Bp = (1+r)R

OOK

BPSK

Rechteck:

MF = Integrate & Dump

Datenrate R = 1/T

Unterschied

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Frequency Shift Keying FSK

time

volta

ge

0 V

5 V1 0 1 01 1

bit stream

FSK signal

SpaceMark

+ Einfache Hardware+ Bessere Entscheiderschwelle als OOK durch Relativ-Vergleich- Braucht mehr Bandbreite

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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 kHzZweck: Reduktion der Bandbreite auf 3 dB Bandbreite = 500 kHz.

CPFSK

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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 1180˚ = binary 0

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GPS: BPSK

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Demodulatoren

Neuer Begriff: Kohärent und Nicht-kohärent

Kohärent = RX nimmt Bezug auf Trägersignal in Frequenz und PhaseGrund dies zu tun: Matched Filter Implementation anstreben Kein Nachteil durch RF Noise

Bsp. OOK:

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Signal:Die beiden Seitenbänderaddieren ihre SpannungenRauschen:addieren sich nur die Leistungen

Kohärente Demodulation

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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

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Demodulatoren OOK

Kohärenter DownConverter

Trägerlinie im Spektrum PLL

Pulsform: Rechteck

MF: Integrate&Dump

Beispiel Daten …1101…

0

be N

EQP

gleich gut wie Basisband unipolar

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Demodulatoren OOK

Weniger aufwändig und daher billiger und stromsparender:

Nichtkohärente Architektur mit Bandpassfilter und Enveloppendetektor

0bp N/E)BT2/(1e e

2

1P

Nur knapp 1 dB schlechter als kohärent wennBp = 1/T realisiert wird (vgl. FSK Praktikum)

Bp = äquivalente Bandpassfilterbandbreite

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Demodulatoren OOK

Think twice !

gilt nur für MF!

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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 TrägersignalMF dann identisch mit Korrelator: Integrate and Dump

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Demodulatoren DPSK

BPSK hat kein Trägersignal im Spektrum - Was tun ?

Ideen1) Quadrieren hebt Modulation auf Träger zum Regenerieren2) Differentiell Kodieren und Vorgängersymbol als Referenzträger benutzen

DPSK

)//()2/(1

/

0

0

NETB

NEQP

bp

be

Bp kritisch, nicht zu knapp wählen

(Basisband oder RF)

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Costas Loop

Kohärente Demodulation BPSK

VCO

Kann auch kleine Frequenzfehler ausregeln!

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Demodulatoren DPSK

Besser: Optimum DPSKI/Q DemodulatorFrequenz identisch TxIntegrate & Dump auf I und QPhase mit Vorgänger Phase vergleichenEntscheid mit I/Q Konstellation

Besser weil Mischerträger unverrauscht ist !

0b N/Ee e

2

1P

Im Vergleich dazu liefert kohärenter BPSK Empfang:

0

be N

E2QP

d.h. nur etwas mehr als 0.5 dB besser als Optimum DPSK

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Demodulatoren OOK

Think twice !

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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

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Demodulatoren FSK

Anderer Ansatz mittels I/Q-Demodulation: Energievergleich

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Demodulatoren FSK

0bp N/E)BT2/(1e e

2

1P

nicht-kohärentBp >= 1/T

0

be N

EQP kohärent

d.h. BER identisch mit OOK, Aber dafür dynamische Schwelle durch RelativvergleichBezahlt mit mindestens doppeltem Bandbreitebedarf im Spektrum

Kohärente FSK nur knapp 1 dB besser als nicht-kohärent.

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Summary

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Summary

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R2

1

T2

1B remember: MF Bandbreite Basisband ist immer

T = Symboldauer R = Symbolrate

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