›
›

Bài giảng Hệ thống truyền thông số (Digital Communications)

pdf 100 trang phuongnguyen 4740
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ thống truyền thông số (Digital Communications)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_thong_truyen_thong_so_digital_communications.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống truyền thông số (Digital Communications)

  1. Digital Communications 9/12/2010 1
  2. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ 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 9/12/2010 2
  3. DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN/THÔNG TIN ĐO XEM CÓ BAO NHIÊU THÔNG TIN (i.e. SỐ MẪU ĐỘC LẬP) CÓ THỂ TRUYỀN QUA MỘT KÊNH TRUYỀN TRONG MỘT ĐƠN VỊ THỜI GIAN HARTLEY’S LAW (BELL LABS) DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN LÀ HÀM TUYẾN TÍNH: C: DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN B: BĂNG THÔNG (Hz) C ∝ B x t t: THỜI GIAN TRUYỀN (secs) 9/12/2010 3
  4. MỐI QUAN HỆ CỦA BĂNG THÔNG VÀ DUNG LƯỢNG KÊNH VỚI 1 KÊNH TRUYỀN CÓ NHIỄU, TỶ SỐ TÍN HiỆUTRÊN NHIỄU (S/N) LÀ TỶ SỐ CỦA CÔNG SUẤT TÍN HIỆU TRÊN CÔNG SUẤT NHIỄU, ĐƯỢC ĐO Ở ĐẦU THU ⎛ ⎞ ⎜ Signal Power ⎟ dB ⎜ ⎟ ( S / N ) = 10 log ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ Noise Power ⎠ SHANNON’S THEOREM (BELL LABS) C: DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN (bps) / BIT RATE B: BĂNG THÔNG (Hz) S/N: TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU C B = S S C = B log 2 (1 + ) log 2 (1 + ) N N 9/12/2010 4
  5. DUNG LƯỢNG KÊNH VÍ DỤ DÙNG 1 KÊNH THOẠI ĐỂ TRUYỀN DỮ LiỆUSỐ QUA MODEM. B = 3100Hz, S/N = 30 dB = ratio of 1000:1 S C = B log 2 (1+ ) = 3100 log 2(1+1000 ) = 30,894 bps N TỐC ĐỘ BIT NÀY CHỈ LÀ TỐI ĐA THEO LÝ THUYẾT. NÓ KHÔNG THỂ ĐẠT ĐẾN VỚI MÃ HÓA NHỊ PHÂN. • GIỮ NGUYÊN CÁC GIÁ TRỊ KHÁC, TĂNG BĂNG THÔNG SẼ TĂNG TỐC ĐỘ DỮ LIỆU. 9/12/2010 5
  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. M = 2N • 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. 9/12/2010 6
  7. COMMUNICATIONS SYSTEMS EXAMPLES TRUE DIGITAL SYSTEM: NO ANALOG CARRIER DIGITAL TRANSMISSION ANALOG CARRIER DIGITAL RADIO 9/12/2010 7
  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 8
  9. HHỆỆ THTHỐỐNGNG CAOCAO TTẦẦNN SSỐỐ ENCODER PHASE LOCKED LOOP CLOCKS HAVE TO BE SYNCHRONIZED 9/12/2010 9
  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 10
  11. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ SỐ 9/12/2010 11
  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 12
  13. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ SỐ BINARY INPUT tb tb (BASEBAND SIGNAL) ON-OFF KEYING MODULATION (OOK, ASK) tb = BIT TIME 1/tb = fb=BIT RATE 9/12/2010 13
  14. DIGITAL AMPLITUDE MODULATION Vc vam (t) = []1 + vm (t) cos( ω ct) 2 Vc Vc vam (t) = cos( ω ct) + vm (t) cos( ω ct) 2 2 NORMALIZED ⎧+1V = logical1 INPUT SIGNAL vm(t) = ⎨ ⎩−1V = logical 0 ⎧Vc cos(ωct); logical1input vam(t) = ⎨ ⎩0 ;logical 0 input 9/12/2010 14
  15. DIGITAL AMPLITUDE MODULATION M (ω ) INPUT 1 SIGNAL = fb tb −1/ tb 0 1/ tb DSB-FC MODULATED SIGNAL ϑDSB (ω ) 0 1 ωc 1 ωc − ωc + B = 2 fb tb tb B 9/12/2010 15
  16. FREQUENCY SHIFT KEYING 9/12/2010 16
  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 17
  18. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) vfsk (t) = V c cos [2π {fc + vm (t)Δf }t] fc ≡ TẦN SỐ SÓNG MANG TRUNG TÂM Δf ≡ ĐỘ LỆCH TẦN SỐ ĐỈNH Vc ≡ BIÊN ĐỘ SÓNG MANG ĐỈNH NORMALIZED ⎧+1V = logical1 INPUT SIGNAL vm(t) = ⎨ ⎩−1V = logical 0 ⎧Vc cos[2π{fc + Δf }t] ; logical1input vfsk(t) = ⎨ ⎩Vc cos[]2π{}fc − Δf t ;logical 0 input 9/12/2010 18
  19. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) •• VỚI BPSK, TẦN SỐ SÓNG MANG BỊ DỊCH BỞI TÍN HiỆU NHỊ PHÂN NGÕ VÀO • fm ≡ fc + Δ f (SHIFT UP) MARK FREQUENCY = TẦN SỐ NGÕ RA VỚI LOGIC 1 NGÕ VÀO • fs ≡ fc − Δ f (SHIFT DOWN) SPACE FREQUENCY = TẦN SỐ NGÕ RA VỚI LOGIC 0 NGÕ VÀO • fm, fs GIÁ TRỊ DỰA VÀO THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9/12/2010 19
  20. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) 2Δf Δf Δf s c f f = f − Δ fc fm = fc + Δ f LOGICAL 0 fm − fs LOGICAL 1 (SPACE) Δf = (MARK) 2 9/12/2010 20
  21. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) tb = BIT TIME 1/tb = fb=BIT RATE 2 tb 1/2tb = 9/12/2010 21
  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: fm − fs '1'input : fosc → fm fosc = 2 } '0'input : fosc → fs 9/12/2010 22
  23. BASKBASK BFSKBFSK BPSKBPSK 9/12/2010 23
  24. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) I (ω ) INPUT SIGNAL 1 = fb tb −1/ tb 0 1/ tb MODULATED SIGNAL ϑ(ω ) 0 1 fs fc fm fs − 1 fm + tb SIN X/X B tb (PULSED SINUSOIDAL WAVES) 9/12/2010 24
  25. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) B = ( fm + fb) − ( fs − fb) B = ( fm − fs) + 2 fb B = 2Δf + 2 fb B = 2(Δf + fb) BĂNG THÔNG TỐI THIỂU CỦA TÍN HiỆU FSK: B = 2 ( Δ f + f b ) 9/12/2010 25
  26. BFSK - MODULATION INDEX 1 f b Δ f f a = = 2 Δ f β = 2 t b 2 β = f a THE REPETITION RATE f b 2 Δ f fm − fs ∴ β = = SEPERATION IN MARK AND SPACE fb f b FREQUENCIES f m − f s • β = 1; = 1 ⇒ f m − f s = f b f b f m − f s f b • β = .5; = .5 ⇒ f m − f s = f b 2 f m − f s • β = 2 ; = 2 ⇒ f m − f s = 2 f b 9/12/2010 f b 26
  27. FREQUENCY SHIFT KEYING (FSK, BFSK) • HỆ SỐ ĐiỀU CHẾ: f m − f s Δf f − f h = = 2 = m s f f a b f b • WIDE-BAND FSK: 2 fm − fs > fb • NARROW-BAND FSK: fm − fs < fb 9/12/2010 27
  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 fm − fs 51 kHz − 49 kHz s Δf = Δ f = = 1kHz 2 2 • BĂNG THÔNG TỐI THIỂU B = 2(Δf + fb ) B = 2(1 kHz + 2 kHz ) = 6 kHz • TỐC ĐỘ BAUD WITH BFSK, THE BIT RATE EQUALS THE BAUD RATE BAUD RATE = 2 kbps 9/12/2010 28
  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 29
  30. COHERENT FSK RECEIVER TÍN HiỆU VÀO FSK ĐƯỢC NHÂN VỚI SÓNG MANG ĐƯỢC KHÔI PHỤC CHÍNH XÁC VỀ TẦN SỐ VÀ PHA NHƯ CỦA BỘ TRUYỀN 0 OR 1 HiẾM KHI SỬ DỤNG KỸ THUẬT: LÀ KHÔNG THỰC TẾ ĐỂ TÁI TẠO MỘT CÁI LOCAL REFERENCE CÓ THỂ LIÊN KẾT CẢ MARK AND SPACE FREQUENCIES 9/12/2010 30
  31. PLL-BASED FSK RECEIVER FREQUENCY VARIES BETWEEN MARK AND SPACE FREQUENCIES FOLLOWS THE FREQUENCY SHIFT 0 OR 1 f m − f s f osc = 2 9/12/2010 31
  32. CONTINUOUS -PHASE (CP-FSK) • CP-FSK IS BFSK VỚI MARK AND SPACE FREQUENCIES ĐƯỢC ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ BIT NHỊ PHÂN NGÕ VÀO • fm , fs ĐƯỢC CHỌN SAO CHO CHÚNG PHÂN BIỆT VỚI TẦN SỐ TRUNG TÂM BẰNG SỐ LẺ LẦN CỦA ½ TỐC ĐỘ BIT ⎡ fb ⎤ ⎡ fb ⎤ ⎧nm odd ; ns odd fm = nm ⎢ ⎥ fs = ns ⎢ ⎥ ⎨ ⎣ 2 ⎦ ⎣ 2 ⎦ ⎩nm ≠ ns • ĐIỀU NÀY BẢO ĐẢM SỰ CHUYỂN PHA SUÔN SẺ Ở TÍN HIỆU NGÕ RA KHI THAY ĐỔI GIỮA 2 TẦN SỐ 9/12/2010 32
  33. NON-CONTINUOUS FSK WAVEFORM EXAMPLE 1 0 1 0 9/12/2010 33
  34. CONTINUOUS-PHASE FSK WAVEFORM EXAMPLE 1 fb = = 1kHz tb = 1ms 1ms FSK 3500 Hz 7 7 3500 Hz SELECT nnm = 7 SELECT nns = 3 9/12/2010 34
  35. CONTINUOUS-PHASE FSK WAVEFORM IN THE CP-FSK EXAMPLE: f b = 1000 Hz ; n m = 7; n s = 3 ∴ n m − n s = 4 and f m = 3500 Hz ; fs = 1500 Hz ∴ f m − f s = 2000 Hz = 2 f b ( β = 2 ) f m − f s 2000 Δ f = = = 1000 Hz 2 2 fosc = fm − Δf = fs + Δf = 2500 Hz 9/12/2010 35
  36. CONTINUOUS FSK - (CP-FSK) fb = 1000 Hz 2Δf Δf Δf 1000 Hz 1000 Hz s c f f = f − Δ fc fm = fc + Δ f Ns = 3; 1500 Hz 2500 Hz Nm = 7; 3500 Hz LOGICAL 0 fm − fs LOGICAL 1 Δf = (SPACE) 2 (MARK) 9/12/2010 36
  37. MINIMUM CP-FSK - MSK PHÂN BIỆT TỐI THIỂU CỦA MARK AND SPACE FREQUENCIES XẢY RA KHI nm = ns + 2 f b f b f m = ( n s + 2 ) ; f s = n s 2 2 f b ∴ f m − f s = 2 = f b 2 HỆ SỐ ĐIỀU CHẾ LÀ 1 VÀ CHÚNG TA GỌI MSK NÀY f m − f s = f b ⇒ β = 1 9/12/2010 37
  38. CONTINUOUS-PHASE MSK WAVEFORM 1 fb = = 1kHz tb = 1ms 1ms MSK SELECT n = 5 SELECT n = 3 9/12/2010 38
  39. 9/12/2010 39
  40. PHASE SHIFT KEYING 9/12/2010 40
  41. PHASEPHASE SHIFTSHIFT KEYINGKEYING (PSK,(PSK, BPSK)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 41
  42. BPSK TRANSMITTER PHASE REVERSING SWITCH UNIPOLAR BIPOLAR (PRODUCT MODULATOR) tb LOGICAL 0, CARRIER IS EITHER IN PHASE (‘1’ INPUT) LOGICAL 1 OR 180 degrees OUT OF INPUT PHASE (‘0’ INPUT) OUTPUT RATE OF CHANGE (BAUD) = CARRIER FREQUENCY INPUT RATE OF CHANGE (bps). SYMBOL = BIT 9/12/2010 42
  43. BPSK BALANCED RING MODULATOR DIGITAL VOLTAGE INPUT >>> PEAK CARRIER VOLTAGE IN ORDER TO CONTROL D1-D4 DIODE STATES 9/12/2010 43
  44. BPSK BALANCED RING MODULATOR LOGICAL 1 INPUT OUTPUT SIGNAL IS IN PHASE 9/12/2010 44
  45. BPSK BALANCED RING MODULATOR LOGICAL 0 INPUT OUTPUT SIGNAL IS 180 degrees OUT OF PHASE 9/12/2010 45
  46. BPSK BALANCED RING MODULATOR TRUTH TABLE PHASOR DIAGRAM ONLY THE RELATIVE PEAKS CONSTELLATION DIAGRAM OF THE PHASORS ARE SHOWN (SIGNAL STATE-SPACE DIAGRAM) 9/12/2010 46
  47. BPSK GENERATION vpsk (t) = vm (t) [sin( 2πfct)] fc ≡ REFERENCE CARRIER FREQUENCY vm (t) ≡ INPUT BINARY SIGNAL NORMALIZED INPUT SIGNAL ⎧+1V = logical1 vm(t) = ⎨ (UNIPOLAR TO −1V = logical 0 BIPOLAR SIGNAL) ⎩ ⎧+ sinωct ; logical1input IN PHASE vpsk(t) = ⎨ ⎩ −sinωct;logical 0 input OUT OF PHASE 9/12/2010 47
  48. BPSK MODULATOR OUTPUT SIGNAL 9/12/2010 48
  49. BANDWITH CONSIDERATION OF BPSK vpsk (t) = []sin( 2πf ct) [sin( 2πf a t)] f c ≡ REFERENCE CARRIER FREQUENCY 1 f f = = b ≡ REPETITION RATE (FUNDAMENTAL a FREQUENCY OF BINARY INPUT) 2t b 2 IT IS 1/2 THE BIT RATE 1 1 (sin X )(sinY) = cos(X −Y) − cos(X +Y) 2 2 1 1 vpsk(t) = cos[]2π( f − f )t − cos[]2π( f + f )t 2 c a 2 c a LOWER SIDE FREQUENCY UPPER SIDE FREQUENCY 9/12/2010 49
  50. BANDWITH CONSIDERATION OF BPSK B LSB USB f f f = b f = b a 2 a 2 f − f c a f c f c + f a LSF USF DSB-SC MODULATION fb B = 2 f = 2 = fb a 2 9/12/2010 50
  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 f c = 70 MHz f b = 10 MHz f f = b ; f = 2 f a 2 b a 10 MHz f = = 5 MHz a 2 LSF = f c − f a = 70 − 5 = 65 MHz USF = f c + f a = 70 + 5 = 75 MHz B = f b = 10 MHz 9/12/2010 51
  52. EXAMPLE 10 MHz LSB USB 5 MHz 5 MHz 65 MHz 70 MHz 75 MHz LSF USF BAUD RATE = BIT RATE = 10 MEGABAUD 9/12/2010 52
  53. BPSK RECEIVER INPUT BPSK PRODUCT SIGNAL MODULATOR + 2 SYNCHRONIZED TO BIT RATE FREQUENCY AND PHASE SYNCHRONIZED TO ORIGINAL TRANSMIT CARRIER 9/12/2010 53
  54. BPSK DETECTION v mod (t) = 2vm (t)(sin ω ct) LOGICAL 1: vm (t) = + sin ω ct 2 v mod (t) = 2(sin ω ct)(sin ω ct) = 2 sin ω ct ⎡ 1 1 ⎤ 2 1 1 v mod (t) = 2⎢ − cos 2ω ct⎥sin X = − cos2X ⎣ 2 2 ⎦ 2 2 v mod (t) = 1 − cos 2ω ct BLOCKED BY LPF vout (t) = 1V LOGICAL 1: 9/12/2010 54
  55. BPSK DETECTION v mod (t) = 2vm (t)(sin ω ct) LOGICAL 0: vm (t) = − sin ω ct 2 v mod (t) = 2(− sin ω ct)(sin ω ct) = −2 sin ω ct ⎡ 1 1 ⎤ 2 1 1 v mod (t) = −2⎢ − cos 2ω ct⎥ sin X = − cos2X ⎣ 2 2 ⎦ 2 2 v mod (t) = −1 + cos 2ω ct BLOCKED BY LPF vout (t) = −1V LOGICAL 0 9/12/2010 55
  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 MÃ 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 56
  57. M-ARY ENCODING: M & N RELATIONSHIP TỔNG QUÁT M = 2 N N = log 2 M VỚI BFSK/BPSK, 1 BIT ĐƯỢC MÃ HÓA: N = 1 M = 2 EXAMPLE: NẾU NGÕ VÀO BAO GỒM 2 BIT, ĐƯỢC MÃ HÓA VỚI NHAU VÀ SAU ĐÓ ĐƯỢC ĐiỀU CHẾ CÙNG 1 SÓNG MANG, THÌ: N = 2, M = 4 9/12/2010 57
  58. MINIMUM M-ARY REQUIRED BANDWITH f f B = b = b log 2 M N N LÀ SỐ LƯỢNG BIT NRZ MÃ HÓA 9/12/2010 58
  59. QUATERNARY PHASE SHIFT KEYING (QPSK) • CŨNG ĐƯỢC GỌI LÀ QUADRATURE PSK • MỘT DẠNG KHÁC CỦA PM • QPSK LÀ 1 KỸ THUẬT MÃ HÓA M-ARY VỚI M = 4 • VỚI QPSK, 4 PHA NGÕ RA ĐƯỢC THỰC HiỆN VỚI 1 SÓNG MANG • N = 2 (2 BITS) VÌ: N = log 2 M ⇒ 2 = log 2 4 9/12/2010 59
  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 60
  61. QPSK MODULATOR PRODUCT MODULATOR TWO Bit Rate= fb OUTPUT DIBITS PHASES SERIAL IN-PHASE TO PARALLEL OUT-OF PHASE TWO OUTPUT fb OUTPUT Bit Rate= PHASES 2 PRODUCT MODULATOR 9/12/2010 61
  62. QPSK GENERATION: I CHANNEL OUTPUT PHASES vqpsk (t) = vm (t) [sin( 2πfct)] fc ≡ REFERENCE CARRIER FREQUENCY vm (t) ≡ INPUT BINARY SIGNAL NORMALIZED INPUT SIGNAL ⎧+1V = logical1 vm(t) = ⎨ (UNIPOLAR TO −1V = logical 0 BIPOLAR SIGNAL) ⎩ ⎧+ sinωct ; logical1input IN PHASE vqpsk(t) = ⎨ ⎩ −sinωct;logical 0 input OUT OF PHASE 9/12/2010 62
  63. QPSK GENERATION: Q CHANNEL OUTPUT PHASES vqpsk (t) = vm (t) [cos( 2πfct)] fc ≡ REFERENCE CARRIER FREQUENCY vm (t) ≡ INPUT BINARY SIGNAL NORMALIZED INPUT SIGNAL ⎧+1V = logical1 vm(t) = ⎨ (UNIPOLAR TO −1V = logical 0 BIPOLAR SIGNAL) ⎩ ⎧+ cosωct ; logical1input IN PHASE vqpsk(t) = ⎨ ⎩ − cosωct;logical 0 input OUT OF PHASE 9/12/2010 63
  64. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE Q CHANNEL I CHANNEL SUMMER OUTPUT 0 0 −cos(2πfct) −sin(2πfct) −cos(2πfct)−sin(2πfct) 0 1 − cos(2πfct) + sin(2πfct) −cos(2πfct)+sin(2πfct) 1 0 + cos(2πfct) − sin(2πfct) +cos(2πfct)−sin(2πfct) 1 1 + cos( 2πfct) + sin(2πfct) +cos(2πfct)+sin(2πfct) 9/12/2010 64
  65. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 0 0 − cos(2πfct) −sin(2πfct) = 2 sin(2πfct −135o ) PROOF: sin(X −Y) =sinX cosY −cosX sinY 2 sin(2πfct −135o ) = 2 sin(2πfct)cos(135) − 2 cos(2πfct)sin(135) = 2 2 − sin(2πfct) − cos(2πfct) = 2 2 0 0 ==> -135 degrees −sin(2πfct) −cos(2πfct) 9/12/2010 65
  66. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 0 1 − cos(2πfct) + sin(2πfct) = 2 sin(2πfct − 45o ) PROOF: sin(X −Y) =sinX cosY −cosX sinY 2 sin(2πfct − 45o ) = 2 sin(2πfct)cos(45) − 2 cos(2πfct)sin(45) = 2 2 sin(2πfct) − cos(2πfct) = 2 2 0 1 ==> -45 degrees sin(2πfct) −cos(2πfct) 9/12/2010 66
  67. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 1 0 cos(2πfct) −sin(2πfct) = 2 sin(2πfct +135o ) PROOF: sin(X +Y) =sinX cosY +cosX sinY 2 sin(2πfct +135o ) = 2 sin(2πfct)cos(135) + 2 cos(2πfct)sin(135) = 2 2 − sin(2πfct) + cos(2πfct) = 2 2 1 0 ==> +135 degrees −sin(2πfct) + cos(2πfct) 9/12/2010 67
  68. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES DIBIT CODE 1 1 cos(2πfct) + sin(2πfct) = 2 sin(2πfct + 45o ) PROOF: sin(X +Y) =sinX cosY +cosX sinY 2 sin(2πfct + 45o ) = 2 sin(2πfct)cos(45) + 2 cos(2πfct)sin(45) = 2 2 + sin(2πfct) + cos(2πfct) = 2 2 1 1 ==> +45 degrees +sin(2πfct) + cos(2πfct) 9/12/2010 68
  69. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES 9/12/2010 69
  70. QPSK GENERATION: OUTPUT PHASES OUTPUT PHASE VERSUS TIME FOR QPSK MODULATOR 9/12/2010 70
  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 MÃ HÓA HOÀN TOÀN TRONG PHA CỦA TÍN HiỆU NGÕ RA 9/12/2010 71
  72. QPSK GENERATION I SERIAL Q tb tb tb tb PARALLEL I or Q 1 BIT RATE BEFORE SPLITTER = = fb (SERIAL) tb 1 fb REPETITION RATE BEFORE SPLITTER fr = = (SERIAL) 2tb 2 1 fb BIT RATE AFTER SPLITTER = = (PARALLEL) 2tb 2 1 fb REPETITION RATE AFTER SPLITTER fr = = (PARALLEL) 9/12/2010 4tb 4 72
  73. BANDWITH CONSIDERATION OF QPSK vqpsk (t) = [sin( 2πfct)][sin( 2πfrt)] fc ≡ REFERENCE CARRIER FREQUENCY fb REPETITION RATE (FUNDAMENTAL fr = FREQUENCY OF I or Q CHANNEL BITS) 4 IT IS 1/4 THE BIT RATE 1 1 (sin X )(sinY) = cos(X −Y) − cos(X +Y) 2 2 1 1 vpsk(t) = cos[]2π( fc − fr)t − cos[]2π( fc + fr)t 2 2 LOWER SIDE FREQUENCY UPPER SIDE FREQUENCY 9/12/2010 73
  74. BANDWITH CONSIDERATION OF BPSK B LSB USB fb fb fr = fr = 4 4 fc − fr fc fc + fr LSF USF DSB-SC MODULATION fb fb B = 2 fr = 2 = 4 2 9/12/2010 74
  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 fc = 70 MHz fb = 10 MHz fb fr = ; fb = 4 fr 4 10 MHz fr = = 2.5 MHz 4 LSF = fc − fr = 70 − 2.5 = 67 .5 MHz USF = fc + fr = 70 + 2.5 = 72 .5 MHz fb B = = 5 MHz 2 9/12/2010 75
  76. EXAMPLE 5 MHz LSB USB 2.5 MHz 2.5 MHz 67 .5 MHz 70 MHz 72 .5 MHz LSF USF BAUD RATE = 1/2 BIT RATE = 5 MEGABAUD 9/12/2010 76
  77. QPSK RECEIVER PRODUCT MODULATOR INPUT QPSK SIGNAL PRODUCT MODULATOR 9/12/2010 77
  78. QPSK DETECTION I = 2vm (t)(sin ω ct) LOGICAL 0: vm (t) = +cos(2πfct)−sin(2πfct) I = 2[]cos ω ct − sin ω ct (sin ω ct) 2 I = 2 [cos ω c t sin ω c t − sin ω c t ] I = −(1−cos2ωct) +sin(ωc +ωc)t +sin(ωc −ωc)t I = −1+ cos 2ωct + sin 2ωct BLOCKED BY LPF LOGICAL 0 9/12/2010 78
  79. QPSK DETECTION Q = 2vm (t)(cos ω ct) LOGICAL 1: vm (t) = +cos(2πfct)−sin(2πfct) Q = 2[]cos ω ct − sin ω ct (cos ω ct) 2 Q = 2 [cos ω c t − sin ω c t cos ω c t ] Q = (1+ cos2ωct) −sin(ωc +ωc)t −sin(ωc −ωc)t Q = 1+ cos 2ωct − sin 2ωct BLOCKED BY LPF LOGICAL 1 9/12/2010 79
  80. 8-PHASE SHIFT KEYING 9/12/2010 80
  81. EIGHT PHASE SHIFT KEYING (8-PSK) • DẠNG MÃ 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 81
  82. 8-PSK MODULATOR PULSE AMPLITUDE MODULATED 2-input DAC SIGNAL (4 LEVELS) BIT SPLITTER (SERIAL TO PARALLEL) b 2-input DAC f PULSE AMPLITUDE MODULATED 3 SIGNAL (4 LEVELS) 9/12/2010 82
  83. 8-PSK MODULATOR I CHANNEL Q CHANNEL PAM SIGNAL TRUTH TABLE TRUTH TABLE (4 LEVELS) • I, Q DETERMINE POLARITY; 0 = - , 1 = + • C , C DETERMINE THE LEVEL; 1 = 1.307v, 0 = 0.541v • 2 LEVELS + 2 POLARITIES GIVE 4 CONDITIONS 9/12/2010 83
  84. 8-PSK GENERATION: TRIBIT = 000 −0.541sin(2πfct) 0 0 - 0.541v 0 000 1 - 1.307v 0 −1.307cos(2πfct) NOTE: BECAUSE C , C NOT THE SAME, I-CHANNEL PAM WILL NEVER EQUAL Q-CHANNEL PAM 9/12/2010 84
  85. 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES TRIBIT CODE: 000 − 0.541 sin(ωct) −1.307 cos(ωct) =1.41sin(ωct −112.5o ) PROOF: sin(X −Y) =sinX cosY −cosX sinY 1.41sin(2πfct −112.5o ) = 1.41sin(2πfct)cos(112.5) −1.41cos(2πfct)sin(112.5) = 1.41(−.383)sin(2πfct) −1.41(.924)cos(2πfct) = −0.541sin(2πfct) −1.307cos(2πfct) 0 0 0 ==> -112.5 degrees 9/12/2010 85
  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 86
  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 87
  88. 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES • VỚI 8-PSK, MỖI PHASOR CÓ BIÊN ĐỘ BẰNG NHAU (1.41v) • THÔNG TIN MÃ TRIBIT CHỈ ĐƯỢC CHỨA TRONG PHA CỦA TÍN HiỆU 9/12/2010 88
  89. 8-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES OUTPUT PHASE VERSUS TIME FOR 8-PSK MODULATOR 9/12/2010 89
  90. BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK I C SERIAL Q tb tb tb tb PARALLEL I or Q or C 1 BIT RATE BEFORE SPLITTER = = fb (SERIAL) tb 1 fb REPETITION RATE BEFORE SPLITTER fr = = (SERIAL) 2tb 2 1 fb BIT RATE AFTER SPLITTER = = (PARALLEL) 3tb 3 1 fb REPETITION RATE AFTER SPLITTER fr = = (PARALLEL) 9/12/2010 2(3)tb 6 90
  91. BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK fb fb 3 fr = 6 9/12/2010 91
  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) fb VÌ THẾ, THE BAUD RATE = 1/3 BIT RATE = 3 9/12/2010 92
  93. BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK v 8 psk (t) = []sin( 2πfct) [X sin( 2πfrt)] fc ≡ REFERENCE CARRIER FREQUENCY X = +/- 1.307 OR +/- 0.541 fb REPETITION RATE (FUNDAMENTAL fr = FREQUENCY OF I or Q or C CHANNEL BITS) 6 IT IS 1/6 THE BIT RATE 1 1 (sin X )(sinY) = cos(X −Y) − cos(X +Y) 2 2 X X vpsk(t) = cos[]2π( fc − fr)t − cos[]2π( fc + fr)t 2 2 LOWER SIDE FREQUENCY UPPER SIDE FREQUENCY 9/12/2010 93
  94. BANDWITH CONSIDERATION OF 8-PSK B LSB USB fb fb fr = fr = 6 6 fc − fr fc fc + fr LSF USF DSB-SC MODULATION fb fb B = 2 fr = 2 = 6 3 9/12/2010 94
  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 fc = 70 MHz fb = 10 MHz fb fr = ; fb = 6 fr 6 10 MHz fr = = 1.667 MHz 6 LSF = fc − fr = 70 − 1.667 = 68 .333 MHz USF = fc + fr = 70 + 1.667 = 71 .667 MHz fb B = = 3.33 MHz 3 9/12/2010 95
  96. EXAMPLE 3.33 MHz LSB USB 1.667 MHz 1.667 MHz 68 .333 MHz 70 MHz 71 .667 MHz LSF USF BAUD RATE = 1/3 BIT RATE = 3.33 MEGABAUD 9/12/2010 96
  97. 8-PSK RECEIVER 9/12/2010 97
  98. 16-PHASE SHIFT KEYING 9/12/2010 98
  99. SIXTEEN PHASE SHIFT KEYING (16-PSK) • DẠNG MÃ 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 99
  100. 16-PSK GENERATION: OUTPUT PHASES 9/12/2010 100