MUUD MODULATSIOONIVIISID MODULATSIOON IRO0010. ORTOGONAALNE SAGEDUSTIHENDUS (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex) (COFDM coded OFDM)

Similar documents
1. SAGEDUSMODULAATOR. Raadiotehnika laboratoorium RAADIO- JA SIDETEHNIKA INSTITUUT

Wireless Medium Access Control and CDMA-based Communication Lesson 16 Orthogonal Frequency Division Medium Access (OFDM)

Mobile & Wireless Networking. Lecture 2: Wireless Transmission (2/2)

IRZ0190 Kanalikodeerimine telekommunikatsioonis. Julia Berdnikova julia.berdnikova [ät] ttu.ee Sander Ulp sander.ulp [ät] ttu.ee

7. Kanalikiht II. Side IRT3930 Ivo Müürsepp

Arvude edastamine raadiosides. 1. Numbrite edastamine Numbrite edastamisel kasutatakse järgmist hääldust, rõhutades allajoonitud silpi.

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL. Raadio-ja sidetehnika instituut. Mikrolainetehnika õppetool. Referaat aines. Uurimisteemakeskne individuaalõpe IXX9530

Chapter 2 Overview - 1 -

Chapter 2 Overview - 1 -

Copyright is owned by the Author of the thesis. Permission is given for a copy to be downloaded by an individual for the purpose of research and

Lecture 13. Introduction to OFDM

Experimenting with Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OFDM Modulation

Basic idea: divide spectrum into several 528 MHz bands.

Practical issue: Group definition. TSTE17 System Design, CDIO. Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Components of a digital communication system

Error Probability of Different Modulation Schemes for OFDM based WLAN standard IEEE a

SIDE (IRT 3930) Loeng 3/2012 Signaalid sidesüsteemis Teema - signaalid. Avo Ots. telekommunikatsiooni õppetool,

Lecture 3: Wireless Physical Layer: Modulation Techniques. Mythili Vutukuru CS 653 Spring 2014 Jan 13, Monday

Multi-carrier Modulation and OFDM

Performance Analysis of OFDM for Different Digital Modulation Schemes using Matlab Simulation

Chapter 0 Outline. NCCU Wireless Comm. Lab

SC - Single carrier systems One carrier carries data stream

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)

Performance Analysis Of OFDM Using 4 PSK, 8 PSK And 16 PSK

Fourier Transform Time Interleaving in OFDM Modulation

carriers are carrying synchronization and control signals to the receivers, but most of carriers conveys signal-data to the receiver.

S PG Course in Radio Communications. Orthogonal Frequency Division Multiplexing Yu, Chia-Hao. Yu, Chia-Hao 7.2.

EC 551 Telecommunication System Engineering. Mohamed Khedr

Design and Simulation of COFDM for High Speed Wireless Communication and Performance Analysis

OFDM Code Division Multiplexing with Unequal Error Protection and Flexible Data Rate Adaptation

ECS455: Chapter 5 OFDM

Chapter 7. Multiple Division Techniques

Survey on Effective OFDM Technology for 4G

Performance Analysis Of OFDM Using QPSK And 16 QAM


MITIGATING CARRIER FREQUENCY OFFSET USING NULL SUBCARRIERS

ECE 5325/6325: Wireless Communication Systems Lecture Notes, Spring 2013

UNIFIED DIGITAL AUDIO AND DIGITAL VIDEO BROADCASTING SYSTEM USING ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING (OFDM) SYSTEM

Interleaved spread spectrum orthogonal frequency division multiplexing for system coexistence

Systems for Audio and Video Broadcasting (part 2 of 2)

Survey Pro 4.8 GPS/GNSS juhend

S.D.M COLLEGE OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY

Year : TYEJ Sub: Digital Communication (17535) Assignment No. 1. Introduction of Digital Communication. Question Exam Marks

With a lot of material from Rich Nicholls, CTL/RCL and Kurt Sundstrom, of unknown whereabouts

FHTW. PSSS - Parallel Sequence Spread Spectrum A Potential Physical Layer for OBAN? Horst Schwetlick. Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

Axial defect imaging in a pipe using synthetically focused guided waves

Differential Modulation

1. Introduction. 2. OFDM Primer

Forschungszentrum Telekommunikation Wien

OFDMA and MIMO Notes

Chaotically Modulated RSA/SHIFT Secured IFFT/FFT Based OFDM Wireless System

TSEK02: Radio Electronics Lecture 3: Modulation (II) Ted Johansson, EKS, ISY

Chapter 5 OFDM. Office Hours: BKD Tuesday 14:00-16:00 Thursday 9:30-11:30

[Gupta, 3(3): March, 2014] ISSN: Impact Factor: 1.852

Wireless data networks Physical Layer

Page 1. Overview : Wireless Networks Lecture 9: OFDM, WiMAX, LTE

II. OFDM TRANSRECEIVER SYSTEMS

PAPR Reduction techniques in OFDM System Using Clipping & Filtering and Selective Mapping Methods

BER Analysis for MC-CDMA

Broadband OFDM-FDMA System for the Uplink of a Wireless LAN

OFDM Systems For Different Modulation Technique

Page 1. Outline : Wireless Networks Lecture 6: Final Physical Layer. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Spread Spectrum

OFDM AS AN ACCESS TECHNIQUE FOR NEXT GENERATION NETWORK

Performance Analysis/Study of OFDM Based DVB-T System under AWGN, Rayleigh and Rician Channels

Chapter 2: Wireless Transmission. Mobile Communications. Spread spectrum. Multiplexing. Modulation. Frequencies. Antenna. Signals

Chapter 7 Multiple Division Techniques for Traffic Channels

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) SIMULATION USING MATLAB Neha Pathak MTech Scholar, Shri am Institute of Technology

An Equalization Technique for Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Systems in Time-Variant Multipath Channels

ENHANCING BER PERFORMANCE FOR OFDM

Chapter 8 OFDM Applications. CCU Wireless Comm. Lab

Principles and Experiments of Communications

Interleaved PC-OFDM to reduce the peak-to-average power ratio

A Novel On-Channel Repeater for Terrestrial-Digital Multimedia Broadcasting System of Korea

II. OFDM SYSTEM MODEL

An Improved VLSI Architecture Using Galois Sequence for High Speed DSSS Signal Acquisition at Low SNR

PEAK TO AVERAGE POWER RATIO REDUCTION USING BANDWIDTH EFFICIENCY INCREASING METHOD IN OFDM SYSTEM

DESIGN, IMPLEMENTATION AND OPTIMISATION OF 4X4 MIMO-OFDM TRANSMITTER FOR

A Cyclic Prefix OFDM System with BPSK Modulation By Er. V ipin Mittal & Prof. S.R. Mittal Indus Institute of Engineering and Technology

Optimal Number of Pilots for OFDM Systems

Analysis of Interference & BER with Simulation Concept for MC-CDMA

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based Uplink Multiple Access Method over AWGN and Fading Channels

Receiver Designs for the Radio Channel

A Comparative performance analysis of CFO Estimation in OFDM Systems for Urban, Rural and Rayleigh area using CP and Moose Technique

SPREAD SPECTRUM (SS) SIGNALS FOR DIGITAL COMMUNICATIONS

Wireless Transmission:

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

BER Comparison of DCT-based OFDM and FFT-based OFDM using BPSK Modulation over AWGN and Multipath Rayleigh Fading Channel

Performance Evaluation of Wireless Communication System Employing DWT-OFDM using Simulink Model

Wireless Networks: An Introduction

Chapter 4 Radio Communication Basics

Multi-Carrier Systems

EITF25 Internet Techniques and Applications L2: Physical layer. Stefan Höst

Performance analysis of OFDM with QPSK using AWGN and Rayleigh Fading Channel

Performance Evaluation of OFDM System with Rayleigh, Rician and AWGN Channels

IJMIE Volume 2, Issue 4 ISSN:

SYSTEM ARCHITECTURE ADVANCED SYSTEM ARCHITECTURE LUO Chapter18.1 and Introduction to OFDM

New Techniques to Suppress the Sidelobes in OFDM System to Design a Successful Overlay System

MAS 160/510 Additional Notes: Modulation

8. TERRESTRIAL DIGITAL VIDEO BROADCASTING MEASUREMENT

Frame Synchronization Symbols for an OFDM System

Study on the next generation ITS radio communication in Japan

Transcription:

MUUD MODULATSIOONIVIISID Kiire binaarse andmevoo teisendamisel järjestikparalleeltüüpi muunduris saame signaali muundada suure hulga üheaegselt muutuvate digitaalsete osasignaalide summaks, mida edastatakse üheaegselt multitoonmodulatsiooni abil. MODULATSIOON IRO0010 Loengumaterjal 13 [Julia Berdnikova, Ants Meister] Multitoon-modulatsioon (MTM) on sagedustihenduse variant, kus suur arv kandjaid genereeritakse kas filtrite abil või nn. mitmetaktiliste süsteemidega. Kandjad moduleeritakse osasignaalidega ja summaarne signaal edastatakse vastuvõtjale, kus toimub vastupidine teisendus. See on kasutusele tulnud kiiretoimelistes digitaalsidesüsteemides. Allpool vaatleme digitaalse multitoon-modulatsiooni (DMT, discrete multi-tone modulation) moodust, mida nimetatakse ortogonaalseks 2 sagedustihenduseks. ORTOGONAALNE SAGEDUSTIHENDUS (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex) (COFDM coded OFDM) moodustatakse paljude kandesageduste summa Fourier Signaali formeerimise näide teisenduse abil: üksikute kandjate (Fourier' rea liidetavate) amplituud ja faas maaratakse binaarsignaali järgi; iga kandja edastab 2 bitti (QPSK: igal sagedusel amplituudi reaal- ja imaginaarosa, või 1 j ); kandjate summa on kompleksne väljundsignaal, mille liidetavad ei muutu ühe sümboli vältel. 3 4

Signaali Sg formeerimise näide Signaali formeerimise näide Igal kandjal kasutatakse modulatsiooni QPSK, mis edastab ühel kandjal 2 bitti sümbolis. Vajalik kandjate arv on N = 1500. Kandjate vahekaugus (sagedussamm) on f = 1/T 1. Saatja väljundsignaal moodustatakse Fourier teisenduse abil (N harmoonilise amplituudid kompleksne ajasignaal). Kasutusel on kiire Fourier' pöördteisenduse algoritm (Inverse Fast Fourier Transform IFFT). Selleks tuleb esialgne bitijada muundada järjestik-paralleelmuunduri S/P abil sümboli pikkusele vastavateks pakettideks, mida töödeldakse IFFT abil. Järgneb kahekanaline paralleeljärjestikmuundur P/S, DAC ning IQ-modulaator. 5 6 OFDM OFDM Vastuvõtul toimub arvutus kiire Fourier' teisenduse (Fast Fourier Transform FFT) algoritmiga. Ühe signaalilõigu (sümboli) vältel on kandjate amplituudi ja algfaasi suurused konstantsed. See on edastuse häirekindluse seisukohalt oluline omadus. Kandjate arvu vähendamiseks saab OFDM-signaali moodustada ka modulatsiooni 16QAM (igal sagedusel 4 bitti) või 64QAM (igal sagedusel 6 bitti) abil. See nõuab, et müra oleks vastavalt madalam. 7 Figure 12.1 Examples of baseband OFDM signal waveform. (a) 4-channel QPSK-OFDM signal with each subcarrier modulated by one of four possible symbols in the QPSK constellation with amplitude 2 and phases of /4, 3 /4, 5 /4, and 7 /4, respectively. (b) 16-channel QAM-OFDM signal with each subcarrier modulated by one of 16 possible symbols in the square 16QAM constellation located on ( 3, 1, +1, +3) ( 3, 1,+1, +3) grid. 8 Fuqin Xiong. Digital modulation techniques. Boston (Mass.) ; London : Artech House, 2006

MITMEKIIRELINE LEVI Mitmekiirelise levi olukorras (multipath propagation) on vastuvõtja võ sisendis sse smitme erineva eva ajalise hilistusega sega signaali sg summa. See rikub harmooniliste täpse ortogonaalsuse, mistõttu neid ei ole enam võimalik üksteisest eraldada. Olukorra parandamiseks viiakse sisse ajaline kaitseintervall. Selleks on iga sümboli alguses tema lõpuosa koopia (10-25%), mistõttu õnnestub saada summaarsest signaalist lõigud pikkusega T 1. Ajaline nihe vastab signaali sageduskomponentide faasinihkele, mille mõju on aga kõrvaldatav diferentsiaalmeetodil. MITMEKIIRELINE LEVI http://www.digitalradiotech.co.uk/cofdm.htm 9 Kaitseintervalli (guard interval) osa edastatakse kahekordselt. Seetõttu tuleb sama keskmise edastuskiiruse säilitamiseks suurendada edastuskiirust sümboli põhiosa ajal. Sümboli kestus oleneb FFT põhisageduse f 10 1 perioodist T 1, millele liitub kaitseintervall T k : Ts = T 1 +T k. OFDM OFDM edastuskiirus on sümbolite arv sekundis r = 1/T s = 1/(T 1 +T k ). Sagedussamm (sageduslik lahutusvõime) on f = f 1 =1/T 1. OFDM Ortogonaalne sagedustihendus on kasutusel digitaalse heliringhäälingu DAB (Digital Audio Broadcasting DAB) ja digitaalse televisiooniringhäälingu DVB (Digital Video Broadcasting DVB) modulatsioonina. Samuti on ta kasutusel uutes mobiilsidesüsteemides ning WLAN (IEEE 802.11a, g, n) süsteemides. Vajalik sagedusriba laius on B = N/T 1. 11 12

DIGITAALNE HELIRINGHÄÄLINGUSÜSTEEM DAB DAB on realiseeritud 4 võimalikus variandis (moodused I IV). Ajalise kaitseintervalli pikkus on kõigil variantidel ~25 % sümboli pikkusest. Kasutatav modulatsioon on DQPSK. Sagedusriba laius on 1,5 MHz. DIGITAALNE TELEVISIOONIRINGHÄÄLINGUSÜSTEEM DVB-T DVB-T on realiseeritud kahes variandis 8 k ja 2 k. Kaitseintervalli i t pikkus on 25, 12, 6 või 3 % sümboli pikkusest. Kasutatakse modulatsiooniviise 4QAM (QPSK), 16QAM ja 64QAM. Sagedusriba laius on 7,6 MHz. 13 14 OFDM VÕIMSUSE SPEKTRAALTIHEDUS PSEUDOJUHUSLIKU SIGNAALI GENEREERIMINE Pseudojuhusliku signaalina (PJS) kasutatakse lineaarse tagasisidega nihkeregistri abil genereeritud binaarsignaali, mille paljud omadused on lähedased valgele mürale. See signaal tagab: hea eraldatavuse sama PJS nihutatud versioonist, st omab minimaalset autokorrelatsioonifunktsiooni, hea eraldatavuse teistest samas süsteemis kasutatavatest pseudojuhuslikest signaalidest, st omab minimaalset vastastikust korrelatsioonifunktsiooni teiste signaalide suhtes. 15 (Linear feedback shift register LFSR, m-sequence) q ) 16

M jada LFSR Vaatleme tagasisidega nihkeregistri tööd lineaarse rekursiivjada genereerimisel. Joonisel on toodud 5-astmeline nihkeregister, mida juhib taktsignaal sagedusega f c. Tagasiside on võetud 2. ja 5. astmelt, registri sisendisse antav signaal moodustatakse tehtega summa mooduliga 2. Tagasiside kohtade sümboolne esitus polünoomkujul (nn generaatorpolünoom) on G(x) = 1 + x 2 + x 5. Valitud tagasiside tagab maksimaalse pikkusega pseudojuhusliku jada (nn M-jada). 5 astme korral on jada pikkuseks 2 N 1 = 2 5 1 = 31 sammu. Selle möödudes hakkab väljundsignaal perioodiliselt korduma, kusjuures perioodi pikkuseks on M-jada pikkus. 17 Nihkeregistri töö kirjeldamiseks kirjutame välja registri algseisu ja selle muutused. Tabelit jätkates saab veenduda, et väljund hakkab 31 sammu järel perioodiliselt korduma. 18 LFSR Formaati 1/ 1 viidud pseudojuhusliku signaali omadused on lähedased juhuslikule mürale. Tema autokorrelatsioonifunktsioon R(k) = 1, kui k = 0, muudel nihke k väärtustel R(k) = 0. Signaali võimsus on alati 1 2 1 PSEUDOJUHUSLIK SIGNAAL (PJS) LFSR SEQUENCE (LINEAR FEEDBACK SHIFT REGISTER), M-JADA (M-SEQUENCE) Näide: N=15 Algväärused: (4 bitti) 1 1 1 1 XNOR või XOR A B 1 1-1 1-1 1-1 1 1 PJSi määravad täielikult 3 parameetrit registri pikkus, tagasiside kohad (st eneraatorpolünoom) ja algseis. Neid teades saab vastuvõtjas tekitada samasuguse PJSi. Valem: (feedback 4,3 bits) N=15 bi ( 1) bi 4 bi 3-1 -1-1 Mitme M-jada üheaegsel kasutamisel süsteemis üt on puuduseks väike jadade arv, mille vastastikune korrelatsioon oleks küllalt väike. Keerukamaid koodsignaale on võimalik saada mittelineaarsete tehete abil mitmest pseudojuhuslikust signaalist. Näiteks Goldi koodid on saadud kahe PJS liitmisel tehtega summa mod-2, Kasami koodid aga veel keerukamal viisil. 19 Pseudojuhuslik signaal 20

PSEUDOJUHUSLIK SIGNAAL (PJS) JA MÜRA PSJ + müra SNR=-6dB HAJASPEKTERMODULATSIOON Vastuvõtt: Optimaalse vastuvõtja väljund ilma mürata Optimaalse vastuvõtja väljund müraga Hajaspektermodulatsioon (spread-spectrum modulation) kasutab digitaalsignaalide edastamiseks nende moduleerimist laiaribalise mürataolise signaaliga. Tulemuseks on signaali spektri hajutamine väga laiale sagedusalale, mis ületab tunduvalt infoedastuseks vajalikku minimaalset sagedusala. Selle modulatsiooniviisi põhilised kasutusvaldkonnad on: signaali salastamine, kuna mürasarnane signaal on raskesti avastatav ja detekteeritav; koodjaotusega ühispöördussüsteem (code division multiple access CDMA), kus see võimaldab edastada ühes ja samas sagedusribas üheaegselt palju signaale. 21 22 OTSEJADAGA HAJASPEKTERMODULATSIOON OTSEJADAGA HAJASPEKTERMODULATSIOON Otsejadaga hajaspektermodulatsiooni (direct sequence spread spectrum DSSS) juhtumil korrutatakse digitaalsignaal läbi pseudojuhusliku signaaliga (PJS), mille formaat on ±1. Edasi järgneb digitaalmodulatsioon (näiteks PSK või QPSK), mis viib signaali kandesagedusele ω c. Vastuvõtja suudab signaali demoduleerida vaid siis, kui ta saab kasutada täpselt samasugust PJS (koodsignaali). Vastasel juhul ei ole signaal vastuvõtja sisendis mürast eristatav. Sisendbitile a k vastab polaarne signaal s k, mille biti pikkus joonisel on T b = 7 T ch. Siin T ch on pseudojuhusliku signaali samm (samm ehk pilk chip). Sammu pikkus on T ch << T b (taktsagedus f ch >> r b ). 23 24

OTSEJADAGA HAJASPEKTERMODULATSIOON Edastusel se liituva häire j(t) mõju Signaali s k spektri kuju vastab funktsioonile sinc(f/r b ),mille pealehe laius on 2r b. Pseudojuhusliku signaali c k spektri kuju on sinc(f/f ch ), mille pealehe laius on 2f ch. Korrutise s k *c k spekter on vastavalt signaalide s k ja c k spektrite konvolutsioon. Selle laius on 2(f ch f b ) 2f ch ja kuju on ligilähedane c k spektrile. Demodulaatori väljund on y k = s k * c k + j, kus j on häiresignaal. Peale y k korrutamist c k -ga saame u k = y k * c k = s k * c 2 k + j * c k = s k + j * c k, kuna alati c 2 k2 = 1. Polaarsete signaalide korrutise s k * c k asemel on saatjas 25 sageli lihtsam kasutada loogiliste signaalide (1/0) liitmist mooduliga 2, mis annab sama tulemuse. Korrutamise järel on kitsaribaline müra muutunud laiaribaliseks, mille mõju kasulikule signaalile saab filtri abil oluliselt vähendada. Suhet PG = T b /T ch nimetatakse hajaspektermodulatsiooni ülekandeteguriks (processing gain PG). PG on arvuliselt võrdne pseudojuhusliku signaali sammude arvuga N ühe biti kohta. 26 GPS QPSK variandis on sünfaasse ja kvadratuurse kanali pseudojuhuslikud signaalid (nn koodsignaalid) erinevad. Näiteks kasutab globaalne lb l positsioonimissüsteem (Global Positioning System GPS) hajaspektermodulatsiooniga signaale, mida edastavad 24 suhteliselt madalal lendavat satelliiti. Kui vastuvõtja saab kätte 4... 5 satelliidi signaalid, suudab ta määrata oma asukoha koordinaadid, kiiruse jne. Kõik satelliidid edastavad signaale L1 ja L2: signaal L1 sagedusel 1575,42 MHz on QPSK-modulatsiooniga, selle sünfaasne kanal kannab standardkoodi (course-acquisition code C/A) kiirusega 1,025 Mb/s, kvadratuurkanal kannab täppiskoodi (precision code P) kiirusega 10,25 Mb/s, signaal L2 edastab sagedusel 1227,6 MHz vaid täppiskoodi. 27 SAGEDUSHÜPLUSEGA MODULATSIOON Alternatiivne meetod signaali spektri hajutamiseks on muuta juhuslikul viisil signaali kandesagedust. Sel juhul toimub spektri laienemine ajas teatud hüpetena. Taolist moodust nimetatakse sagedushüpluseks (frequency hopping FH). Vastavat t modulatsiooniviisi tähistatakse FHSS. o Aeglane sagedushüplus igal hüppe väärtusel edastatakse mitu signaali sümbolit (bitti). o Kiire sagedushüplus ühe sümboli edastamise ajal toimub palju hüppeid. Signaali salastamise seisukohalt on kiiret sagedushüplust raskem jälgida, kuid ka raskem tehniliselt realiseerida. 28

SAGEDUSHÜPLUSEGA MODULATSIOON SAGEDUSHÜPLUSEGA MODULATSIOON Struktuurskeemil on näidatud edastatava digitaalsignaali modulaator (FSK, MFSK vms. modulaator) koos vahesagedusvõimendiga, millele järgneb teine segusti. Selle juhtsignaali tekitab sagedussüntesaator, mille sageduse muutumist juhib pseudojuhuslik signaal PJS. Vastuvõtjas peab sagedushüplusega signaali demoduleerimiseks olema täpselt sama pseudojuhusliku signaaliga juhitav sagedussüntesaator. Kiiretoimelistes sünkronisaatorites on raske tagada täpseid faasivahekordi, mistõttu sagedushüplusega süsteemi vastuvõtja kasutab tavaliselt mittekoherentset vastuvõttu. 29 30 SAGEDUSHÜPLUSEGA G MODULATSIOON OO KOKKUVÕTE Sagedussüntesaator peab olema kiiretoimeline, et tagada võimalikult kiire üleminek uuele kandesagedusele. Iga hüppe alguses tekkib sageduse siirdeaeg, mis peab võrreldes hüppe kestusega olema küllalt väike: T s << T h. Sagedushüplusega signaali avastamise keerukus on otseselt määratud ajavahemikuga, mille vältel signaali sagedus püsib teatud väärtusel. Kui sageduse väärtusi on palju ja hüplus on küllalt kiire, on igal sagedusel viibimise kestus tühiselt väike osa kogu edastusajast. MUUD MODULATSIOONIVIISID ORTOGONAALNE SAGEDUSTIHENDUS PSEUDOJUHUSLIKU SIGNAALI GENEREERIMINE HAJASPEKTERMODULATSIOON SAGEDUSHÜPLUSEGA MODULATSIOON KÜSIMUSED 31 32