پاورپوینت بخش ششم عوارض کانال تداخل نمونه ها،نویز،فیدینگ آنالیز خطا،کدینگ کانال

عوارض کانال(تداخل نمونه ها،نویز،فیدینگ) آنالیز خطا،کدینگ کانال
بخش ششم
Slide 1
Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

Slide 2
معیارهای ارزیابی آسیب شناسی نویز بر سیستمهای آنالوگ و دیجیتال
S/N (قدرت سیگنال به نویز)
Signal-to-Noise Ratio (Analog)
معمولا بر اساس کاربرد و حساسیت گیرنده ها آستانه مجاز SNR تعیین میگردد.
C/N (قدرت کاریر به نویز)
Carrier-to-Noise Ratio (Analog and Digital)
بمنظور اطمینان از انتقال موثر اطلاعات لازم است این شاخص از حساسیت دمدولاتور بالاتر باشد.
BER (میزان نرخ بیتهای دچار خطا)
نویز در سیستم های آنالوگ و دیجیتال

Slide 3
Information to be sent
Modulator
Mixer
Mixer
Transmitter
Receiver
Information received
Demodulator
= Wideband (passband) signal with modulation
= Baseband signal with raw information
IF
IF
RF
RF
بلوک دیاگرام یک سیستم فرستنده و گیرنده آنالوگ

Slide 4
نسبت S/N ، شاخص ارزیابی عملکرد سیستمهای آنالوگ در درجه اول به میزان کیفیت قابل پذیرش اطلاعات باند پایه توسط کاربر پس از بازیابی پیام در خروجی دمدولاتور داشته لیکن بر حسب dB در“خروجی دمدولاتور“ و بر اساس کاربرد و نوع پیام توسط مراجع مهندسی نظیر ITU تعیین میشود.
برای مثال حداقل SNR برای سیگنالهای تلویزیونی آنالوگ 50dB تعیین شده است.
the Signal power is 100,000 > the Noise power
تصویر ارسالی فرستنده
تصویر دریافتی آلوده به نویز
نسبت سیگنال به نویز

5
Perfect channel
White noise
Phase jitter
تاثیر نویز برQAM

Slide 6
Demodulator
User’s Application Device
Output S/N
شاخص C/N، بعنوان پارامتر ارزیابی نویز سیستمهای آنالوگ، و نیز بعنوان یک پارامتر کلیدی طراحی در ورودی دمدولاتورها سنجیده میگردد.
Input C/N
بیان کاربردی نسبت های SNRو CNR
اما شاخص S/N، بعنوان پارامتر ارزیابی نویز سیستمهای آنالوگ، و لیکن بعنوان یک پارامتر حسی، که به میزان رضایت کاربر(User Perceives) تعیین میگردد، در خروجی دمدولاتورها کنترل میشود.

Slide 7
در سیستمهای دیجیتال اثر نویز و سایر عوامل مزاحم، سبب به اشتباه انداختن گیرنده در تشخیص بیت میشود و بطور کل میزان سلامت سیستم مخابراتی را میتوان در انتقال با کمترین اشتباه در مقصد سنجید، بهمین منظور چنانچه بیتهای اشتباه شده را یک دنباله تصور کنیم میزان نرخ این دنباله بنام Bit Error Rate تعریف می گردد.
خواهیم دید که BER بصورت یک توان نمایی که همان احتمال وقوع خطای بیت میباشد بیان میگردد.
برای مثال BER=10-6 به این معنی است که در هر 106 بیت یک بیت دچار خطا می شود.
عوارض کانال انتقال دیجیتال- نرخ بیت های خطا BER

Slide 8
از آنجائیکه بطور مستقیم BER به C/N بستگی دارد میتوان بطور خلاصه عوامل موثر در BER را چنین بیان نمود:
تغییر قدرت کاریر
در دریافت ماهواره ائی یکی از عوامل کاهنده اندازه قدرت کاریر نبود تنظیم دیش میباشد که خود باعث افزایش BER میگردد.
تضعیف سیگنال که میتواند در اثر عواملی نظیر نامناسب بودن اتصالات، وجود رطوبت در کنکتورها و …. نیز یکی از عوامل عمده کاهش C می باشد.
افزایش قدرت نویز
نویزهای سیستم و کانال ارتباطی اعم از“نویز آسمانی، نویز صنعتی و …“
تاخیر مخرب که سبب تداخل سمبلها میشوند.
عوامل تاثیر گذار برنرخ بیت های خطا BER

Slide 9
ظرفیت کانال دیجیتال
حداکثر نرخ بیتی که یک ارسال قابل اعتماد، بدون خطاء بر روی یک کانال مخابراتیAWGN (که تنها عامل مخرب آن نویز سفید باشد)، بنام ظرفیت کانال خوانده می شود.
ظرفیت هر کانال با پهنای باند BW، بر اساس رابطه ائی موسوم به رابطه شانون بقرار زیر تعیین میگردد:

برای مثال بگویید یک خط دو سیمه با پهنای باند موثر و خطی حدود 10MHz، هنگامیکه بتوانیم توسط فرستنده SNR ائی حدود 30dB را تامین کنیم در چنین وضعیتی حد بالای نرخ بیت قابل انتقال ازین کانال چقدر است؟

C = BW log2 (1 + SNR)

Slide 10
در یک سیستم باینری مبتنی بر شکل موج دو قطبی +A و –Aو با تصور اینکه تنها عامل ایجاد کننده خطاء نویز باشد، در دو وضعیت با خطا مواجهه میگردیم:
دامنهA ارسال شده، ولی ولتاژی که در گیرنده احساس شده AT+N<0 میباشد (“1” ارسال شده، ولی “0” دریافت نمودیم).
دامنه -A ارسال شده، ولی ولتاژی که در گیرنده احساس شده (- AT+N>0) میباشد.(“0” ارسال شده، ولی “1” دریافت نمودیم).
AT: آستانه تصمیم گیری گیرنده می باشد.

آنالیز خطاء (1)

Slide 11
چنانچه عامل ایجاد خطاء نویز سفید بوده و از آنجائیکه دامنه نویز
سفید طبق تابع توزیع احتمال گاوسی رخ میدهد میتوان بطور کمی بقرار زیر سنجیده شود:
آنالیز خطاء (2)
متوسط احتمال خطاء یک سیستم ارسال باینری:

Slide 12
آنالیز خطاء (3)
همانطور که میدانیم محاسبه یا بهتر بگوئیم تخمین خطاء منوط به محاسبه تابع انتگرالی Q( ) می باشد، با شرایطی میتوان تقریب خوبی برای این تابع بقرار زیر تعریف نمود:

Slide 13
یک دیتای دیجیتال توسط سیستم باند پایه ائی با دانسیته قدرت نویزی برابر N0=10-7watt/Hz ارسال شده است، چنانچه دامنه پالس دریافتی A=20mV باشد، مطلوبست:
چنانچه نرخ بیت Rb=1 kbps باشد، احتمال خطا چقدر است؟

حال اگر نرخ بیت به Rb=10 kbps افزایش یابد، بمنظور حفظ احتمال خطا در همان مقدار بخش قبل چه مقدار دامنه پالس A نیاز است؟
مثال

Slide 15
گیرنده باند پایه دیجیتال (1)
بلوک دیاگرام یک گیرنده باند پایه دیجیتال

Slide 16
محاسبه احتمال وقوع خطاء:
با توجه به اینکه ولتاژ نویز تابعی گاوسی شکل است احتمال خطا بقرار زیر در دو حالت ممکنه تصمیم گیری اشتباه گیرنده قابل ارائه است:

آنالیز خطاء(1)
بدین ترتیب متوسط احتمال خطاء بقرار زیر خواهد شد:

Slide 17
اکنون از رابطه خطا میتوان تعیین نمود که مینیمم خطاء با انتخاب بهینه آستانه تصمیم گیری قابل تعیین است، این مقدار بقرار زیر قابل تعریف است:

با این مقدار آستانه مقدار نهائی ”متوسط خطاء“ عبارتست از:

آنالیز خطاء(2)
Kopt=0.5[s01(T)+s02(T)]

Slide 18

آستانه بهینه تصمیم گیری:

احتمال خطاء:

مقدار خطاء نسبت به حالت باند پایه 3dB(دوبرابر) بدتر است.
تابع فیلتر ورودی گیرنده اپتیموم:
میزان خطای گیرنده اپتیموم ASK

Slide 19

احتمال خطاء

میزان خطای گیرنده اپتیموم FSK

Slide 20
میزان خطای گیرنده اپتیموم PSK

آستانه بهینه تصمیم گیری: “0”

احتمال خطاء:

تابع فیلتر ورودی گیرنده اپتیموم:

Slide 21
عوارض کانال انتقال دیجیتال- ISI
یکی از مشکلات خاص انتقال دیجیتال، مساله تداخل یک نمونه با نمونه قبل یا بعد از خود می باشد. این پدیده که بنام Inter Symbol Interference شناخته میشود بعنوان یک نتیجه عملکرد غیر خطی تاخیر کانال یا دریافت چند مسیره انتقال تلقی میگردد.

(الف) در این شکل متناظر دنباله نمونه 101101 شکل موجی که بطور واقعی ارسال میشود با خطوط خط چین نمایش داده شده است.
(ب) پس از عبور این سیگنال از کانال دچار اعوجاج فاز یا تاخیر متفاوت در زمانهای متفاوت هر سمبل بتوسط تابع مشخصه کانال کشیده و پخش می گردد.

شکل دهی پالس Pulse Shaping (1)
Slide 22
استفاده از پالس مربعی در مخابرات دیجیتال بطور خلاصه معایبی بقرار زیر دارد:
ایجاد پالس مربعی در حوزه زمان دشوار است؛
پاسخ فرکانسی آن آناً ظاهر شده ولی به کندی کاهش و محو میشود؛
به تداخل نمونه ها ISI حساس می باشند.

Slide 23
شکل دهی پالس Pulse Shaping (2)
به همین دلایل مهندسان بفکر استفاده از شکل موجهایی برای جایگزینی پالسهای مربعی افتادند. یکی از کاندیداها شکل موج Raised Cosine بود.
این نوع م.ج در واقع اصلاح شده پالس سینکی است با عرض w=1/2TS . پالسهای فوق پهنای باند قابل تنظیمی را با احتساب قدرت مناسب ارایه نموده، در این رابطه فاکتوری بنام  مطرح که در واقع نسبت پهنای باند را به پهنای باند ایده آل ارایه میکند:

شکل دهی پالس Pulse Shaping (3)

Slide 25
بررسی تاثیر  در شکل سیگنال

26
PSK or QAM

آنالیز پهنای باند به هنگام استفاده از Raised Cosine
FSK

مثال
Slide 27
ترانسپوندر ماهواره ائی با پهنای باند 36MHz از مدولاسیون QPSK بهره میبرد.بازای استفاده از شکل موج raised cosine با =3 ، چه نرخ داده ائی امکان پذیر است؟
پاسخ:
برای QPSK بدون شکل دهی(پالس مربعی) پهنای باند در حد دو برابر نرخ سمبل است.
RS=1/2(36MHz)=18Msym./sec
اگر پالس سینک ایده آل استفاده شود:
RS=BW=36MSym/sec

اگر پالس با =3 استفاده شود:
BW=RS(1+)
RS=BW/(1+)=27.7MSym/sec

برای QPSK با 2 بیت بر سمبل، ما نرخ دیتائی برابر 27.7×2=55.4Mb/sec که همان در حدود مقدار استاندارد اکثر سیستمهای ماهواره ائی است خواهیم داشت.