MAQUETTE MODULATEUR- DEMODULATEUR BPSK et...
-
Upload
vuongthuan -
Category
Documents
-
view
234 -
download
1
Transcript of MAQUETTE MODULATEUR- DEMODULATEUR BPSK et...
SYNOPTIQUE D’UN EMETTEUR D’UNSYSTEME DE COMMUNICATION
capteur
amplificateur filtre anti-repliement
échantillonneur-bloqueur
CANquantification linéaireou non linéaire (loi A,µ, … )
codage de source
codage devoie +
bits de contrôle
modulationnumérique
porteuse
Synthétiseur
ampli. HF
Modem recommandation V.22 : 1200 à 600bits/s : modulation de phase différentielle à 4 états
recommandation V.22 bis : 2.4 kbits/s à 1.2 kbits/s : modulation QAM à 16 états
recommandation V.23 : 1200 à 600 bits/s modulation de fréquence
recommandation V.32 : 4.8 et 9.6 kbits/s modulation QAM à 16 états
Quelques exemples d’utilisation des modulations numériques
Téléphonie cellulaire et sans fil- GSM modulation de fréquence à phase continue : 0.3 GMSK
- IS54 modulation de phase : π/4-DQPSK
- DECT modulation de fréquence : 0.5 GFSKTélévision numérique - DVB-C : câble, 16 à 64 QAM
- DVB-S : satellite, π/4-DQPSK
Radio et télévision - RDS (Radio Data System) : modulation numérique d’amplitude
- DAB (Digital Audio Broadcasting) : modulation à huit états de phase (codage MUSICAM)
- NICAM (Near Instantaneous Compression of the Audio Modulation) : son stéréophonique en SECAM,modulation de phase à quatre états avec codage différentiel
porteuse
Modulateurnumérique
RFmodulant
Bluetooth system : système sans fil pour communications courtes distances (0.5 GFSK)
LES PRINCIPALES MODULATIONSNUMERIQUES DE BASE
‘1’‘0’
signal modulant
ASK (Amplitude Shift Keying)
PSK (Phase Shift Keying)BPSK (Binary Phase Shift Keying)
FSK (Frequency Shift Keying)CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying)
Le modulateur I(In Phase)/Q(Quadrature) est utilisé dans toutes lesmodulations du type QAM, QPSK, π/4-DQPSK, GMSK, …
Préambule : modulateur I/Q
Constitution :
Intérêt : Il permet de transmettre deux informations (I et Q) avec une seule porteuseet une bande passante B. B est la bande passante nécessaire pour transmettre I ou Q.
++
porteuse Acos(ωt)
déphaseur deπ/2
I
Q
modulants signal RF = A[I cos(ωt) + Q sin(ω t)]
signal RF = A(I2+Q2)1/2 cos(ωt - φ)
module phaseavec : tgφ = Q/I
- deux multiplieurs- une porteuse et un déphaseur de π/2
- un sommateur
Exemple de constellations d’états 16 QAM
......
3 31011
1-30010
-1 30111
-3 31111
-3-11100
-1-10100
3-11000
1-10000
Q IX4X3X2X1
CNA
CNA
X1
X2
X3
X4
π/2
I
Q
RF
porteuse
X1
X2
X3
X4
Quadribit4T
T
‘1’‘0’
symboles I
0000
0001
0010
0011
1101
0100
1110
Q
A(I2+Q2)1/2
φ
π/2
I
Q
RF
porteuse
DUT π/2
I
Q
Modulateur Démodulateur
Q
I
référence
mesuré
Phase Error
Error Vector Magnitude
Magnitude Error
Error Vector
Générateur demodulation
DUT
Analyseur EVM
- Agilent- Anritsu- Rohde et Schwarz
- Comprendre la modulation BPSK- Observer les interférences entre les symboles- Observer un diagramme de l’œ il - Elimination des interférences entre symboles par filtres de Nyquist- Comprendre la modulation QPSK
- génération des symboles - modulateur I/Q- importance de la position de l’impulsion d’échantillonnage
en réception - Inconvénient de la QPSK : nécessité des modulations π/4-DQPSK etGMSK- Se familiariser avec le vocabulaire afférant au domaine destransmissions numériques
Objectifs
récepteurémetteur àmodulation
de phase
porteuse fp
T
signal NRZ
Les récupérations de la porteuse et du rythme ne sont pas abordéesdans la maquette
transmissionde la porteuse
transmission du rythme
signal RF
Synoptique du modulateur de phase à deuxBPSK et quatre états QPSK
H1 = 2000Hz
OUT PA(signal modulant)Synchro. PA
Générateur
pseudo-
aléatoire
BPSK
AK
BK
QPSK
logique
séquentielle
CNA1 bit
CNA1 bit
I
Q
K3
K2
Filtrepasse-bas
500Hz
Filtrepasse-bas500Hz
Diviseurpar 2
H/2(synchro.symbole)
Générateurde bruit
sortie RFmodulateur
I/Q
++
1) un générateur pseudo-aléatoire simulant une séquence NRZ
2) un générateur de symboles3) deux convertisseurs numérique-analogique suivis de filtres
5) un modulateur I/Q6) un générateur de bruit
4) deux filtres en bande de base
Elimination des interférences symboles par filtre deNyquist (cosinus surélevé)
starter kit TMS320C31filtre en cosinus surélevé
Filtrepasse-bas
125Hzsortie F1
monostable100µs
vers DSPmonostable≈25µ s
Diagrammes de l’œ il et interférences entre
symboles (IES)
sortie filtrée
H2 = 253 Hz(DSP)
H1 = 2000Hz(générateur ext.)
K1
OUT PA(signal modulant)Synchro. PA
Générateur
pseudo-
aléatoire
BPSK
AK
BK
QPSK
logique
séquentielle
CNA1 bit
CNA1 bit
I
Q
K3
K2
Filtrepasse-bas
500Hz
Filtrepasse-bas500Hz
sortie RF
modulateur
I/Q
Diviseurpar 2
H/2(synchro.symbole)
PC : Matlab + C
Densité spectrale de puissance du signaldélivré par le générateur pseudo-aléatoire
(horloge = H1= 2 kHz)
Le calcul théorique de ladensité spectrale depuissance prévoit unspectre continu avec deszéros aux multiples de 2kHz.
NB : en toute rigueur lespectre est constitué deraies car le signal estpseudo-aléatoire.
2000 4000 6000
fréquence (Hz)8000 10000 120000
Le générateur de symbolesfournit deux symboleslogiques AK et BK de durée2T. Les symboles AK et BKprennent respectivement lesvaleurs du premier etdeuxième bit du dibit de durée2T. Un dibit est une suite dedeux bits.
2T (dibit)
t
Sortie du générateurpseudo-aléatoire
Symbole A K
Symbole BKt
t
‘1’
‘1’
Principe du générateur de symboles
Exemple d’un changement de phase de π enl’absence de filtrage en bande de base
(AK=’0’ AK=’1’ et BK=’1’ BK=’0’)
AK
BK sortie RF
zoom
Exemple d’un changement de phase de π enprésence du filtrage en bande de base
(AK=’1’ AK=’0’ et BK=’0’ BK=’1’)
AKBK
sortie RF
NB : le filtrage en bande de base fait passer le signal RFpar zéro
Signal RF en sortie de l’émetteur (modulation QPSK).(En présence du filtrage en bande de base, les passages parzéro du signal RF rendent la récupération de la porteusedifficile en réception, d’où la modulation π/4DQPSK.)
0 0.005 0.01 0.015 0.02-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
temps (seconde)
ampl
itude
sig
nal R
F
Amplitude du signal RFen l’absence de filtrage
Amplitude du signal RFen présence du filtrageen bande de base
Comparaison des spectres RF en QPSK avantet après filtrage en bande de base
50 kHz
2 kHz 2 kHz
50 kHz
spectre RF avant filtrageen bande de base
spectre RF aprèsfiltrage en bande debase
Le récepteur permet de récupérer le signalnumérique. Les principaux sous-ensembles durécepteur sont :
1- un démodulateur I/Q pour récupérer les signauxI et Q
2- un échantillonnage des signaux I et Q suivid’une comparaison pour récupérer les symbolesAK et BK
3- une logique séquentielle pour reconstruire lesignal logique NRZ de modulation à partir deAK et BK
Entrée RF
déphaseur deπ/2 à 50 kHz
Filtre passe-bas
I
Q
démodulateur I/Q
Entrée porteuse50kHz
(provient de larécupération de laporteuse par PLL)
Echantillonneur-bloqueur
Comparateurlogique
AKGR
Echantillonneur-bloqueur
Comparateur
logique
B KGR
vers logique séquentielle
A K
B K
échantillonnage et comparaison
logiqueséquentielle
(reconstruction du
signal modulant)
OUT data(récupération du signal modulant)
AK
BK
récupération du modulant
récupération
H/2 synchro. symbole
(provient de la du rythme)
monostable(position de l’impul. de
récupération)
monostable(largeur impul.récupération)
impulsionacquisition
Synoptique général du récepteur
Condition d’observation des diagrammes de l’oeil
Entrée porteuse50kHz
(provient de larécupération de laporteuse par PLL)
Entrée RF
déphaseur deπ/2 à 50 kHz
Filtre passe-bas
I
Q
démodulateur I/Q
récupération
H/2 synchro. symbole
(provient de la du rythme)
Oscilloscope
X trigger
synchro. externe
Exemple 1 : impulsion d’acquisition etdiagramme de l’oeil
Impulsion d’acquisition
Diagramme de l’œ il du signal Ien réception
NB : Le générateur de bruit n’est pas actif. L’impulsiond’acquisition est bien positionnée ; les données sontcorrectement récupérées.
Exemple 1 : comparaison des données en émission etréception
Synchro. PA (émission)
OUT PA (émission)
OUT data (réception)
Signal I (sortie filtreréception)
Les données sont correctement récupérées
Exemple 2 : impulsion d’acquisition etdiagramme de l’oeil
Horloge H/2
Impulsion d’acquisition
Diagramme de l’œ il du
signal I en réception
NB : Le générateur de bruit est actif. L’impulsiond’acquisition est mal positionnée ; les données ne sont pascorrectement récupérées.
Exemple 2 : comparaison des données en émission etréception
Synchro. PA (émission)
OUT PA (émission)
OUT data (réception)
Signal I (sortie filtreréception)
Les données ne sont pas correctement récupérées
Exemple 3 : impulsion d’acquisition etdiagramme de l’oeil
Horloge H/2
Impulsion d’acquisition
Diagramme de l’œ il du
signal I en réception
NB : Le générateur de bruit est actif. L’impulsion d’acquisitionest bien positionnée ; les données sont correctement récupérées.
Exemple 3 : comparaison des données en émission etréception
Synchro. PA (émission)
OUT PA (émission)
OUT data (réception)
Signal I (sortie filtreréception)
Les données sont correctement récupérées
Oscilloscope
X
Y
Entrée porteuse50kHz
(provient de larécupération de laporteuse par PLL)
Entrée RF
déphaseur deπ/2 à 50 kHz
Filtre passe-bas
I
Q
démodulateur I/Q
Echantillonneur-bloqueur
AKGR
Echantillonneur-bloqueur
B KGR
échantillonnage et comparaison
impulsion d’échantillonnage
Condition d’observation des constellations d’états enréception
Exemples de constellation en réception
Le générateur de bruit et lefiltrage en bande de basesont supprimés.
Le générateur de bruit estsupprimé, le filtrage enbande de base est actif.
Le générateur de bruit estactif (position médium), lefiltrage en bande de base estsupprimé.
Le générateur de bruit estactif (position maximum), lefiltrage en bande de base estsupprimé.
Elimination de l’interférence entre les symboles (IES)
par utilisation de filtres en cosinussurélevé
Elimination des interférences symboles par filtre deNyquist (cosinus surélevé)
starter kit TMS320C31filtre en cosinus surélevé
Filtrepasse-bas
125Hzsortie filtre analogique
monostable100µs
vers DSPmonostable≈25µ s sortie filtre num.
H2 = 253 Hz(DSP)
OUT PA(signal modulant)
Synchro. PA
Générateur
pseudo-
aléatoire
BPSKCNA1 bit
PC : Matlab +assembleur + C
A
B
Réponse impulsionnelle dufiltre FIR en cosinus surélevé
A
B
T
Comparaison des diagrammes de l’œ il avec filtresanalogique et numérique en cosinus surélevé
horloge H/2diagramme de l’œ ilavec filtre analogique,sortie F1
diagramme de l’œ ilavec filtre numériqueen cosinus surélevé,sortie du Starter kit
roll off = 0.8 roll off = 0.6 roll off = 0.4
NB : Le filtre en cosinus surélevé élimine l’IES (Interférence Entreles Symboles). Le diagramme de l’œ il se ferme horizontalementquand le facteur de roll off diminue ; le récepteur devient sensibleà la position de l’impulsion d’acquisition.
AK=1, BK=1
AK=0, BK=0
AK=0, BK=1
AK=1, BK=0
Les changements d’étatsmarqués d’une doubleflèche conduisent à unesuppression de la porteuse
AK=1, BK=1
AK=0, BK=0
AK=0, BK=1
AK=1, BK=0
Les changements d’étatsmarqués d’une doubleflèche conduisent à uneatténuation de la porteused’un facteur 0.7
Expérience sans filtrage en bande de base
I
Q
Signal RF
I
Q
1
1
2 23
3
Si le filtre en bande de base est supprimé, l’amplitude du signal RF reste constante.
Le passage par zéro interdit pratiquement l’emploi d’amplificateurclasse C à rendement élevé. En effet, un amplificateur classe C introduitun effet de seuil ; il s’ensuit que la porteuse est supprimée pendant unintervalle de temps non négligeable.
Vs
Ve
ampli. linéaire (faible rendement)
Ve
Vs
ampli. classe C (rendement élevé)
La suppression de la porteuse en émission complique la récupérationde la porteuse en réception : il faut interdire les changements dephase de π.
Modulation π/4-DQPSK : on ne transmet pas les étatsde phase mais les différences des états de phase car larécupération de la porteuse est à π près avec une bouclede Costas. C’est la modulation de la norme IS54.
Constellation d’états de lamodulation π/4-DQPSK
Q
I1
1
-1
-1
I
Q
Constellation d’états de lamodulation QPSK
Modulation de fréquence à phase continue (CPFSK)avec filtrage Gaussien (0.3 GMSK) et codagedifférentiel. Il s’agit d’une modulation à amplitudeconstante. C’est la modulation de la norme GSM. Ellenécessite une largeur de bande plus grande que lamodulation π/4-DQPSK.
Q
I
ModulateurI/Q
Filtre
Filtre
Générationdes signaux I
et Q
signal àtransmettre
Filtrage en modulation π/4-DQPSKTbit
RF
signal àtransmettre Filtre
B-3dB
Générationdes signaux I
et Q
ModulateurI/Q
Filtrage en modulation 0.3 GMSK
Tbit
RF
TbitB-3dB=0.3
GSM 900
0.3 GMSK(1bit/
symbol)
DCS 1800
RPE-LTP13kbits/s
270.833kbits/s(1bit/symbol)
NADC
VSELP8kbits/s
48.6kbits/s(2bits/symbol)
π/4 DQPSK(2bits/
symbol)
systèmes
codeur sourcedébit de sortie
débit entrée
modulateur
modulation
42kbits/s(2bits/
symbol)
PDC
VSELP8kbits/s
π/4 DQPSK(2bits/
symbol)espacement
entrecanaux
200 kHz 30 kHz 50 kHz
GSM : Global System for Mobile CommunicationDCS : Digital Communication SystemNADC : North American Digital Cellular SystemPDC : Pacific Digital Cellular System
Glossaire
RLC : Run Length CodingVLC : Variable Length CodingADPCM : Adaptive Differential Pulse Code ModulationRPE-LTP : Regular Pulse Excitation-Long Term PredictionVSELP : Vector Sum Excited Linear Preditive coderConvolutional coding : décodage par algorithme de ViterbiCRC : Cyclic Redundancy CheckJPEG : Joint Photographic Experts GroupDCT : Direct Cosine TransformMPEG : Moving Picture Expert Group
TDMA : Time Division Multiple AccessFDMA : Frequency Division Multiple AccessCDMA : Code Division Multiple Access
EVM : Error Vector Magnitude, il permet de mesurer les erreurs introduites dans unsystème numérique BER : Bit Error rate, il est fonction du rapport signal/bruit, ex : 1 bit erroné sur 1000pour un rapport S/B=10dB, le ber est d’autant plus faible que S/B est grandBANDWIDTH EFFICIENCY : Efficacité Spectrale, c’est le débit binaire (bit/s)pouvant être transmis par Hertz de bande passante, l’unité d’efficacité spectrales’exprime en bits-1Hz-1 (bpsHz-1: bit per second Hz-1)
QAM : Quadrature Amplitude modulationBPSK : Binary Phase Shift keyingQPSK : Quadrature Phase Shift KeyingGMSK : Gaussian Minimum Shift KeyingCPFSK : Continuous Phase Frequency Shift Keyingπ/4-DQPSK : π/4-Differential Quadrature Phase Shift Keying
Références• Communications numériques, introduction, A. Glavieux et M. Joindot, Masson,
1996.
• Techniques de compression des signaux, N. Moreau, Masson, 1995.
� Α π/4 shift D-QPSK baseband modem using the TMS320C50 DSP, J. W.Webber, N. Dahnoun, University of Bristol, Proceedings of the first Europeanworkshop on DSP, Texas Instruments, 1997.
• Modulation numérique en radiocommunications, P. Hatzold, Actualités Rhode& Schwarz, n°150-156 (96-97).
• Digital modulation in communications systems - an introduction, Applicationnote 1298, Hewlett Packard, 1997.
• La télévision numérique, H. Benoit, Dunod, 1996.
• Telecommunications, Applications with the TMS320C5x DSPs, TexasInstruments, 1994.
Le générateur pseudo-aléatoire à (29-1) états estconstitué de 9 bascules D en cascade. Afin de faciliterl’observation des divers signaux, on dispose d’un topde synchronisation du générateur pseudo-aléatoire, sapériode est égale à (29-1) fois la période de l’horlogedu générateur. Le top est réalisé à partir d’une fonctionET réalisée avec les 9 sorties des bascules D.
D Q
Q
CLR
CLK
PRE
D Q
CLK
PRE
D Q
CLK
PRE
D Q
CLK
PRE
D Q
CLK
PRE
D Q
CLK
PRE
D Q
CLK
D Q
CLK
PRE
D Q
Q
CLR
CLK
PRE
D Q
CLK
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
V cc Synchro. PAOUT PA
K 1
H2H1
initialisation
Vcc
OUT PA
CLK CLK CLK CLK CLK CLK CLK CLK
D Q D Q
PRE
Schéma électrique du générateur pseudo-aléatoire
Retour plan
Schéma électrique de la logique séquentiellegénérant les symboles AK et BK
V cc
PRE
D Q
Q
CLR
CLK
PRE
D Q
Q
CLR
CLK
PRE
D Q
Q
CLR
CLK
BK
AK
K 1
PRE
D Q
Q
CLR
CLK
PRE
D Q
Q
CLR
CLK
H/2(synchro. symbole)
retardretard
H2H1
OUT PA
Le générateur de symboles AK etBK est réalisé par une logiqueséquentielle à base de bascules D
Retour plan
Schéma des convertisseurs numérique-analogique1 bit
+-
-15V
+15V
+-
-15V
+15V+-
R
R
R
AK ou B K
CD 4066
-1V
2V
A KG ou B KG
A K AKG
‘0’
‘1’
1 V
-1 V
Retour plan
IV- Modulateur I/Q
+
++
Générateurde bruit
(diodes zéner)
déphaseur deπ/2 à 50 kHz
Entrée porteuse50 kHz
sortie RF
BKG (QK)
+
K4 P1
Le modulateur I/Q travailleà la fréquence de 50 kHz.Les quatre états de phasesont reportés dans letableau. Un générateur debruit permet de faire varierle rapport S/B du signal RF.
A K K sortie CANvoie A KG
sortie CANvoie BKG
phase (ref. porteuse)
‘0’ ‘0’ 1V 1V π/4‘0’ ‘1’ 1V -1V − π/4‘1’ ‘0’ -1V 1V 3π/4‘1’ ‘1’ -1V -1V 5π/4
B
Tableau des états de phase
AKG (IK)
Retour plan