ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Φεβρουάριος 2011

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Φεβρουάριος 0 Θέμα (50): Βιομηχανική μονάδα διαθέτει δύο κτίρια (Α και Β) σε απόσταση 5 Km και σε οπτική επαφή. Σύνδεση στο δίκτυο διαθέτει μόνο το κτίριο Α, στο οποίο και έχει εγκατασταθεί ασύρματη πρόσβαση στα.4-.5 GHz. Για την παροχή πρόσβασης στο κτίριο Β είναι διαθέσιμες ευρυζωνικές κεραίες ανακλαστήρα διαμέτρου m. Προτείνεται για το σκοπό αυτό η χρήση υψηλότερης συχνότητας για τη μετάδοση, και ειδικότερα αυτή των 5.8 GHz. Στο κτίριο Β θα χρησιμοποιηθεί συμβατικός εξοπλισμός πρόσβασης (στα.4-.5ghz) όπως και στο Α (τυπικές τιμές ισχύος εκπομπής των σημείων πρόσβασης είναι τα 0 dbm και ευαισθησίας δεκτών στο χρήστη τα -90 dbm). (α) Σχεδιάστε με τη μορφή μπλοκ διαγραμμάτων μια δυνατή υλοποίηση για το σκέλος της αποστολής δεδομένων (πομπός στο κτίριο Α και (πομπο)δέκτης στο κτίριο Β) (5). (β) Εξηγήστε τους λόγους επιλογής της υψηλότερης συχνότητας όπως και τα πιθανά προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν λόγω αυτής της επιλογής (0). (γ) Δώστε μια εκτίμηση τoυ υποβιβασμού της σηματοθορυβικής σχέσης που εισάγει ο δέκτης. Υποθέστε κέρδη ενισχυτών της τάξης των 0 db, απώλειες μεικτών της τάξης των 6 db και εικόνες θορύβου των ενεργών εξαρτημάτων της τάξης των 5 db. Εκτιμήστε έτσι και σχολιάστε το απαιτούμενο κέρδος του ενισχυτή στον πομπό και την απαιτούμενη ισχύ της εκπομπής. (5). (δ) Για την εκτίμηση της στάθμης του σήματος στο κτίριο Β χρησιμοποιείται αναλυτής φάσματος. Δώστε ενδεικτικές τιμές των ρυθμίσεων που θα εισάγετε στον αναλυτή ώστε να εκτιμήσετε σωστά τη στάθμη ισχύος του σήματος για καθένα από τα κανάλια εύρους 5 ΜΗz, αλλά και της συνολικής ισχύος όλων των καναλιών (0). Λύση: (α) Πομπός: Σήμα στην είσοδο από κάποιο access point του κτιρίου Α (.4-.5 GHz) Μείκτης με φέρον από τοπικό ταλαντωτή (LO) =3.35 GHz Ζωνοπερατό φίλτρο εύρους 00 MHz με κεντρική συχνότητα 5.8 GHz Ενισχυτής ισχύος Κεραία εκπομπής (κτίριο Α) Κεραία λήψης (κτίριο Β) Δέκτης: Ζωνοπερατό φίλτρο εύρους 00 MHz με κεντρική συχνότητα 5.8 GHz Ενισχυτής χαμηλού θορύβου (LNA) Μείκτης με φέρον από τοπικό ταλαντωτή (LO) =3.35 GHz Ζωνοπερατό φίλτρο εύρους 00 MHz με κεντρική συχνότητα.45 GHz Ενισχυτής (Amp) Σημείο ασύρματης πρόσβασης (κτίριο Β)

2 (β) Λόγοι επιλογής: Η ζώνη των 5.8 GHz είναι πολύ λιγότερο επιβαρυμένη με θόρυβο και παρεμβολές από άλλα ασύρματα δίκτυα σε σχέση με τα.45 GHz. Εφόσον διαθέτουμε συγκεκριμένες κεραίες επιφανείας, η χρήση υψηλότερης συχνότητας ευνοεί το ισοζύγιο ισχύος της ζεύξης, καθώς οι απώλειες ελεύθερου χώρου είναι μεν υψηλότερες αλλά το ίδιο ισχύει και για τα κέρδη των κεραιών: W λ 4π 4π λ εε AA = GG = ε A ε A = f W 4πd λ λ 4πd λ d Προβλήματα: Απαίτηση καλύτερης ευθυγράμμισης των κεραιών λόγω μεγαλύτερου κέρδους Απαίτηση πολύ καλής συμφωνίας στη συχνότητα των τοπικών ταλαντωτών (πιθανή λύση είναι η αποστολή του φέροντος του LO και η χρήση PLL στο δέκτη για το κλείδωμα στη συχνότητά του). (γ) Η υποβάθμιση της σηματοθορυβικής σχέσης στο δέκτη είναι η εικόνα θορύβου: 5 0 F FAmp Mixer 0 0 F = FLNA, όπου FLNA = FMixer = FAmp = 0 = 3.6, GLNA = GAmp = 0 = 0 G G G LNA LNA Mixer 6 0 και G Mixer = 0 = 0.5. Προκύπτει F = 4.4 ή F 6.5 db. W εε AA Απώλειες ζεύξης: = όπου ε = ε 0.55 και AA W λ d W 6 Προκύπτει =.8 0 ή 55.5 db W D = π. 4 Υπολογίζοντας απώλειες 6= db στους μείκτες και 6.5 db λόγω υποβάθμισης της σηματοθορυβικής σχέσης, αλλά και κέρδος 0=0 db στους ενισχυτές του δέκτη, χρειαζόμαστε περίπου =54 db κέρδος του ενισχυτή ισχύος του πομπού. Η ισχύς εκπομπής προκύπτει τότε =68 dbm ή 6 ΚW. Τα νούμερα αυτά είναι από κάθε άποψη υπερβολικά και μπορούν να μειωθούν με τη χρήση καλύτερων ενισχυτών στο δέκτη (με έμφαση στο κέρδος του LNA) ή περισσότερων ενισχυτικών βαθμίδων, μεικτών με λιγότερες απώλειες κλπ. (δ) Για την εκτίμηση του σήματος στο εσωτερικό του κτιρίου Β θέτουμε: Center frequency.45 GHz, Span 00 MHz, eference Level ίσως λιγότερο του 0dBm, π.χ. (-0 dbm) καθώς θα χρειαστεί να μετρήσουμε σήματα κάτω από -40 dbm. Το esolution Bandwidth θα μπορούσε να είναι της τάξης 00 KHz (<<5 MHz) για την ορθή απεικόνιση του σήματος ενός καναλιού. Στην περίπτωση αυτή μπορεί το Span να τεθεί στα 5 MHz. Για τη μέτρηση της ισχύος είτε θα θέσουμε το esolution bandwidth σε μια μεγάλη σχετικά τιμή (π.χ. MHz) ώστε να φαίνεται το σήμα ως μια κορυφή μονόν, είτε να εκτελέσουμε τη λειτουργία Channel Power για όλο το κανάλι των 5 MHz. Για την ισχύ όλων των καναλιών αν δεν μπορούμε να θέσουμε το esolution Bandwidth σε μια αρκετά μεγάλη τιμή εκτελούμε τη λειτουργία Channel Power. Σε περίπτωση ασθενών σημάτων, για να πετύχουμε βελτίωση της ευαισθησίας και να διακρίνουμε τις κορυφές του σήματος μειώνουμε το span και δίνουμε αρκετά χαμηλή τιμή στο esolution Bandwidth (ακόμη και της τάξης των εκατοντάδων Hertz), γεγονός που ίσως αυξήσει το χρόνο σάρωσης (sweep time). Θα πρέπει επίσης να απενεργοποιήσουμε τον εξασθενητή και να ενεργοποιήσουμε ίσως και τον προενισχυτή.

3 Θέμα (5): Σε ένα σύστημα δύο κεραιών εκπομπής και μίας κεραίας λήψης χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο επικοινωνίας Alamouti για την μετάδοση πληροφορίας που είναι διαμορφωμένη κατά QPSK. Εξετάζουμε την επικοινωνία σε δύο τυχαίες διαδοχικές χρονικές στιγμές όπου ο κώδικας χώρου -χρόνου έχει την μορφή η χρονοθυρίδα j η χρονοθυρίδα και οι στιγμιαίες τιμές του καναλιού από την πρώτη και δεύτερη κεραία εκπομπής προς την κεραία του δέκτη δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις h = n n και h = n n, όπου n και n οι μιγαδικές συνιστώσες προσθετικού λευκού Gaussian θορύβου στους δύο κλάδους του δέκτη. Αν στον δέκτη η ανίχνευση των συμβόλων γίνεται με το κριτήριο της μέγιστης πιθανοφάνειας, τότε να υπολογιστεί και να αιτιολογηθεί πλήρως το ποσοστό επιτυχίας του ανιχνευτή στις αποφάσεις που παίρνει για την εκτίμηση των δύο μεταδιδόμενων συμβόλων. Λύση: Από τον πίνακα του Alamouti γίνεται αντιληπτό ότι έχουν μεταδοθεί τα σύμβολα s = και s = j. Έστω ότι τα τέσσερα ισοπίθανα σύμβολα ( s, s, s 3, s 4 ) του QPSK αστερισμού έχουν την κατανομή στο μιγαδικό επίπεδο που φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Τα δύο λαμβανόμενα σήματα στον δέκτη (μετά το combining) έχουν την γενική μορφή: r = hr hr = Gs n, r i = Gsi n i r = hr hr = Gs n όπου i =, και G= h h, n = hn hn, n = hn hn. Ο ανιχνευτής μέγιστης πιθανοφάνειας (MLD) αποφασίζει ότι στάλθηκε το σύμβολο s ( =,,3,4) βασισμένος στο κριτήριο ελάχιστης απόστασης. Η ευκλείδεια απόσταση του λαμβανόμενου σήματος r i από κάποιο σύμβολο s ( =,,3,4) του QPSK αστερισμού είναι: d r, s = r s r s = Gs n s Gs n s = ( i ) ( i )( i ) ( i i )( i i ) i i i i i i i i i i i i i i i i e{ i i} G s Gs n Gs s Gs n n s n Gs s s n s = G s Gs n Gs n n Gs s s n s Συνεπώς, τα κριτήρια απόφασης του MLD για τα δύο σήματα γράφονται: sˆ = arg min d r, s = arg min e Gs s s n s = arg max e Gs s s n, δεδομένο ( ) ( { }) ( ) { } i i i i i i =,,3,4 =,,3,4 =,,3,4 υ ότι όλα τα σύμβολα του QPSK αστερισμού έχουν την ίδια ενέργεια. Αν αντικαταστήσουμε στην τελευταία σχέση s = και s = j, παίρνουμε: Κριτήριο ανίχνευσης sˆ = arg max e Gs sn () ( ) s : { } =,,3,4

4 Κριτήριο ανίχνευσης ( ) s : sˆ arg max e{ jgs sn} = () =,,3,4 Οι ισοδύναμες συνιστώσες του θορύβου υπολογίζονται ως εξής: h = n n n = hn hn = ( n n) n ( n n) n = n n h = n n n = hn hn = ( n n) n ( n n) n= n n Επιπλέον, η ποσότητα h h (κέρδος διαφορισμού) γράφεται: h = n n = n n e{ nn } G = h h = n n h = n n = n n e{ nn } { } Από την () υπολογίζουμε τις τιμές της παράστασης D ( e s G n ) ( )} } = e{ } = 3 3 D s G n G n G n n n ( )} )} = Im{ } = D s G n jg jn n n n D s ( G n )} = e{ G n 3 3 D s ( G n )} = e{ jg jn 4 4 = για όλα τα : Επίσης, από την () υπολογίζουμε τις τιμές της παράστασης όλα τα : ( )} } } = D s jg n jg n n n n ( )} } = Im{ } = 3 3 D s jg n G jn G n n n D s ( jg n )} = e{ jg n ) 3 3 D s ( jg n )} = e{ G jn 4 4 D s ( jg n )} για Επειδή n n > 0, οι αποφάσεις στον ανιχνευτή διαμορφώνονται σύμφωνα με τις παρακάτω σχέσεις: D > D > 0 > D ˆ 4 > D3 s = s D > D > 0 > D > D sˆ = s 3 4 Δηλαδή, κάτω από την παραδοχή ότι οι στιγμιαίες τιμές των καναλιών είναι h = n n και h = n n, ο ανιχνευτής παίρνει τις σωστές αποφάσεις και για τα δύο μεταδιδόμενα σύμβολα. Συνεπώς, το ποσοστό επιτυχίας του ανιχνευτή είναι 00%. Θέμα 3 (5): Να αναφέρετε τον σκοπό και να περιγράψετε τη λειτουργία της παρακάτω διάταξης χρονικού συγχρονισμού χωρίς ανάδραση απόφασης.

5 Λύση: Σκοπός: Η υλοποίηση της σχέσης.86 των σημειώσεων από το βιβλίο που ανέβηκε στο e- thmmy. Λειτουργία:. o λαμβανόμενο σήμα λαμβάνεται στην είσοδο του προσαρμοσμένου φίλτρου.. Η μία από τις δύο παράλληλες εξόδους αυτού παραγωγίζεται και δειγματοληπτείται την χρονική στιγμή τ. 3. Η άλλη παράλληλη έξοδος του φίλτρου δειγματοληπτείται την χρονική στιγμή τ και οδηγείται σε ένα μη γραμμικό κύκλωμα που υλοποιεί την tanh(x). 4. Τα δείγματα των εξόδων από τα και 3 πολλαπλασιάζονται και εισάγονται σε ένα αθροιστή. 5. Η έξοδος του αθροιστή ελέγχει το VCO, οπότε όταν το σήμα στην έξοδο του αθροιστή προσεγγίσει το μηδέν τότε η φάση στην έξοδο του VCO θα αντιστοιχεί στο τ με το οποίο γίνεται η δειγματοληψία.