Nagy Szilvia 4. I−Q-moduláció

Az előadások a következő témára: "Nagy Szilvia 4. I−Q-moduláció"— Előadás másolata:

1 Nagy Szilvia 4. I−Q-moduláció
KÓDOLÁSELMÉLET Nagy Szilvia 4. I−Q-moduláció 2009.

2 Spektrum és konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Spektrum és konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A periodikus jelek felírhatók Fourier-sorukkal: spektrum: a frekvencia (körfrekvencia) függvényében az amplitúdóeloszlás

3 Spektrum és konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Spektrum és konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A periodikus jelek felírhatók Fourier-sorukkal: A két felírás ekvivalens:

4 Spektrum és konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Spektrum és konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Spektrum: periodikus jel – vonalas spektrum

5 Spektrum és konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Spektrum és konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A nemperiodikus jelek Fourier-integrálként írhatók:

6 Spektrum és konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Spektrum és konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Spektrum: nemperiodikus jel – folytonos

7 Spektrum és konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Spektrum és konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Komplex amplitúdó: a Ck számok komplex számok az Y(w) függvény komplex függvény mindkettő ábrázolható komplex számsíkon. y(t) forgóvektor: a komplex amplitúdó jellemzi az amplitúdóját és a kezdőfázisát.

8 KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció
Digitális moduláció I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A kódolt üzenetet a csatornával kompatibilis alakra kell hozni. Ha az átviteli közeg pl. réz érpár – elektromos árammal, a legegyszerűbb ASK – amplitúdóbillentyűzés: RZ – NRZ

9 KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció
Digitális moduláció I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Ha az átvivő közeg elektromágneses hullám, akkor a hullám amplitúdója, fázisa és körfrekvenciája is hordozhatja az információt. Ennek megfelelően van digitális amplitúdómoduláció fázismoduláció frekvenciamoduláció egyidejű amplitúdó- és fázismoduláció egyidejű fázis- és amplitúdómoduláció yi ( t ) = A0 sin( w0 t + j0 )

10 Digitális moduláció A digitális kódoló
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A digitális kódoló az időt egyforma hosszú (TK), nem átfedő intervallumokra bontja a kódolandó szimbólumok mindegyikének megfeleltet egy-egy TK hosszúságú jelszakaszt az időintervallumok mindegyikében lead egy az üzenetben soron következő szimbólumnak megfelelő jelet. Így az egész karaktersorozatot elemenként a csatornára küldi.

11 Digitális moduláció A digitális dekódoló
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A digitális dekódoló ismeri a szóba jöhető jelalakokat és TK -t szinkronizálódik a kódolóval az időintervallumok mindegyikében vesz egy zajjal változtatott jelet összehasonlítja vett jelszakaszt a lehetséges jelalakokkal és eldönti, hogy a zajos jel azok közül melyik lehetett a csatorna bemeneti oldalán (melyikre hasonlít a legjobban; figyelembe véve a csatorna tulajdonságait) ennek a jelalaknak megfelelő szimbólum jelenik meg a kimenetén.

12 Digitális moduláció: PAM
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: PAM I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Impulzus-amplitúdómoduláció (Pulse Amplitude Modulation) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) = ai  A0 sin( ω0 t + φ0 ) az ai lehet például a0 = 0, a1 = 1;

13 Digitális moduláció: PAM
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: PAM I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Impulzus-amplitúdómoduláció (Pulse Amplitude Modulation) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) = ai  A0 sin( ω0 t + φ0 ) az ai lehet például a0 = −1, a1 = 1;

14 Digitális moduláció: PAM
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: PAM I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Impulzus-amplitúdómoduláció (Pulse Amplitude Modulation) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) = ai  A0 sin( ω0 t + φ0 ) ai lehet például a0=−2, a1=−1, a2=1, a3 = 2:

15 Digitális moduláció: QAM
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: QAM I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Impulzus-amplitúdómoduláció (Pulse Amplitude Modulation) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) = ai  A0 sin( ω0 t + φ0 ) ai lehet: a0=−1−i, a1=−1+i, a2=1−i, a3=−1+i; fázistolás

16 Digitális moduláció: QAM
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: QAM I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Impulzus-amplitúdómoduláció (Pulse Amplitude Modulation) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) = ai  A0 sin( ω0 t + φ0 ) 16 komplex amplitúdófaktorral (16-QAM):

17 Digitális moduláció: QAM
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: QAM I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Impulzus-amplitúdómoduláció (Pulse Amplitude Modulation) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) = ai  A0 sin( ω0 t + φ0 ) 16 komplex amplitúdófaktorral (16-QAM):

18 Digitális moduláció: PSK
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: PSK I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Fázistolásos moduláció (Phase Shift Keying) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) =A0 sin( ω0 t + φ0 + ψi ) a ψi lehet például ψ0 = 0°, ψ1 = 180°;  2PAM

19 Digitális moduláció: PSK
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: PSK I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Fázistolásos moduláció (Phase Shift Keying) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) =A0 sin( ω0 t + φ0 + ψi ) a ψi lehet például ψ0 = 0°, ψ1 = 90°, ψ2 = 180°, ψ3 = 270°;

20 Digitális moduláció: PSK
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: PSK I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Fázistolásos moduláció (Phase Shift Keying) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) =A0 sin( ω0 t + φ0 + ψi ) ψi lehet: ψ0 = 0°, ψ1 = 45°, ψ2 = 90°, ψ3 = 135°, ψ4 = 180°, ψ5 = 225°, ψ6 = 270°, ψ7 = 315°;

21 Digitális moduláció: FSK
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció: FSK I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Frekvenciatolásos moduláció (Frequency Shift Keying) ha a vivőjel: A0 sin( ω0 t + φ0 ) az i-edik szimbólumnak megfelelő jelszakasz: yi ( t ) =A0 sin( (ω0+ ωi ) t + φ0 ) a ωi lehet például ω0 = ωc , ω1 = −ωc ;

22 Amplitúdó modulátora I−Q modulátor + KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció
Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok I−Q modulátor leképező adat + 90° i(t) q(t) helyi oszcillátor ho(t) iqmod(t) Q I

23 Amplitúdó modulátora I−Q modulátor +
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Amplitúdó modulátora I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok I−Q modulátor leképező adat + 90° i(t) q(t) helyi oszcillátor ho(t) iqmod(t) megegyezés szerint az i(t)a koszinuszos, a q(t) a szinuszos összetevő

24 Amplitúdó modulátora I−Q modulátor KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció
Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok I−Q modulátor

25 Amplitúdó demodulátora
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Amplitúdó demodulátora I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok I−Q demodulátor i(t) inverz leképező iqmod(t) adat q(t) 90° órajel ho(t) vivő vivő és órajel visszaállító

26 Amplitúdó demodulátora
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Amplitúdó demodulátora I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok I−Q demodulátor

27 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: Gauss-zaj ok: a nemideális csatornán való áthaladás

28 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: Gauss-zaj Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

29 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: fáziszaj (fázisdzsitter) ok: a jel útban lévő frekvencia-konverterek, vagy a modulátor hibája

30 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: szinuszos zavaró jel Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

31 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: kvadratúrahiba v. fázishiba ok: a modulátor 90°-os fázistolójának hibája

32 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: hibalehetőségek Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

33 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: I−Q-aszimmetria ok: a modulátor két ágában más és más az erősítés Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

34 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: vivőszivárgás ok: a nem megfelelő vivőelnyomás Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

35 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: ok: a nem megfelelően beállított szimbólumsebesség és vivőfrekvencia Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

36 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: ok: szinkronizálatlan vivő Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

37 Konstellációs diagram
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Konstellációs diagram I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Hibák: ok: nincs QAM jel a csatornán Fischer, A digitális műsorszórás alapjai, ORTT-AKTI, Budapest, 2005

38 Bithiba-arány Kétféle bithiba-arány:
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Bithiba-arány I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Kétféle bithiba-arány: a dekódoló(k) előtti, a csatornát jellemző BER a dekódoló(k) utáni BER pl.:

39 Bithiba-arány Modulációshiba-arány (MER)
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Bithiba-arány I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Modulációshiba-arány (MER) hibás középpont Q hibavektor ideális középpont I

40 Bithiba-arány Modulációshiba-arány (MER)
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Bithiba-arány I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Modulációshiba-arány (MER) Q DIn DQn Qn In I

41 Bithiba-arány A hibavektor abszolútértéke (EVM)
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Bithiba-arány I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok A hibavektor abszolútértéke (EVM)

42 Digitális moduláció Szűrők szükségessége általában √cos-os szűrő
KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció Digitális moduláció I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Szűrők szükségessége általában √cos-os szűrő

43 Digitális moduláció Spektrum KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció
Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok Spektrum Usp=64dBV Bw=8MHz Resbw=100kHz

44 KÓDOLÁSELMÉLET – I−Q-moduláció
Digitális moduláció I−Q-moduláció Spektrum és konstelláció Digitális modulációk I−Q-modulátor I−Q-demodulátor Konstelláció-elemzés Bithibaarány Spektrális tulajdonságok robosztusabb, zajra kevésbé érzékeny információátvitel lehetőség hibajavító kódolás alkalmazására interferenciával szemben védettebb egyenletesebb spektrum, zajszerű jel keskenyebb sáv elég, mint a hagyományos modulációknál jobb kihasználása a frekvenciasávoknak lehetséges csatornaosztás