Giáo trình Hệ thống truyền thông số

Hệ thống truyền thông số  9/12/2010 1 Digital Communications 9/12/2010 2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ • TRUYỀN THÔNG SỐ – HỆ THỐNG SỐ THỰC SỰ: CÁC XUNG SỐ (i.e. NRZ, AMI, MANCHESTER,HDB3) TRUYỀN QUA CÁP ĐỒNG/QUANG (KHÔNG SÓNG MANG TƯƠNG TỰ). THÔNG TIN CÓ THỂ BAO GỒM SỐ VÀ TƯƠNG TỰ (CẦN A/D và D/A). • CAO TẦN SỐ (DIGITAL RADIO): SÓNG MANG TƯƠNG TỰ ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ DẠNG SỐ (i.e. PAM, QAM, ASK, PSK, FSK, PWM). TRUYỀN THÔNG QUA CÁP ĐỒNG HOẶC CÁP QUANG HAY KHÔNG GIAN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ 9/12/2010 3 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN/THÔNG TIN HARTLEY’S LAW (BELL LABS) DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN LÀ HÀM TUYẾN TÍNH: txBC ∝ C: DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀNB: BĂNG THÔNG (Hz)t: THỜI GIAN TRUYỀN (secs) ĐO XEM CÓ BAO NHIÊU THÔNG TIN (i.e. SỐMẪU ĐỘC LẬP) CÓ THỂ TRUYỀN QUA MỘT KÊNH TRUYỀN TRONG MỘT ĐƠN VỊ THỜI GIAN 9/12/2010 4 )1(log 2 N SBC += C: DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN (bps) / BIT RATE B: BĂNG THÔNG (Hz) S/N: TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU )1(log 2 N S CB + = VỚI 1 KÊNH TRUYỀN CÓ NHIỄU, TỶ SỐ TÍN HiỆU TRÊN NHIỄU (S/N) LÀ TỶ SỐ CỦA CÔNG SUẤT TÍN HIỆU TRÊN CÔNG SUẤT NHIỄU, ĐƯỢC ĐO Ở ĐẦU THU MỐI QUAN HỆ CỦA BĂNG THÔNG VÀ DUNG LƯỢNG KÊNH ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = PowerNoise PowerSignalNS dB log10)/( SHANNON’S THEOREM (BELL LABS) 9/12/2010 5 DUNG LƯỢNG KÊNH VÍ DỤ DÙNG 1 KÊNH THOẠI ĐỂ TRUYỀN DỮ LiỆU SỐ QUA MODEM. B = 3100Hz, S/N = 30 dB = ratio of 1000:1 bps N SBC 894,30)10001(log3100)1(log 22 =+=+= TỐC ĐỘ BIT NÀY CHỈ LÀ TỐI ĐA THEO LÝ THUYẾT. NÓ KHÔNG THỂ ĐẠT ĐẾN VỚI Mà HÓA NHỊ PHÂN. • GIỮ NGUYÊN CÁC GIÁ TRỊ KHÁC, TĂNG BĂNG THÔNG SẼ TĂNG TỐC ĐỘ DỮ LIỆU. 9/12/2010 6 BAUD RATE Vs BIT RATE BIT RATE = SỐ LƯỢNG BIT MỖI GIÂY (BIT = MOST BASIC SYMBOL) BAUD RATE = SỐ LƯỢNG MẪU (SYMBOLS) MỖI PER SECOND. USING MULTI-LEVEL ENCODING SCHEMES ARE NEEDED TO ACHIEVE THE SHANNON LIMIT. TRANSMISSION OF M SIGNAL SYMBOLS, N BITS EACH. • EXAMPLE: 2-LEVEL BINARY SYSTEM: M = 2, N = 1. ONE SIGNAL SYMBOL = 1 BIT. TRANSMISSION OF 1 SIGNAL SYMBOL = TRANSMISSION OF 1 BIT. (BAUD RATE = BIT RATE) • EXAMPLE: 16-QAM. M = 16, N = 4. ONE SIGNAL SYMBOL = 4 BITS. TRANSMISSION OF 1 SIGNAL SYMBOL = TRANSMISSION OF 4 BITS. THUS, 9600 BPS = 2400 BAUDS. NM 2= 9/12/2010 7 COMMUNICATIONS SYSTEMS EXAMPLES DIGITAL TRANSMISSION DIGITAL RADIO NO ANALOG CARRIER ANALOG CARRIER TRUE DIGITAL SYSTEM: 9/12/2010 8 CAO TẦN SỐ (DIGITAL RADIO): • THÔNG TIN CÓ THỂ LÀ TƯƠNG TỰ HoẶC SỐ • ĐiỀU CHẾ SỐ: • TÍN HiỆU ĐiỀU CHẾ DẠNG SỐ • SÓNG MANG DẠNG TƯƠNG TỰ 9/12/2010 9 HỆ THỐNG CAO TẦN SỐ ENCODER PHASE LOCKED LOOP CLOCKS HAVE TO BE SYNCHRONIZED 9/12/2010 10 DIGITAL MODULATION SCHEMES • ĐiỀU CHẾ BIÊN ĐỘ SỐ / ON-OFF KEYING (OOK) / AMPLITUDE SHIFT KEYING (ASK) • FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK) • BINARY FSK (BFSK) • CONTINUOUS-PHASE FSK (CP-FSK) • PHASE SHIFT KEYING (PSK) • BINARY PSK (BPSK) • QUATERNARY PSK (QPSK) • EIGHT-PHASE PSK (8-PSK) • QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION (QAM) • EIGHT QAM (8-QAM) • SIXTEEN QAM (16-QAM) • DIFFERENTIAL PHASE SHIFT KEYING (DPSK, DBPSK) 9/12/2010 11 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ SỐ 9/12/2010 12 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ SỐ (OOK, ASK) • KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ ĐƠN GIẢN NHẤT • LÀ SÓNG LIÊN TỤC (CM), SINCE SÓNG MANG TRUYỀN (‘1’) CÓ BIÊN ĐỘ, TẦN SỐ VÀ PHA CỐ ĐỊNH • DSB-FC AM WAVE: TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ NGÕ VÀO LÀ DẠNG NHỊ PHÂN • KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHI PHÍ THẤP, CHẤT LƯỢNG THẤP, HIỆU SUẤT THẤP • HIẾM KHI ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG HIỆU SUẤT VÀ DUNG LƯỢNG CAO 9/12/2010 13 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ SỐ BINARY INPUT (BASEBAND SIGNAL) ON-OFF KEYING MODULATION (OOK, ASK) tb tb = BIT TIME 1/tb = fb=BIT RATE tb 9/12/2010 14 DIGITAL AMPLITUDE MODULATION [ ] )cos( 2 )(1)( tVtvtv ccmam ω+= ⎩⎨ ⎧ =− =+= 0log1 1log1 )( icalV icalV tvm ⎩⎨ ⎧= inputical inputicaltV tv cc am 0log;0 1log);cos( )( ω NORMALIZED INPUT SIGNAL )cos( 2 )()cos( 2 )( tVtvtVtv ccmccam ωω += 9/12/2010 15 DIGITAL AMPLITUDE MODULATION )(ωMINPUT SIGNAL )(ωϑDSB DSB-FC MODULATED SIGNAL bt/1 cω b c t 1−ω 0 0 bt/1− b c t 1+ω b b f t =1 B bfB 2= 9/12/2010 16 FREQUENCY SHIFT KEYING 9/12/2010 17 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) • KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ ĐƠN GIẢN • KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHI PHÍ THẤP, HIỆU SUẤT THẤP • BFSK TƯƠNG TỰ NHƯ FM (CONSTANT AMPLITUDE/ PHASE) NGOẠI TRỪ TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ LÀ NHỊ PHÂN (THAY ĐỔI GIỮA 2 MỨC RIÊNG BIỆT) • BFSK HIẾM KHI ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG SỐ HIỆU SUẤT CAO. SỬ DỤNG HẠN CHẾ TRONG MODEM BẤT ĐỒNG BỘ HIỆU SUẤT THẤP, CHI PHÍ THẤP DÙNG ĐỂ TRUYỀN DỮ LIỆU QUA ĐƯỜNG DÂY THOẠI TƯƠNG TỰ. 9/12/2010 18 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) { }[ ]tftvfVtv mccfsk Δ+= )(2cos)( π ≡ ≡Δ ≡ c c V f f TẦN SỐ SÓNG MANG TRUNG TÂM ĐỘ LỆCH TẦN SỐ ĐỈNH ⎩⎨ ⎧ =− =+= 0log1 1log1 )( icalV icalV tvmNORMALIZEDINPUT SIGNAL { }[ ] { }[ ]⎩⎨ ⎧ Δ− Δ+= inputicaltffV inputicaltffV tv cc cc fsk 0log;2cos 1log;2cos )( π π BIÊN ĐỘ SÓNG MANG ĐỈNH 9/12/2010 19 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) • VỚI BPSK, TẦN SỐ SÓNG MANG BỊ DỊCH BỞI TÍN HiỆU NHỊ PHÂN NGÕ VÀO fcm ff Δ+≡• MARK FREQUENCY = TẦN SỐ NGÕ RA VỚI LOGIC 1 NGÕ VÀO SPACE FREQUENCY = TẦN SỐ NGÕ RA VỚI LOGIC 0 NGÕ VÀO fcs ff Δ−≡• (SHIFT UP) (SHIFT DOWN) sm ff ,• GIÁ TRỊ DỰA VÀO THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9/12/2010 20 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) fcm ff Δ+=fcs ff Δ−= cf fΔfΔ fΔ2 2 sm f ff −=ΔLOGICAL 0(SPACE) LOGICAL 1(MARK) 9/12/2010 21 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) 2 tb tb = BIT TIME 1/tb = fb=BIT RATE 1/2tb = 9/12/2010 22 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) • VỚI BFSK, TỐC ĐỘ NGÕ RA BẰNG TỐC ĐỘ NGÕ VÀO (TẦN SỐ NGÕ RA THAY ĐỔI MỖI LẦN MỨC LOGIC NGÕ VÀO THAY ĐỔI) • VỚI BFSK, TỐC ĐỘ BIT BẰNG VỚI TỐC ĐỘ BAUD (A SIGNAL SYMBOL = A BIT) • BỘ ĐiỀU CHẾ FSK THƯỜNG LÀ 1 VCO VỚI 1 TẦN SỐ TRUNG TÂM: 2 sm osc fff −= mosc ffinput →:'1' sosc ffinput →:'0'} 9/12/2010 23 BASK BFSK BPSK 9/12/2010 24 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) )(ωIINPUT SIGNAL )(ωϑ MODULATED SIGNAL mf 0 0 sf cf bt/1bt/1− b m t f 1+ b s t f 1− SIN X/X (PULSED SINUSOIDAL WAVES) B b b f t =1 9/12/2010 25 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) )(2 22 2)( )()( b b bsm bsbm ffB ffB fffB ffffB +Δ= +Δ= +−= −−+= )(2 bffB +Δ= BĂNG THÔNG TỐI THIỂU CỦA TÍN HiỆU FSK: 9/12/2010 26 BFSK - MODULATION INDEX af fΔ=β THE REPETITION RATE bf fΔ= 2β22 1 b b a f t f == b sm b f ff f f −=Δ=∴ 2β bsm b sm fff f ff =−⇒=−=• 1;1β 2 5.;5. bsm b sm fff f ff =−⇒=−=• β SEPERATION IN MARK AND SPACE FREQUENCIES bsm b sm fff f ff 22;2 =−⇒=−=• β 9/12/2010 27 FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) bsm fff >− • WIDE-BAND FSK: • NARROW-BAND FSK: bsm fff <− • HỆ SỐ ĐiỀU CHẾ: b sm b sm a f ff f ff f fh −= − =Δ= 2 2 9/12/2010 28 FSK EXAMPLE CHO TÍN HiỆU FSK VỚI MARK FREQUENCY LÀ 51 kHz, SPACE FREQUENCY LÀ 49 kHz, VÀ TỐC ĐỘ BIT NGÕ VÀO LÀ 2 Kbps: •ĐỘ LỆCH TẦN ĐỈNH 2 sm f ff −=Δ kHzkHzkHz sf 1 2 4951 =−=Δ • BĂNG THÔNG TỐI THIỂU )(2 bffB +Δ= kHzkHzkHzB 6)21(2 =+= • TỐC ĐỘ BAUD WITH BFSK, THE BIT RATE EQUALS THE BAUD RATE BAUD RATE = 2 kbps 9/12/2010 29 NONCOHERENT FSK RECEIVER KHÔNG CÓ TẦN SỐ ĐƯỢC THÊM VÀO TRONG QUÁ TRÌNH GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐỂ ĐỒNG BỘ CẢ VỀ PHA, TẦN SỐ HAY CẢ HAI VỚI TÍN HIỆU VÀO FSK 0 OR 1 9/12/2010 30 COHERENT FSK RECEIVER 0 OR 1 TÍN HiỆU VÀO FSK ĐƯỢC NHÂN VỚI SÓNG MANG ĐƯỢC KHÔI PHỤC CHÍNH XÁC VỀ TẦN SỐ VÀ PHA NHƯ CỦA BỘ TRUYỀN HiẾMKHI SỬ DỤNG KỸ THUẬT: LÀ KHÔNG THỰC TẾ ĐỂ TÁI TẠO MỘT CÁI LOCAL REFERENCE CÓ THỂ LIÊN KẾT CẢMARK AND SPACE FREQUENCIES 9/12/2010 31 PLL-BASED FSK RECEIVER FREQUENCY VARIES BETWEEN MARK AND SPACE FREQUENCIES FOLLOWS THE FREQUENCY SHIFT 0 OR 1 2 sm osc fff −= 9/12/2010 32 CONTINUOUS -PHASE (CP-FSK) • CP-FSK IS BFSK VỚI MARK AND SPACE FREQUENCIES ĐƯỢC ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ BIT NHỊ PHÂN NGÕ VÀO • sm ff , ĐƯỢC CHỌN SAO CHO CHÚNG ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= 2 b mm fnf • ĐIỀU NÀY BẢO ĐẢM SỰ CHUYỂN PHA SUÔN SẺ Ở TÍN HIỆU NGÕ RA KHI THAY ĐỔI GIỮA 2 TẦN SỐ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= 2 b ss fnf ⎩⎨ ⎧ ≠ sm sm nn oddnoddn ; PHÂN BIỆT VỚI TẦN SỐ TRUNG TÂM BẰNG SỐ LẺ LẦN CỦA ½ TỐC ĐỘ BIT 9/12/2010 33 NON-CONTINUOUS FSK WAVEFORM EXAMPLE 1 0 1 0 9/12/2010 34 CONTINUOUS-PHASE FSK WAVEFORM EXAMPLE FSK mstb 1= kHzmsfb 11 1 == SELECT nm = 7 SELECT ns = 3 3500 Hz77 3500 Hz 9/12/2010 35 CONTINUOUS-PHASE FSK WAVEFORM IN THE CP-FSK EXAMPLE: )2(22000 1500;3500 4 3;7;1000 ===−∴ == =−∴ === βbsm m sm smb fHzff HzfsHzf and nn nnHzf Hzfff sm 1000 2 2000 2 ==−=Δ Hzfffff smosc 2500=Δ+=Δ−= 9/12/2010 36 CONTINUOUS FSK - (CP-FSK) fcm ff Δ+=fcs ff Δ−= cf fΔfΔ fΔ2 2 sm f ff −=ΔLOGICAL 0 (SPACE) LOGICAL 1 (MARK) Ns = 3; 1500 Hz 2500 Hz Nm = 7; 3500 Hz Hzfb 1000= 1000 Hz 1000 Hz 9/12/2010 37 MINIMUM CP-FSK - MSK 1=⇒=− βbsm fff HỆ SỐ ĐIỀU CHẾ LÀ 1 VÀ CHÚNG TA GỌI MSK NÀY PHÂN BIỆT TỐI THIỂU CỦA MARK AND SPACE FREQUENCIES XẢY RA KHI b b sm b ss b sm ffff fnffnf ==−∴ =+= 2 2 2 ; 2 )2( 2+= sm nn 9/12/2010 38 CONTINUOUS-PHASE MSK WAVEFORM MSK mstb 1= kHzmsfb 11 1 == SELECT n = 5 SELECT n = 3 9/12/2010 39 9/12/2010 40 PHASE SHIFT KEYING 9/12/2010 41 PHASE SHIFT KEYING (PSK, BPSK) • CŨNG ĐƯỢC GỌI LÀ PHASE REVERSAL KEYING (PRK) VÀ BIPHASE MODULATION • BPSK THÌ TƯƠNG TỰ NHƯ PM (BIÊN ĐỘ VÀ TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI) NGOẠI TRỪ TÍN HiỆU ĐiỀU CHẾ LÀ NHỊ PHÂN (PHÂN BiỆT GiỮA 2 MỨC RIÊNG BiỆT) • VỚI BPSK 2 PHA NGÕ RA CÓ THỂ TẠO BỞI 1 TẦN SỐ SÓNG MANG. PHA CỦA TÍN HiỆU SÓNG MANG NGÕ RA LỆCH NHAU 1800 ĐỂ BiỂU DiỄN MỨC LOGIC 0 VÀ 1 • BPSK LÀ 1 DẠNG CỦA DSB-SC 9/12/2010 42 BPSK TRANSMITTER PHASE REVERSING SWITCH (PRODUCT MODULATOR) CARRIER IS EITHER IN PHASE (‘1’ INPUT) OR 180 degrees OUT OF PHASE (‘0’ INPUT) CARRIER FREQUENCY LOGICAL 0, LOGICAL 1 INPUT OUTPUT RATE OF CHANGE (BAUD) = INPUT RATE OF CHANGE (bps). SYMBOL = BIT UNIPOLAR BIPOLAR tb 9/12/2010 43 BPSK BALANCED RING MODULATOR DIGITAL VOLTAGE INPUT >>> PEAK CARRIER VOLTAGE IN ORDER TO CONTROL D1-D4 DIODE STATES 9/12/2010 44 BPSK BALANCED RING MODULATOR LOGICAL 1 INPUT OUTPUT SIGNAL IS IN PHASE 9/12/2010 45 BPSK BALANCED RING MODULATOR LOGICAL 0 INPUT OUTPUT SIGNAL IS 180 degrees OUT OF PHASE 9/12/2010 46 BPSK BALANCED RING MODULATOR TRUTH TABLE PHASOR DIAGRAM CONSTELLATION DIAGRAM (SIGNAL STATE-SPACE DIAGRAM) ONLY THE RELATIVE PEAKS OF THE PHASORS ARE SHOWN 9/12/2010 47 BPSK GENERATION [ ])2sin()()( tftvtv cmpsk π= ≡cf REFERENCE CARRIER FREQUENCY ⎩⎨ ⎧ =− =+= 0log1 1log1 )( icalV icalV tvm NORMALIZED INPUT SIGNAL (UNIPOLAR TO BIPOLAR SIGNAL) ⎩⎨ ⎧ − += inputicalt inputicalt tv c c psk 0log;sin 1log;sin )( ω ω ≡)(tvm INPUT BINARY SIGNAL IN PHASE OUT OF PHASE 9/12/2010 48 BPSK MODULATOR OUTPUT SIGNAL 9/12/2010 49 BANDWITH CONSIDERATION OF BPSK [ ][ ])2sin()2sin()( tftftv acpsk ππ= ≡cf REFERENCE CARRIER FREQUENCY REPETITION RATE (FUNDAMENTAL FREQUENCY OF BINARY INPUT) IT IS 1/2 THE BIT RATE ≡== 22 1 b b a f t f )cos( 2 1)cos( 2 1))(sin(sin YXYXYX +−−= [ ] [ ]tfftfftv acacpsk )(2cos2 1)(2cos 2 1)( +−−= ππ LOWER SIDE FREQUENCY UPPER SIDE FREQUENCY 9/12/2010 50 ac ff +ac ff − cf B b b a f ffB === 2 22 BANDWITH CONSIDERATION OF BPSK LSB USB LSF USF 2 b a ff = 2 b a ff = DSB-SC MODULATION 9/12/2010 51 EXAMPLE FOR A BPSK MODULATOR WITH A CARRIER FREQUENCY OF 70 MHz AND AN INPUT BIT RATE OF 10 Mbps, DETERMINE a) THE LSF b) USF c) B d) BAUD RATE MHzfc 70= ab b a ff ff 2; 2 == MHzMHzfa 52 10 == MHzffLSF ac 65570 =−=−= MHzffUSF ac 75570 =+=+= MHzfB b 10== MHzfb 10= 9/12/2010 52 MHz70 MHz10 EXAMPLE LSB USB MHz5MHz5 MHz75MHz65 LSF USF BAUD RATE = BIT RATE = 10 MEGABAUD 9/12/2010 53 BPSK RECEIVER + INPUT BPSK SIGNAL FREQUENCY AND PHASE SYNCHRONIZED TO ORIGINAL TRANSMIT CARRIER PRODUCT MODULATOR SYNCHRONIZED TO BIT RATE 2 9/12/2010 54 BPSK DETECTION ttttv ccc ωωω 2mod sin2))(sin(sin2)( == ttv cm ωsin)( += XX 2cos 2 1 2 1sin2 −= LOGICAL 1: ))(sin(2)(mod ttvtv cm ω= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= ttv cω2cos 2 1 2 12)(mod ttv cω2cos1)(mod −= BLOCKED BY LPF V1)( =tvout LOGICAL 1: 9/12/2010 55 BPSK DETECTION ttttv ccc ωωω 2mod sin2))(sinsin(2)( −=−= ttv cm ωsin)( −= XX 2cos 2 1 2 1sin2 −= LOGICAL 0: ))(sin(2)(mod ttvtv cm ω= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= ttv cω2cos 2 1 2 12)(mod ttv cω2cos1)(mod +−= BLOCKED BY LPF V1)( −=tvout LOGICAL 0 9/12/2010 56 M-ARY ENCODING • M LÀ MỘT SỐ THẬP PHÂN BiỂU DiỄN SỐ LƯỢNG KẾT HỢP CÓ THỂ CHO 1 SỐ BIT NHỊ PHÂN CHO TRƯỚC (N) • ĐiỀU CHẾ SỐ BFSK VÀ BPSK Mà HÓA 1 BIT ĐƠN VÀ CÓ THỂ CÓ 2 CÁCH KẾT HỢP Ở NGÕ (N = 1, 0 AND 1 INPUTS) • EXAMPLE: HỆ THỐNG PSK VỚI 4 PHA NGÕ RA LÀ HỆ THỐNG M-ARY VỚI M = 4 • BINARY LÀ M-ARY VỚI M = 2 • BPSK: M = 2, N = 1 9/12/2010 57 M-ARY ENCODING: M & N RELATIONSHIP MN M N 2log 2 = = VỚI BFSK/BPSK, 1 BIT ĐƯỢC Mà HÓA: TỔNG QUÁT N = 1 M = 2EXAMPLE: NẾU NGÕ VÀO BAO GỒM 2 BIT, ĐƯỢC Mà HÓA VỚI NHAU VÀ SAU ĐÓ ĐƯỢC ĐiỀU CHẾ CÙNG 1 SÓNG MANG, THÌ: N = 2, M = 4 9/12/2010 58 MINIMUM M-ARY REQUIRED BANDWITH N f M fB bb == 2log N LÀ SỐ LƯỢNG BIT NRZ Mà HÓA 9/12/2010 59 QUATERNARY PHASE SHIFT KEYING (QPSK) • CŨNG ĐƯỢC GỌI LÀ QUADRATURE PSK • MỘT DẠNG KHÁC CỦA PM • QPSK LÀ 1 KỸ THUẬT Mà HÓA M-ARY VỚI M = 4 • VỚI QPSK, 4 PHA NGÕ RA ĐƯỢC THỰC HiỆN VỚI 1 SÓNG MANG • N = 2 (2 BITS) VÌ: 4log2log 22 =⇒= MN 9/12/2010 60 QUATERNARY PHASE SHIFT KEYING (QPSK) • DỮ LiỆU NHỊ PHÂN NGÕ VÀO ĐƯỢC KẾT HỢP THÀNH NHÓM 2 BIT GỌI LÀ DIBITS • DIBIT CODE: 00 = PHASE 1, 01 = PHASE 2, 10 = PHASE 3, 11 = PHASE 4 • 1 SYMBOL = 1 PHASE = 2 BITS BAUD RATE = 1/2 BIT RATE (SYMBOLS PER SEC) (BITS PER SEC) 9/12/2010 61 QPSK MODULATOR DIBITS SERIAL TO PARALLEL IN-PHASE OUT-OF PHASE TWO OUTPUT PHASES TWO OUTPUT PHASES PRODUCT MODULATOR PRODUCT MODULATOR bfRateBit = 2 bfRateBit = 9/12/2010 62 QPSK GENERATION: I CHANNEL OUTPUT PHASES [ ])2sin()()( tftvtv cmqpsk π= ≡cf REFERENCE CARRIER FREQUENCY ⎩⎨ ⎧ =− =+= 0log1 1log1 )( icalV icalV tvm NORMALIZED INPUT SIGNAL (UNIPOLAR TO BIPOLAR SIGNAL) ⎩⎨ ⎧ − += inputicalt inputicalt tv c c qpsk 0log;sin 1log;sin )( ω ω ≡)(tvm INPUT BINARY SIGNAL IN PHASE OUT OF PHASE 9/12/2010 63 QPSK GENERATION: Q CHANNEL OUTPUT PHASES [ ])2cos()()( tftvtv cmqpsk π= ≡cf REFERENCE CARRIER FREQUENCY ⎩⎨ ⎧ =− =+= 0log1 1log1 )( icalV icalV tvm NORMALIZED INPUT SIGNAL (UNIPOLAR TO BIPOLAR SIGNAL) ⎩⎨ ⎧ − += inputicalt inputicalt tv c c qpsk 0log;cos 1log;cos )( ω ω ≡)(tvm INPUT BINARY SIGNAL IN PHASE OUT OF PHASE 9/12/2010 64 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE Q CHANNEL I CHANNEL SUMMER OUTPUT 0 0 0 1 1 0 1 1 )2sin( tfcπ−)2cos( tfcπ− )2sin( tfcπ− )2sin( tfcπ+ )2sin( tfcπ+)2cos( tfcπ− )2cos( tfcπ+ )2cos( tfcπ+ )2sin()2cos( tftf cc ππ −− )2sin()2cos( tftf cc ππ +− )2sin()2cos( tftf cc ππ −+ )2sin()2cos( tftf cc ππ ++ 9/12/2010 65 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 0 0 )1352sin(2)2sin()2cos( o−=−− tftftf ccc πππ PROOF: YXYXYX sincoscossin)sin( −=− )2cos()2sin( )2cos( 2 2)2sin( 2 2 )135sin()2cos(2)135cos()2sin(2 )1352sin(2 tftf tftf tftf tf cc cc cc c ππ ππ ππ π −− =−− =− =− o 0 0 ==> -135 degrees 9/12/2010 66 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 0 1 )452sin(2)2sin()2cos( o−=+− tftftf ccc πππ PROOF: YXYXYX sincoscossin)sin( −=− )2cos()2sin( )2cos( 2 2)2sin( 2 2 )45sin()2cos(2)45cos()2sin(2 )452sin(2 tftf tftf tftf tf cc cc cc c ππ ππ ππ π − =− =− =− o 0 1 ==> -45 degrees 9/12/2010 67 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 1 0 )1352sin(2)2sin()2cos( o+=− tftftf ccc πππ PROOF: YXYXYX sincoscossin)sin( +=+ )2cos()2sin( )2cos( 2 2)2sin( 2 2 )135sin()2cos(2)135cos()2sin(2 )1352sin(2 tftf tftf tftf tf cc cc cc c ππ ππ ππ π +− =+− =+ =+ o 1 0 ==> +135 degrees 9/12/2010 68 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 1 1 )452sin(2)2sin()2cos( o+=+ tftftf ccc πππ PROOF: YXYXYX sincoscossin)sin( +=+ )2cos()2sin( )2cos( 2 2)2sin( 2 2 )45sin()2cos(2)45cos()2sin(2 )452sin(2 tftf tftf tftf tf cc cc cc c ππ ππ ππ π ++ =++ =+ =+ o 1 1 ==> +45 degrees 9/12/2010 69 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES 9/12/2010 70 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES OUTPUT PHASE VERSUS TIME FOR QPSK MODULATOR 9/12/2010 71 QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES VỚI QPSK, MỘT TRONG 4 KHẢ NĂNG NGÕ RA PHASORS CÓ CÙNG BIÊN ĐỘ. VÌ THẾ, THÔNG TIN NHỊ PHÂN PHẢI ĐƯỢC Mà HÓA HOÀN TOÀN TRONG PHA CỦA TÍN HiỆU NGÕ RA 9/12/2010 72 QPSK GENERATION tb tb 22 1 b b r f t f == BIT RATE BEFORE SPLITTER = b b f t =1 REPETITION RATE BEFORE SPLITTER BIT RATE AFTER SPLITTER = 22 1 b b f t = REPETITION RATE AFTER SPLITTER 44 1 b b r f t f == I Q tb tb SERIAL PARALLEL I or Q (SERIAL) (SERIAL) (PARALLEL) (PARALLEL) 9/12/2010 73 BANDWITH CONSIDERATION OF QPSK [ ][ ])2sin()2sin()( tftftv rcqpsk ππ= ≡cf REFERENCE CARRIER FREQUENCY REPETITION RATE (FUNDAMENTAL FREQUENCY OF I or Q CHANNEL BITS) IT IS 1/4 THE BIT RATE4 b r ff = )cos( 2 1)cos( 2 1))(sin(sin YXYXYX +−−= [ ] [ ]tfftfftv rcrcpsk )(2cos 2 1)(2cos 2 1)( +−−= ππ LOWER SIDE FREQUENCY UPPER SIDE FREQUENCY 9/12/2010 74 rc ff +rc ff − cf B 24 22 bbr fffB === BANDWITH CONSIDERATION OF BPSK LSB USB LSF USF 4 b r ff = 4 b r ff = DSB-SC MODULATION 9/12/2010 75 EXAMPLE VỚI BỘ ĐiỀU CHẾ QPSK VỚI TẦN SỐ SÓNG MANG LÀ 70 MHz VÀ TỐC ĐỘ BIT NGÕ VÀO LÀ 10 Mbps, XÁC ĐỊNH a) THE LSF b) USF c) B d) BAUD RATE MHzfc 70= rb b r ffff 4; 4 == MHzMHzfr 5.2 4 10 == MHzffLSF rc 5.675.270 =−=−= MHzffUSF rc 5.725.270 =+=+= MHzfB b 5 2 == MHzfb 10= 9/12/2010 76 MHz70 MHz5 EXAMPLE LSB USB MHz5.2MHz5.2 MHz5.72MHz5.67 LSF USF BAUD RATE = 1/2 BIT RATE = 5 MEGABAUD 9/12/2010 77 QPSK RECEIVER INPUT QPSK SIGNAL PRODUCT MODULATOR PRODUCT MODULATOR 9/12/2010 78 QPSK DETECTION [ ] )(sinsincos2 tttI ccc ωωω −= =)(tvmLOGICAL 0: ))(sin(2 ttvI cm ω= tttI ccccc )sin()sin()2cos1( ωωωωω −+++−−= )2sin()2cos( tftf cc ππ −+ [ ]tttI ccc ωωω 2sinsincos2 −= ttI cc ωω 2sin2cos1 ++−= BLOCKED BY LPF LOGICAL 0 9/12/2010 79 QPSK DETECTION [ ] )(cossincos2 tttQ ccc ωωω −= =)(tvmLOGICAL 1: ))(cos(2 ttvQ cm ω= tttQ ccccc )sin()sin()2cos1( ωωωωω −−+−+= )2sin()2cos( tftf cc ππ −+ [ ]tttQ ccc ωωω cossincos2 2 −= ttQ cc ωω 2sin2cos1 −+= BLOCKED BY LPF LOGICAL 1 9/12/2010 80 8-PHASE SHIFT KEYING 9/12/2010 81 EIGHT PHASE SHIFT KEYING (8-PSK) • DẠNG Mà M-ARY VỚI M = 8, N = 3 • 8 PHA NGÕ RA CÓ THỂ CÓ • DỮ LiỆU NGÕ VÀO NHỊ PHÂN KẾT HỢP THÀNH NHÓM 3 BIT (N = 3) GỌI LÀ TRIBITS • TRIBIT CODE: 000 = PHASE 1, 001 = PHASE 2, 010 = PHASE 3 011 = PHASE 4, 100 = PHASE 5, 101 = PHASE 6 110 = PHASE 7, 111 = PHASE 8 • 1 SYMBOL = 1 PHASE = 3 BITS BAUD RATE = 1/3 BIT RATE (SYMBOLS PER SEC) (BITS PER SEC) 9/12/2010 82 8-PSK MODULATOR BIT SPLITTER (SERIAL TO PARALLEL) 3 bf 2-input DAC 2-input DAC PULSE AMPLITUDE MODULATED SIGNAL (4 LEVELS) PULSE AMPLITUDE MODULATED SIGNAL (4 LEVELS) 9/12/2010 83 8-PSK MODULATOR I CHANNEL TRUTH TABLE Q CHANNEL TRUTH TABLE • I, Q DETERMINE POLARITY; 0 = - , 1 = + • DETERMINE THE LEVEL; 1 = 1.307v, 0 = 0.541v • 2 LEVELS + 2 POLARITIES GIVE 4 CONDITIONS CC , PAM SIGNAL (4 LEVELS) 9/12/2010 84 8-PSK GENERATION: TRIBIT = 000 000 0 0 0 1 - 0.541v - 1.307v NOTE: BECAUSE NOT THE SAME, I-CHANNEL PAM WILL NEVER EQUAL Q-CHANNEL PAM CC , )2sin(541.0 tfcπ− )2cos(307.1 tfcπ− 9/12/2010 85 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES TRIBIT CODE: 000 )5.112sin(41.1)cos(307.1)sin(541.0 o−=−− ttt ccc ωωω PROOF: YXYXYX sincoscossin)sin( −=− )2cos(307.1)2sin(541.0 )2cos()924(.41.1)2sin()383.(41.1 )5.112sin()2cos(41.1)5.112cos()2sin(41.1 )5.1122sin(41.1 tftf tftf tftf tf cc cc cc c ππ ππ ππ π −− =−− =− =− o 0 0 0 ==> -112.5 degrees 9/12/2010 86 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES TRIBIT CODE BETWEEN ADJACENT PHASES FOLLOWS THE GRAYCODE (RESULTS IN ONLY A SINGLE BIT ERROR FOR UNDESIRED PHASE SHIFTS) 9/12/2010 87 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES • VỚI QPSK: 4 PHA NGÕ RA (+45, +135, -45, -135) PHÂN BiỆT GiỮA CÁC PHASOR LiỀN KỀ LÀ 360/4 = 90 degrees. • VỚI 8-PSK: 8 PHA NGÕ RA. PHÂN BiỆT GiỮA CÁC PHA LÀ 360/8 = 45 degrees. MỘT TÍN HiỆU 8-PSK CÓ THỂ CHỊU SỰ DỊCH PHA +/- 22.5 degrees TRONG QUÁ TRÌNH TRUYỀN VÀ VẪN GiỮ TÍNH TOÀN VẸN. 9/12/2010 88 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES • VỚI 8-PSK, MỖI PHASOR CÓ BIÊN ĐỘ BẰNG NHAU (1.41v) • THÔNG TIN Mà TRIBIT CHỈ ĐƯỢC CHỨA TRONG PHA CỦA TÍN HiỆU 9/12/2010 89 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES OUTPUT PHASE VERSUS TIME FOR 8-PSK MODULATOR 9/12/2010 90 tb tb 22 1 b b r f t f == BIT RATE BEFORE SPLITTER = b b f t =1 REPETITION RATE BEFORE SPLITTER BIT RATE AFTER SPLITTER = 33 1 b b f t = REPETITION RATE AFTER SPLITTER 6)3(2 1 b b r f t f == I Q tb tb SERIAL PARALLEL I or Q or C (SERIAL) (SERIAL) (PARALLEL) (PARALLEL) C BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK 9/12/2010 91 BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK 3 bf 6 b r ff = 9/12/2010 92 8-PSK GENERATION: BAUD RATE • VỚI 8-PSK, CÓ 1 THAY ĐỔI PHA TẠI NGÕ RA MỖI 3 BIT VÀO. (A GROUP OF THREE BITS = 1 PHASE = 1 SYMBOL) VÌ THẾ, THE BAUD RATE = 1/3 BIT RATE = 3 bf 9/12/2010 93 BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK [ ][ ])2sin()2sin()(8 tfXtftv rcpsk ππ= ≡cf REFERENCE CARRIER FREQUENCY REPETITION RATE (FUNDAMENTAL FREQUENCY OF I or Q or C CHANNEL BITS) IT IS 1/6 THE BIT RATE6 b r ff = )cos( 2 1)cos( 2 1))(sin(sin YXYXYX +−−= [ ] [ ]tffXtffXtv rcrcpsk )(2cos 2 )(2cos 2 )( +−−= ππ LOWER SIDE FREQUENCY UPPER SIDE FREQUENCY X = +/- 1.307 OR +/- 0.541 9/12/2010 94 rc ff +rc ff − cf B 36 22 bbr fffB === BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK LSB USB LSF USF 6 b r ff = 6 b r ff = DSB-SC MODULATION 9/12/2010 95 EXAMPLE VỚI BỘ ĐiỀU CHẾ CÓ TẦN SỐ SÓNG MANG LÀ 70 MHz VÀ TỐC ĐỘ BIT NGÕ VÀO LÀ 10 Mbps, XÁC ĐỊNH a) THE LSF b) USF c) B d) BAUD RATE MHzfc 70= rb b r ffff 6; 6 == MHzMHzfr 667.1 6 10 == MHzffLSF rc 333.68667.170 =−=−= MHzffUSF rc 667.71667.170 =+=+= MHzfB b 33.3 3 == MHzfb 10= 9/12/2010 96 MHz70 MHz33.3 EXAMPLE LSB USB MHz667.1MHz667.1 MHz667.71MHz333.68 LSF USF BAUD RATE = 1/3 BIT RATE = 3.33 MEGABAUD 9/12/2010 97 8-PSK RECEIVER 9/12/2010 98 16-PHASE SHIFT KEYING 9/12/2010 99 SIXTEEN PHASE SHIFT KEYING (16-PSK) • DẠNG Mà HÓA M-ARY VỚI M = 16, N = 4 • 16 PHA TÍN HiỆU NGÕ RA • DỮ LiỆU NHỊ PHÂN NGÕ VÀO ĐƯỢC NHÓM THÀNH NHÓM 4 BIT (N = 4) GỌI LÀ QUADBITS • QUADBIT CODE: 0000 = PHASE 1 .. 1111 = PHASE 16, • 1 SYMBOL = 1 PHASE = 4 BITS BAUD RATE = 1/4 BIT RATE (SYMBOLS PER SEC) (BITS PER SEC) • VỚI 16-PSK, CÁC GÓC PHA ĐƯỢC PHÂN BiỆT LÀ 360/16 = 22.5 degrees. ĐỂ CÓ THỂ GiỮ TOÀN VẸN, DỊCH PHA max = +/- 11.25 degrees 9/12/2010 100 16-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES