MONIVAIHESIIRTOAVAINNUS — MPSK Yleistys: BPSK  QPSK  MPSK 1 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015.

Esitys aiheesta: "MONIVAIHESIIRTOAVAINNUS — MPSK Yleistys: BPSK  QPSK  MPSK 1 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015."— Esityksen transkriptio:

1 MONIVAIHESIIRTOAVAINNUS — MPSK Yleistys: BPSK  QPSK  MPSK 1 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015

2 MPSK-MODULAATIO ASK yleistettiin MASK/PAM-modulaatioksi, joten sama voidaan suorittaa myös vaihemodulaatiolle. Avaruuden dimensio on 2. Vektorien välinen Euklidinen etäisyys pienenee, mistä seuraa P S :n kasvu, ellei samalla lisätä amplitudia/lähetystehoa pisteiden välisen etäisyyden kasvattamiseksi (kohinan varianssi/teho säilyy samana). Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 2

3 MPSK-MODULAATIO M = 2 k, jossa k on bittien lukumäärä/symboli. QPSK on siis MPSK:n erikoistapaus, kun M = 4. Kanavan kaistanleveys määrää signalointinopeuden [symb/s] maksimiarvon. Mitä suurempi M on tietylle käytettävissä olevalla kaistanleveydelle, niin sitä suuremmaksi muodostuu bittinopeus. MPSK on siis kaistarajoitettu siirtomenetelmä: kapealla kaistalla suuri bittinopeus Pienentyvä symbolien välinen etäisyys kasvattaa SEP/BEP-arvoa  näkyy P S -käyrien siirtymisenä oikealle. Se kompensoidaan lähetystehoa lisäämällä (kasvatetaan ympyrän sädettä eli amplitudia). Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 3

4 MPSK-SYMBOLIEN GRAY-KOODAUS Symbolivirhe tehdään todennäköisimmin lähimmän naapurisymbolin hyväksi, jolloin Gray-koodauksella muuttuu vain yksi bitti naapurisymbolien välillä, mikä minimoi BEP-suorituskyvyn kullakin SEP-arvolla. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 4

5 MPSK-MODULAATION SIGNAALITILAKAAVIO Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 5 Sini ja kosini kantasignaaleina

6 MPSK-MODULAATION SEP-SUORITUSKYKY P E :lle saadaan yläraja huomaamalla, että puolitasojen D 1 ja D 2 yhteispinta-ala on suurempi kuin koko varjostettu alue kuvassa 8.10b. Siten P E ylärajautuu todennäköisyydellä, että vastaanotettu piste Z sijaitsee jommassa kummassa puolitasossa. Kohinasymmetrian vuoksi molemmat tn. ovat yhtäsuuret. Raja tulee tiukemmaksi kun M kasvaa, koska D 1 :n ja D 2 :n peittoalue pienempi. Tarkastellaan yhtä puolitasoa, jossa piste on minimietäisyydellä d =  E s sin(  /M) puolitason rajalta. Kohinakomponentti N  kohtisuorassa puolitason reunaa vastaan (vain se voi aiheuttaa virheen). Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 6 Yläraja-arvio (yritä muistaa) Tarkka (ratk. numeerisesti)

7 MPSK-MODULAATION SEP-SUORITUSKYKY Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 7 MPSK-järjestelmän virhetodennäköisyys (SEP) kasvaa M:n kasvaessa vakio E b /N 0 –arvolla, koska symbolien välinen etäisyys pienenee.

8 MPSK-KORRELAATTORIDEMODULAATTORI Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 8 I & Q-korrelointien jälkeen baseband- prosessointi voidaan toteuttaa eri tavoilla.

9 DIFFERENTIAALIKOHERENTTI MPSK: M-DPSK (S) Binäärinen DPSK-modulaatio voidaan yleistää M vaiheelle: Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 9 Tarkka (ratk. numeerisesti)

10 KVADRATUURINEN AMPLITUDIMODULAATIO QAM — MASK & MPSK-MODULAATIOIDEN YHDISTELMÄ 2D-AVARUUDESSA 10 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015

11 QAM-ILMAISUPERIAATE KORRELAATTORILLA QAM-modulaatiossa myös aaltojen amplitudit saavat useita diskreettejä arvoja. Huomaa, että QPSK on myös QAM:n erikoistapaus. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 11

12 QAM-KONSTELLAATIOITA Haluttaessa 32-QAM, jätetään 4 kpl nurkkapisteitä pois (36 – 4 = 32). Nurkkapisteet edustavat suurinta lähetystehoa, jonka vuoksi juuri ne on järkevintä poistaa. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 12

13 QAM-KONSTELLAATIOITA Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 13

14 QAM-KONSTELLAATIOITA Amplitudi- ja vaihekombinaatioiden valinnasta riippuen saadaan rajaton määrä erilaisia signaalitilakonstellaatioita ja niiden SEP- suorituskykyjä. Symbolit valittu ao. ”tikkataulussa” siten, että konstellaation pienin eukliidinen etäisyys maksimoituu (P S minimoituu) jollakin keskimääräisellä lähetysteholla. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 14

15 M-QAM:N SYMBOLIVIRHETODENNÄKÖISYYS (S) A i ja B i saavat arvoja ±a, ±3a,…, ±(  M-1)a yhtä todennäköisesti, eli kaikki symbolit esiintyvät samalla todennäköisyydellä. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 15

16 QAM-MODULAATION KÄYTTÖKOHTEITA QAM on käytetyin monitilainen modulaatio nykyisin käytössä olevissa suurta bittinopeutta vaativissa siirroissa (mm. digi-TV:n videosiirto)) Käyttökohteita: WLAN (http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11) standardit IEEE802.11a,g,n, https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac(http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11)https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac WiMAX (http://en.wikipedia.org/wiki/Wimax) standard IEEE802.16 http://www.tutorialspoint.com/wimax/wimax_physical_layer.htm (Worldwide Interoperability for Microwave Access)(http://en.wikipedia.org/wiki/Wimax) http://www.tutorialspoint.com/wimax/wimax_physical_layer.htm Maanpäällinen digitaalinen televisiolähetys (Digital Video Broadcasting-terrestial, DVB-T) ja digitaalinen video handheld- kannettaviin (DVB-H) 16-QAM/64-QAM Kaapeliverkon digitaaliset televisiolähetykset (DVB-C) 16/32/64/128/256-QAM Satelliitti DVB-C 16-APSK, 32-APSK Yleisradiotoiminta (Digital Radio Mondiale, digitaalinen maailmanradio, 4-QAM/16-QAM/64-QAM http://fi.wikipedia.org/wiki/Digital_Radio_Mondiale http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Radio_Mondialehttp://fi.wikipedia.org/wiki/Digital_Radio_Mondiale http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Radio_Mondiale) Digital Audio Broadcasting (http://fi.wikipedia.org/wiki/DAB http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Audio_Broadcasting )(http://fi.wikipedia.org/wiki/DAB http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Audio_Broadcasting ) http://reviseomatic.org/help/2-radio/Radio%20-%20DAB.php Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 16

17 KOHERENTTI TAAJUUDENSIIRTOAVAINNUS MONIULOTTEISESSA SIGNAALIAVARUUDESSA (M > 2) — MFSK-MODULAATIO 17 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015

18 KOHERENTTI MFSK-PERIAATE Avaruuden dim. N>2 valitaan yleensä signaalien lukumäärä M, mutta se ei ole välttämätöntä, ts. yleisesti voi olla N  M, (osa 12 kalvo 5). Minimitaajuusväliksi valitaan  f = 1/(2  T s ), jotta menetelmä olisi koherentisti ortogonaalinen. Epäkoherentilla minimiväli  f = 1/T s. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 18 Löysä yläraja-arvio

19 KOHERENTTI MFSK-ILMAISU (ENERGIAT SAMOJA) Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 19 N = M

20 OPTIMAALINEN ILMAISU — KORRELAATTORI Huomaa signaalien energioiden C i huomioonottaminen (biastekijät), suurimman korrelaation yhteismitalliseksi havaitsemiseksi. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 20 N = M

21 OPTIMAALINEN ILMAISU — KORRELAATTORI Symboliaaltomuotojen ei välttämättä tarvitse olla kantasignaaleja. Käytetyt aaltomuodot muodostetaan silloin valittujen ortonormaalien kantafunktioiden lineaarisena kombinaatioina, ts. tuolloin voi olla N  M. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 21 Etsitään suurin korrelaattorin lähtösignaali ja tehdään päätös sen sitä vastaavan symbolin hyväksi. Lasketaan vastaanotetun signaalin koordinaatit, verrataan niitä muistiin talletettuihin arvoihin ja tehdään päätös pienimmän etäisyyden omaavan symbolin hyväksi.

22 OPTIMAALINEN ILMAISU — KORRELAATTORI Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 22 Koordinaattien laskenta N  M Mahdollisten energiabiasointien huomioiminen päätöksenteossa

23 OPTIMAALINEN ILMAISU — SOVITETTU SUODATIN Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 23 Mahdollisten energiabiasointien huomioiminen päätöksenteossa

24 KOHERENTTIEN MFSK-ILMAISINTEN YHTEENVETO Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 24 MF:t sovitettu käytettyihin symboliaaltomuotoihin MF:t sovitettu kantasignaaleihin

25 KOHERENTIN MFSK:N SUORITUSKYKY Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 25 BFSK MFSK-järjestelmän virhetodennäköisyys (BEP) pienenee M:n kasvaessa vakio- E b /N 0 –arvolla, koska tuolloin E S /N 0 – arvo kasvaa parantaen luotettavuutta: E S /N 0 = log 2 (M)  E b /N 0. Huomaa, että vakio-E b /N 0 -arvo on se valittu tarkastelupiste, jossa järjestelmiä on aina verrattava keskenään yhteismitallisen vertailun mahdollistamiseksi eri modulaatioiden välillä! Löysä yläraja-arvio Tarkka arvo, jota ei voida esittää suljetussa muodossa (laskettava numeerisesti)

26 EPÄKOHERENTTI MONITILAINEN TAAJUUDENSIIRTOAVAINNUS — MFSK 26 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015

27 EPÄKOHERENTTI MFSK: BPF + VKI + PÄÄTÖSPIIRI Yksinkertainen ilmaisin laskee BPF:n jälkeiset verhokäyrät kullekkin taajuudelle päätöksen tekemiseksi (ei tarvita ilmaisuoskillaattoreita). Lähetettyjen aaltomuotojen energiat on oletettu kuvassa samoiksi. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 27 Huom: Avainnetun kosinin spektri on Sinc-muotoinen eikä impulssimainen. Siksi BW BPF  1/T S Huom! Koherentilla MFSK:lla minimi kantoaaltojen väli on:  f = 1/(2  T s )

28 VERHOKÄYRÄILMAISIN Piiriä käytettään myös epäkoherenttina AM-demodulaattorina. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 28 Toiminta: C latautuu nousevalla jaksolla diodin kautta. Laskevalla osalla diodi menee estotilaan ja varaus purkautuu vastuksen kautta. Purkautumisajan eli aikavakion pitää olla sellainen, että seuraavan jakson huippujännite on sama kuin edellisen sinipuolijakson purkautunut jännitearvo kondensaattorissa.

29 YLEINEN EPÄKOHERENTTI MFSK-ILMAISIN (S) Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 29 Huom. Epäkoherenttia ilmaisinta ei käytännössä toteuteta näin. Kuva vain havainnollistaa mitä matememaattisia operaatioita suorituskyvyn laskemiseksi VKI-ilmaisin käytännössä suorittaa. Katso tarkka johto oppikirjasta.

30 EPÄKOHERENTTI BFSK-ILMAISIN (S) Huomaa Pythagoraan lause sovellettuna I- ja Q-signaaleille. Oskillaattorien ei tarvitse olla vaihekoherentteja lähettimeen nähden. Ainoastaan kullakin kantoaaltotaajuudella olevien oskillaattorien täytyy olla vaihekvadratuurisia. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 30

31 EPÄKOHERENTTI BASK-ILMAISIN 31 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari KärkkäinenSyksy 2015

32 EPÄKOHERENTTI BASK (OOK) -ILMAISIN (S) Ainoastaan vaihekvadratuurisuusvaatimus, mutta  voi olla mielivaltainen. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 32

33 BASK:N (OOK) PÄÄTÖKSENTEKOKYNNYS (S) Kuvan päätöksentekorajasta (ympyrä) voidaan päätellä, että vastaanottimen oskillaattorin vaiheella ei ole merkitystä, koska vain vektorin itseisarvo on merkitsevä. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 13 Kari Kärkkäinen 33