20. Seminar Radijske Komunikacije Izbira modulacije in protokola za radijska omrežja Matjaž Vidmar LSO, FE, Ljubljana, 25-27.9.2013
Seznam prosojnic predavanja: Izbira modulacije in protokola za radijska omrežja 1 - Shannon-ov izrek o zmogljivosti zveze 2 - Razmerje S/N pri AM in FM 3 - Modemska številska zveza 4 - Bi-Phase Shift Keying (BPSK) 5 - Quadri-Phase Shift Keying (QPSK) 6 - Kvadraturna Amplitudna Modulacija (QAM) 7 - Pogostnost napak različnih modulacij 8 - Popačenje večpotja v radijski zvezi 9 - Odpravljanje popačenja s prilagodljivim sitom 10 - Razširjeni spekter (spread spectrum) 11 - Orthogonal Frequency-Division Multiplex (OFDM) 12 - Dobre in slabe lastnosti OFDM 13 - Vnaprejšnje popravljanje napak FEC (Forward Error Correction) 14 - Samodejno ponavljanje ARQ (Automatic Repeat Request) 15 - Okvir in paket 16 - Radijsko omrežje s skrito postajo 17 - Tekmovalni in upravni sodostop 18 - Uravnavanje pretoka v radijskem omrežju
Shannon-ov izrek o zmogljivosti zveze C=B log 2 1 P S P N =B log 2 1 P S 0 B N C [bit/s ali bps] zmogljivost zveze B [Hz] pasovna širina sprejemnika P S [w] moč sprejetega signala P N [w] moč šuma (motenj, popačenja) N 0 [w/hz] spektralna gostota šuma (motenj, popačenja) C [bps] meja zmogljivosti pri neskončni pasovni širini B C =lim B C= P S N 0 ln 2
B U FM oddajnik (S/N) R B R 2 Δf+2 B U BPF omejevalnik diskriminator B U (S/N) U Razmerje S/N pri AM in FM B U [Hz] širina uporabnika log(s/n) U FM 3m 2 Δf [Hz] ±FM koleb AM m = Δf/B U B R [Hz] radijska širina koleno~10db log(s/n) R B U AM oddajnik B R 2 B U (S/N) R BPF B U (S/N) U
Analogni AM/FM/pulzni oddajnik B R >>C Analogni AM/FM/pulzni sprejemnik C DATA IN Modulator (modem) C/B << 1bit/s/Hz Demodulator (modem) C DATA OUT ASK Amplitude Shift Keying FSK Frequency Shift Keying AASK Audio Amplitude Shift Keying AFSK Audio Frequency Shift Keying OOK On-Off Keying PAM Pulse-Amplitude Modulation PPM Pulse-Position Modulation ZGODOVNSKO KRPANJE! Modemska številska zveza Velika radijska pasovna širina B R >>C Zelo nizka spektralna učinkovitost C/B Nekoherenten sprejemnik 20dB...50dB slabše od Shannon-ove zmogljivosti Preprosta oddajnik in sprejemnik Neobčutljivo na odstopanje frekvence nosilca oddajnika/sprejemnika
DATA IN f 0 OSC ~ DRV PA razred "C" η70% BPSK T C/B 1bit/s/Hz FREKVENČNI SPEKTER F(ω) 0 Q ZADUŠEN NOSILEC! ZRCALNO- ENAKA BOČNA PASOVA 1 I ω DATA IN 0 1 1 0 1 0 0 KRMILJENJE MODULATORJA t LNA BPSK R LIM DATA OUT P T t t Bi-Phase Shift Keying (BPSK) 2f 0 PREPROSTO! BPF f/2 f 0 REGENERACIJA NOSILCA Δf 10% C
I DATA IN Q DRV DRV f 0 OSC ~ 90º razred "C" η70% PA QPSK T FREKVENČNI SPEKTER F(ω) SPODNJI BOČNI PAS ZADUŠEN NOSILEC! GORNJI BOČNI PAS C/B 2bit/s/Hz ω Q 01 11 I LNA REGENE- RACIJA NOSILCA 90º f 0 LIM I DATA OUT 00 10 VESOLJE, GSM QPSK R Quadri-Phase Shift Keying (QPSK) LIM Δf 10% R Q
I DATA IN Q DAC f 0 DAC OSC ~ C/B 6bit/s/Hz 90º razred "A" η15% PA QAM T FREKVENČNI SPEKTER F(ω) SPODNJI BOČNI PAS ZADUŠEN NOSILEC! OBČUTLJIV NA ODBOJE (VEČPOTJE) GORNJI BOČNI PAS ω QAM64 Q I LNA ZELO ZAHTEVNO REGENE- RACIJA NOSILCA QAM R 90º f 0 ADC ADC I DATA OUT Q Kvadraturna Amplitudna Modulacija (QAM) TOČKA-TOČKA
Pogostnost napak BER BER= 1 2 erfc S N 0.5 1 0.1 0.01 0.001 10-4 10-5 Shannon B BPSK QPSK 2bit/s/Hz QAM16 4bit/s/Hz QAM64 6bit/s/Hz 10-6 -10dB -5dB 0dB 5dB 10dB 15dB 20dB 25dB Pogostonost napak različnih modulacij log(s/n)
NEUSMERJENE ANTENE ZAHTEVAJO ODPRAVLJANJE POPAČENJA VEČPOTJA ZAHTEVNA MODULACIJA DEMODULACIJA NEPOSREDNI ŽAREK ODBOJ spredaj Δl=1m...10m ODBOJ zadaj Δl=100m...1km C=10Mbps (BPSK) >>>>> DOLŽINA ENEGA BITA l=30m USMERJENE ANTENE OMOGOČAJO MAJHNO POPAČENJE VEČPOTJA NEPOSREDNI ŽAREK PREPROST (ANALOGNI) PRENOS ODBOJ spredaj Δl=1m...10m Popačenje večpotja v radijski zvezi
Odboj #1 SPREJEMNIK VHOD ODDAJNIK Neposredni žarek LNA BPF analogna TV, GSM telefon Odboj #3 Odboj #2 PRILAGODLJIVO SITO + IZHOD DEMODULATOR - Δa 1 Δt 1 Sito z neskončnim odzivom (IIR) STABILNOST? RAZMERJE S/N? Δa 2 Δt 2 Δa 3 Δt 3 Σ Odpravljanje popačenja s prilagodljivim sitom
ODDAJNIK Odboj #1 Neposredni žarek LNA SPREJEMNIK B S BPF PA B R +B S B S B R B R RAZŠI- RITVENI IZVOR Odboj #3 Odboj #2 RAZŠI- RITVENI IZVOR F(ω) SINHRONIZACIJA B R >>B S B S F(ω) B R +B S ω Razširjeni spekter (spread spectrum) ω F(ω) ODBOJI (ŠUM IN MOTNJE) ~2B R NEPOSREDNI B S UMTS telefon ω
I DAC razred "A" η2% FREKVENČNI SPEKTER F(ω) PLOŠČAT SPEKTER FFT -1 N=2 m OFDM T Q DAC OSC ~ f0 90º PA STRM BOK STRM BOK ω NEOBČUTLJIV NA VEČPOTJE VZPOREDNI DATA IN: BPSK,QPSK,QAM SIMBOLI OFDM R LNA REGENE- RACIJA NOSILCA 90º f 0 ADC I FFT N=2 m VZPOREDNI DATA OUT WiFi DVB-T ZELO NATANČNO ADC Q Orthogonal Frequency-Division Multiplex (OFDM)
u(t) K-1 OFDM SIMBOL K OFDM SIMBOL K+1 K+2 t CIKLIČNI PREFIKS REZULTAT FFT -1 CIKLIČNI SUFIKS t PREFIKS + t SUFIKS Δt VEČPOTJA N=2 m število nosilcev P 1 moč enega nosilca <P>=P 1 N srednja moč P MA =P 1 N 2 vršna moč NADZOR BOKOV SPEKTRA Nastavljiva odpornost na večpotje Skoraj pravokoten frekvenčni spekter Spektralni izkoristek C/B dosega teoretske vrednosti BPSK, QPSK, QAM Omogoča enofrekvenčna omrežja SFN (Single-Frequency Network) Dobre in slabe lastnosti OFDM Visok Δt večpotja zahteva velik N=2 m FFT zahteva N log 2 N računskih operacij Visoko razmerje P MA /<P>=N pogojuje slab izkoristek oddajnika η2% Ozkopasovni nosilci zahtevajo visoko frekvenčno stabilnost Δf 10%R/N Ozkopasovne motnje rušijo sinhronizacijo
Pogostnost napak BER BER= 1 2 erfc S N SPOROČILO 0.5 1 FEC KODER 0.1 SPOROČILO PARITETA 0.01 0.001 10-4 10-5 10-6 Shannon B FEC+ BPSK BPSK QPSK -10dB -5dB 0dB 5dB 10dB log(s/n) POŠKODOVANO! IZGUBNA PRENOSNA POT FEC DEKODER SPOROČILO POPRAVLJENO! Vnaprejšnje popravljanje napak FEC (Forward Error Correction)
POŠILJATELJ PREJEMNIK SPOROČILO IZGUBLJENO SPOROČILO TČAKANJA=? SPOROČILO IZGUBNA PRENOSNA POT TČAKANJA=? SPOROČILO IZGUBLJENA POTRDITEV SPOROČILO POTRDITEV IZLOČANJE DVOJNIKOV? NPONAVLJANJ=? SPOROČILO POTRDITEV POTRDITEV t Samodejno ponavljanje ARQ (Automatic Repeat Request)
Sporočilo TOVOR Naslavljanje PREJME POŠILJA OPIS TOVOR Kontrolna vsota (CRC) CRC Uokvirjanje GLAVA REP Paket okvirjev SYNC SYNC SYNC SYNC Okvir in paket OKVIR#1 OKVIR#2 OKVIR#3
Radijsko omrežje s skrito postajo 3 RADIJSKA VIDLJIVOST RADIJSKA VIDLJIVOST OVIRA (HRIB) 1 2 4 VIDNE POSTAJE SKRITA POSTAJA
TEKMOVALNI SODOSTOP IZGUBE TRČENJ (ALOHA) UPORABNIK#1 UPORABNIK#2 SOČASNA ODDAJA TRČENJE UPORABNIK#3 TRČENJE SKRITA POSTAJA t UPORABNIK#4 UPRAVNI SODOSTOP (SAMO) UPRAVNA POSTAJA? UPRAVNA POSTAJA#3 1 2 4? 1 ŠE KDO? UPORABNIK#1 UPORABNIK#2 t UPORABNIK#4 Tekmovalni in upravni sodostop
Uravnavanje pretoka v radijskem podatkovnem omrežju ISTOČASNI PODATKOVNI PROMET DRUGIH UPORABNIKOV? POŠILJA DATA VOZEL#1 DATA VOZEL#2 DATA VOZEL#3 DATA PREJME CTS NADZOR PRETOKA RTS CTS NADZOR PRETOKA RTS CTS NADZOR PRETOKA RTS CTS NADZOR PRETOKA RTS VMESNI POMNILNIK VMESNI POMNILNIK VMESNI POMNILNIK PREKORAČITEV POMNILNIKA? ZAVRŽI OKVIRJE! POZOR! Isti kratici RTS in CTS se uporabljata tudi za radijski sodostop!