View page as slide show

Langaton tietoliikenne

Modulointi

  • Signaalin kantoaaltoa muokataan informaation sisältävän signaalin pohjalta
    • Informaation sisältävä signaali on siis moduloiva signaali
    • Informaatio signaali voi olla joko analoginen tai digitaalinen
      • analogisille ja digitaalisille signaaleille omat modulointimenetelmät
  • Moduloinnin toteuttaa lähettimellä modulaattori.
    • Lopputuloksena on moduloitu signaali.
    • Vastaanottimella tehdään demodulaatio
  • Moduloinnin avulla signaali saadaan halutulle taajuusalueelle

Perusmallit signaalin modulointiin

  • Amplitudin muutokseen perustuva modulointi
    • Analoginen, Amplitudimodulointi (AM, amplitude modulation)
    • Digitaalinen, esim ask, amplitude shift keying
  • Taajuuden muutokseen perustuva modulointi
    • Analoginen, Taajuusmodulointi (FM, Frequency modulation)
    • Digitaalinen, esim FSk, Frequency shift keying
  • Vaiheen muutokseen perustuva modulointi
    • Analoginen, Vaihemodulointi (PM, Phase modulation)
    • Digitaaling PSK, phase shift keying

Amplitude-shift keying

\huge s(t)=\begin{cases}
A\cos(2\pi f_{c}t) & ,1\\
0 & ,0\end{cases}

  • Altis satunnaisille vahvistuksille
  • Tehoton modulaatio tekniikka
  • 1200bps puhelinlijalla
  • Optisissa kuiduissa käytetty malli

Binary Frequency-Shift Keying (BFSK)

  • Binääri arvot esitetään pienillä taajusumuunnoksilla
    \Huge s(t)=\begin{cases}
A\cos(2\pi f_{1}t) & ,1\\
A\cos(2\pi f_{2}t) & ,0\end{cases}
  • f1 ja f2 ovat yhtäsuuret siirrokset kantotaajuudesta mutta eri suuntiin
  • Ei yhtä altis virheille kuin ASK
  • Käytetään
    • 1200bps puhelinlinjalla
    • Korkeataajuuksisilla (HFR) (3 to 30 MHz)radio lähetyksillä
    • Voidaan käyttää myös koaksaalikaapeli LAN:eissa

Multiple Frequency-Shift Keying (MFSK)

  • Käytetään useampaa taajuuttaa
  • Käyttää kaistaa tehokkaammin, mutta on alttiimpi virheille
    \Huge s_{i}(t)=A\cos(2\pi f_{i}t)\quad1\leq i\leq M

\Huge f_{i}=f_{c}+(2i-1-M)f_{d}
\Huge f_{c}= kantoaallon taajuus
\Huge f_{d}= taajuusero
\Huge M = 2*L=signaalielementtien määrä
L= bittejä/signaalielementti

  • jotta siirtonopeus vastaa sisääntulevaa bittivirtaa jokainen signaalin elementin jakso kestää : \Huge T_{s}=LT\, sekuntia
    T = bitin jakso (siirtonopeus = 1/T)
  • eli yhteen signaalin elementtiin tulee L bittiä
  • Tarvittava kaistanleveys\Huge 2Mf_{d}
  • Minimi erotus taajuuksien välillä on\Huge 2f_{d}=1/T_{s}
  • Modulaattori tarvii kaistaa\Huge W_{d}=M/T_{s}

Phase-Shift Keying (PSK)

  • Two-level PSK (BPSK)
    • Käytetään kahta vaihetta kuvaamaan bittejä \Huge s(t)=\begin{cases}
A\cos(2\pi f_{c}t) & ,1\\
A\cos(2\pi f_{c}t+\pi) & ,0\end{cases}=\begin{cases}
A\cos(2\pi f_{c}t) & ,1\\
-A\cos(2\pi f_{c}t) & ,0\end{cases}
  • Differential PSK (DPSK)
    • Vaiuhemuunnos verrattuna edelliseen bittiin
    • Binääri 0 - signaalin vaihesäilyy
    • Binääri 1 - signaalin vaihe muuttuu vastakkaiseksi
  • Quadrature PSK (QPSK)
    • Jokainen elementti kuvaa kahta bittiä
    • vaihe erot \Huge \frac{\pi}{2}(eli 90 astetta) (\Huge \frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4},-\frac{\pi}{4}-\frac{3\pi}{4})

\Huge s(t)=Acos[2\pi ft+\pi/4+\phi(t),
jossa \Huge \phi(t)=vaihe-ero \Huge(\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4},-\frac{\pi}{4}-\frac{3\pi}{4}) vastaa arvoa (11,01,00,10)

  • modulaattorissa käsiteltävä signaali jaetaan parillisiin ja parittomiin bitteihin \Huge (d_{i},d_{Q}), jotka koodataan yhtä aikaa

(I=In-phase, Q = Quadratic phase)
\Huge s(t)=1/\sqrt{2}*d_{i}(t)cos(2\pi ft+\pi/4)+1/\sqrt{2}*d_{Q}(t)sin(2\pi ft+\pi/4)

  • Bittivirrat yhdistetään yhdeksi signaaliksi

  • maksimi vaihe muutos on \Huge \pi, jos molemmat bitit vaihtuvat
  • Offset QPSK
    • kuin QPSK mutta bittivirrat I ja Q käsitellään lomittain
      • parittomat bitit viivästetään T:n verran (I ja Q eivät ala samaan aikaan)
  • Maksimi vaihemuutos on \Huge\frac{\pi}{2}(90 astetta)
    • Pienemmän vaihemuutoksen ansiosta amplitudin vaihtelut lopullisessa signaalissa ovat pienempiä.

  • Multilevel PSK
    • Käytetään usempaan vaihetta
      • Jokaiselle vaiheelle voidaan myös käyttää erikseen amplitudi modulointia
  • Yleisesti: \Huge D=\frac{R}{L}=\frac{R}{log_{2}M}

D = modulointinopeus,baud
R = siirtonopeus, bps
M = signaali elementtien määrä
L = bittejä per signaali elementti

  • esim: 8-psk (jako \Huge \frac{\pi}{4} välein

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/11/8PSK_Gray_Coded.svg

  • Differential encoding (DPSK, DQPSK)
  • Suuhteellinen muutos vaiheeseen bittikuvion mukaan
    • Siirtotien ominaisuuksista johtuen voi signaalin oikean vaiheen tunnistaminen olla vaikeaa, mutta vaihemuutoksen suuruus ei.

PSK mallit ja BER

Minimum shift keying (MSK)

  • Muunnos OQPSK:sta
    • Korvataan OQPSK:n suorakaidepulssi puolen jakson sinipulssilla \Huge (sin(\pi t/2T),cos(\pi t/2T))\\ \Huge s(t)=d_{i}(t)cos(\pi t/2T)cos(2\pi ft)+d_{Q}(t)sin(\pi t/2T)sin(2\pi ft)
    • Saadaan lineaariset vaihemuutokset jotka ovat maksimissaan \Huge \pi/2
  • Gaussian MSK (GMSK)
    • Lisätään MSK:n mukaan Gaussin-käyrä impulssivastefiltteri l. suodatetaan signaalit gaussinkäyränmuotoisella filtterillä
    • Vähentää häiriötä viereisille kanaville, mutta signaalin tulkinta vaikeutuu (intersymbol interference kasvaa)
    • Kehitetty GSM:ää varten

Quadrature Amplitude Modulation

  • Yhdistelmä ASK:sta ja PSK:sta
    • Kaksi eri signaalia lähetetään yhtäaikaa samalla kantotaajuudella
    • Vaihe ero 90 astetta
      \Huge s(t)=d_{1}(t)cos(2\pi f_{c}t)+d_{2}(t)sin(2\pi f_{c}t)
  • Voidaan käyttää sekä analogisiin (analog QAM) että digitaalisiin (16-QAM, 64-QAM…) signaaleihin

rectangular 16-QAM

Monikantoaalot modulointi (MCM)

  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
  • OFDM:ssä käytetään useaa kapeaa taajuutta jotka ovat ortogonaalisia
  • Data koodataan useammalle taajuudelle jolloin

Hajaspektritekniikat (spread spectrum)

  • Sisääntulo syötetään kanavan koodaajalle (modulointi)
    • Tuloksena analoginen signaali kapealla kaistanleveydellä
  • Signaalia moduloidaan lisää käyttäen satunnaista numerosarjaa
    • Hajautuskoodi (spreading code, spreading sequence)
    • toteutetaan Näennäissatunnaisluku (tai näennäissatunnaiskohina) generaattorilla
  • Moduloinnissa lähetettävän signaalin kaistanleveys kasvaa
  • Vastaanotettaessa hajautuskoodia käytetään hajaspektrisignaalin demodulointiin
    • Lopuksi signaali syötetään kanava dekooderiin (toinen demodulointi)
  • Kaksi perusmallia: taajuushyppely ja suorasekvenssihajautus

Hyödyt hajauttamisesta

  • Hajautettu signaali kestää paremmin kohinaa ja monitievaimennusta
  • Voidaan käyttää signaalin piilottamiseen ja salaukseen
  • Signaali vaikea havaita ja estää
  • Useampi käyttäjä voi käyttää samaa korkeampaa kaistanleveyttä aiheuttaen toisilleen vain pientä häiriötä
    • Ei tarvetta kanavoinnille
  • Aiheuttaa hyvin vähän häiriöitä muille signaaleille

Taajuushyppely (Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)

  • Signaalin lähetetään näennäisen satunnaisesti eri radiotaajuuksilla hyppien
    • FH (taajuushyppely) signaalille on varattu joukko kanavia
    • Jokaisen kanavan leveys vastaa sisääntulevan signaalin kaistanleveyttä
  • Signaali hyppii taajuudelta toiselle kiinteän ajan välein
    • Lähetin toimii vain yhdellä kanavalla kerrallaan
    • Bitit lähetetään halutulla tavalla moduloituna
  • Hajautuskoodi määrittelee kanavien käyttöjärjestyksen
    • Vastaanotin hyppii kanavia synkronissa lähettimen kanssa
  • Edut
    • Salakuuntelu vaikeutuu
    • Signaalin häirintä vaiketuu kun useampia taajuuksia joudutaan tukkimaan

FHSS ja MFSK

  • MFSK signaali muutetaan uudelle taajuudelle joka T_{c} sekunti moduloimalla MFSK signaali FHSS kantosignaalilla
  • siirtonopeudelle R:
    • duration of a bit: T = 1/R sekunttia
    • Signaalin elementin pituust: T_{s} = LT sekunttia
    • T_{c} \geq T_{s} - slow-frequency-hop spread spectrum
    • T_{c} < T_{s} - fast-frequency-hop spread spectrum

Suorasekvenssihajautus (Direct sequence Spread Spectrum, DSSS)

  • Jokainen alkuperäisen signaalin bitti esitetään useana bittinä lähetetyssä signaalissa
  • Hajautuskoodi hajauttaa signaalin laajemmalle taajuuskaistalle
    • Hajautus on suoraan siippuvainen hajautuskoodin koosta
  • Informaatio koodataan XOR-funktiolla
  • Käytössä esim. 802.11b:ssä

DSSS BPSK:ta käyttäen

  • Kerro BPSK signaali (kuva kalvolla)

\Huge s_{d}(t)=A*d(t)cos(2\pi f_{c}t)
hajautuskoodilla
\Huge c(t)s_{d}(t)=A*c(t)*d(t)cos(2\pi f_{c}t)
A =signaalin amplitudi
f_{c} = kantoaallon taajuus
d(t) = diskreettifunktio (signaali) [+1, -1]
c(t) = hajautus koodi [+1, -1]

  • Vastaanotin kertoo saadun signaalin c(t):llä
    • c(t) x c(t) = 1, joka johtaa alkuperäisen signaalin purkuun

Näennäissatunnaisluvut (PN)

  • Generointi
    • Ennalta määritelty algoritmi joka alustetaan siemen luvulla (seed)
    • tuottaa jaksollisen sarjan bittejä
  • Halutut ominaisuudet
    • Tasainen jakauma (näyttää satunnaiselta)
      • Pitkässä sarjassa ykkösiä ja nollia lähes yhtäpaljon
      • peräkkäisiä samoja numeroita pitäisi olla jakaumassa noin: 1 perättäinen: 50% , 2 perättäistä: 25%, 3: 12.5%…
    • Itsenäisyys
      • Mitään sarjan numeroista ei pidä kyetä arvaamaan muista sarjan arvoista
Last modified: 2013/07/01 14:42