Vektor-Signalanalyse

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1 Nachrichtentechnik Labor Vektor-Signalanalyse Gruppe 8:... (Autor) Tong Cha Matr.Nr.:

2 Das Inhaltsverzeichnis ist leer, da keiner der Absatzstile, die in den Informationen Dokument ausgewählt sind, im Dokument verwendet wird. 1. Versuchsziel Ziel des Versuches war es, digitale Modulationsverfahren kennen zu lernen und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Als Sendeeinrichtung (Modulator) dient ein Signalgenerator, implementiert auf einer DSK6713-Karte. Eine weitere DSK6713-Karte simuliert die Übertragungsstrecke. Als Empfänger (Demodulator) dient ein Vektoranalysator (Vector-Analyzer). Mit dem Signalgenerator können verschiedene digitale Modulationsarten eingestellt werden. Der Kanalsimulator ermöglicht die Simulation von Mehrwegeausbreitung und anderen Beeinträchtigungen (z.b. Rauschen, Doppler-Verschiebung) von Kommunikationssignalen. 2. Vorbereitungsaufgaben 2.1 Aufgabe 1 - Bedienungsanleitung Vor der Versuchsdurchführung wurden die entsprechenden Kapitel in der Bedienungsanleitung des Vector-Analyzers, sowie die Bedienungshinweise im Anhang der Versuchsanleitung bearbeitet. 2.2 Aufgabe 2 - Berechnung der Leistung In dieser Aufgabe wurde zum einen die maximal verfügbare Leistung am Ausgang des Signalgenerators und zum anderen die maximal verfügbare Leistung am Eingang des Vektor-Analyzers berechnet. Der errechnete Wert wurde bei der späteren Versuchsdurchführung für die Einstellung des REF_LEVEL am Vector-Analyzer benötigt. 1. maximal verfügbare Leistung am Ausgang des Signalgenerators: 2. maximal verfügbare Leistung am Eingang des Analyzers - 2 -

3 2.3 Aufgabe 3 Berechnung der Bandbreite 1. Bandbreite im Basisband (einseitige BB) 2. Bandbreite im Bandpassbereich (zweiseitige BB) 2.4 Aufgabe 4 - Interpolation In dieser Aufgabe sollte das Spektrum eines PSK-Signals mit einer Bandbreite von 1,5 khz (einseitige BB) skizziert werden. Das Signal wurde von der Abtastfrequenz fs1=24khz auf die Abtastfrequenz fs2=48khz interpoliert und anschließend auf die Trägerfrequenz fc=14khz gemischt

4 Darstellung des Spektrums des mit 24kHz abgetasteten Basisbandsignals mit einer einseitigen Bandbreite B=1,5kHz

5 Durch Einfügen eines Nullwertes nach jedem Abtastwert wird die Abtastfrequenz auf fs2=48khz verdoppelt ohne etwas am eigentlichen Spektrum oder Signal zu verändern.(interpolation) Spektrumsdarstellung nach linearer Interpolation. Die Faltung mit dem Dreiecksignal im Zeitbereich ergibt eine Multiplikation im Frequenzbereich und somit eine Filterung der Komponente bei 24 khz

6 Das Spektrum des linear interpolierten Signals wird in den Bandpassbereich auf die Trägerfrequenz fc=14khz gemischt. Die unterdrückten Anteile treten nun bei 24kHz-14kHz=10kHz sowie bei 24kHz+14kHz=38kHz auf. 3. Versuchsdurchführung 3.1 Aufgabe 5 Inbetriebnahme des Signalgenerators Mit Hilfe des Signalgenerators wurde eine Sinusschwingung mit einer Frequenz f=15khz und einer Amplitude A=1V erzeugt und mit dem Spektrum-Analyzer dargestellt. Dazu mussten im Spektrum-Analyzer folgende Einstellungen vorgenommen werden: Center Frequency=15kHz, REF_LEVEL=10dBm, Span=10kHz Spektrum des Sinus-Signals ohne Rauschen - 6 -

7 Anschließend wurde dem Signal Rauschen hinzugefügt. Dazu wurde am Signalgenerator ein SNR von 10dB eingestellt und das Signal wieder mit dem Spektrum-Analyzer dargestellt Spektrum des Sinus-Signals mit Rauschen (SNR=10dB) - 7 -

8 Zusätzlich wurde am Signalgenerator eine vorgegebene Konfiguration geladen und das erzeugte Signal am Spektrum-Analyzer als Sound ausgegeben. Die Symbolfrequenz wurde variiert. Die Abspielgeschwindigkeit änderte sich proportional zur Symbolfrequenz, da bei höherer Symbolfrequenz auch mehr Symbole pro Sekunde übertragen werden. 3.2 Aufgabe 6 Spektrum BPSK Für diese Aufgabe wurde am Signalgenerator eine BPSK Modulation vom Typ A mit einer Trägerfrequenz von fc=15khz, einer Symbolfrequenz von fs=4khz und einer Amplitude von A=1V erzeugt. Es wurde eine zufällige Symbolfolge gewählt und das Signal mit dem Spektrum-Analyzer dargstellt

9 3.2.1 Spektrum des Signals mit fc=15khz Bei einer zufälligen Symbolfolge hätte man eigentlich eine symmetrische Verteilung des Spektrums mit einer -Charakteristik erwartet. Dies ist jedoch nicht der Fall, das Spektrum weist einen unsymmetrischen Verlauf auf. Diese Asymmetrie ist auf den Signalgenerator zurückzuführen, da dieser mit einer Abtastfrequenz von 24kHz arbeitet, können nur Signale mit einer max. Trägerfrequenz von 12kHz korrekt dargestellt werden. Dieser Wert entspricht der Hälfte der Abtastfrequenz. Stellt man die Trägerfrequenz am Signalgenerator auf fc=12khz ein erhält man im Spektrum-Analyzer eine symmetrische Darstellung Spektrum des Signals mit fc=12khz - 9 -

10 Im nächsten Aufgabenteil wird im Signalgenerator zusätzlich eine Raised-Cosine-Pulsformung mit r=0,5 eingestellt. Dadurch werden die Nebenmaxima in der Spektrumsdarstellung gefiltert und somit der Bandbreitenbedarf für die Übertragung verkleinert

11 3.2.3 Spektrum des RC gefilterten Signals mit fc=12khz Im dritten Aufgabenteil wurde dem RC gefilterten Signal noch Rauschen hinzugefügt. Dazu wird am Signalgenerator ein SNR von 120dB eingestellt. In diesem Fall berechnet der DSP das Signal mit Hilfe linearer Interpolation. Weiterhin wird eine Symbolfrequenz von fs=2khz und eine Trägerfrequenz von fc=14khz eingestellt, also die gleichen Parameter wie in der Vorbereitungsaufgabe

12 3.2.4 Spektrum des interpolierten Signals mit fc=14khz In der Spektrumsdarstellung sind die unterdrückten Anteile die bei der linearen Interpolation entstehen sehr gut zu erkennen. Auch die Bandbreite von B ~ 3kHz stimmt mit dem berechneten Wert aus der Vorbereitungsaufgabe überein. 3.3 Aufgabe 7 Augendiagramm In diesem Aufgabenteil soll das Augendiagramm eines BPSK-Signals dargestellt werden, um die Qualität des Signals, bzw. die Einflüsse von Intersymbolinterferenz und Rauschen zu beurteilen

13 3.3.1 Augendiagramm des Signals ohne Rauschen und ohne Pulsformung Ohne Rauschen oder andere Kanaleinflüsse ist das Auge weit geöffnet, die Symbole liegen ausschließlich auf den zu erwarteten Punkten. Es gibt also keine Abweichungen Augendiagramm des Signals mit Rauschen und ohne Pulsformung

14 In dieser Darstellung wurde im Signalgenerator dem Signal Rauschen hinzugefügt. Die empfangenen Symbole liegen nicht nur auf den zu erwartenden Punkten sonder weisen eine starke Verteilung auf. Das Auge ist fast geschlossen. Die Qualität des empfangnen Signals ist also nicht besonders gut Augendiagramm des Signals ohne Rauschen und mit Pulsformung

15 In dieser Darstellung wurde am Signalgenerator eine Root-Raised-Cosine Pulsformung mit r=0,5 eingestellt. Auch im Vektor-Analyzer wurde als Messfilter ein RRC-Filter eingestellt. Rauschen wurde dem Signal nicht hinzugefügt, daher liegen auch hier die empfangenen Symbole auf den erwarteten Punkten. Im Vergleich zum Augendiagram ohne RRC-Filterung sind die Flanken des Auges hier flacher Augendiagramm des Signals mit Rauschen und mit Pulsformung

16 In dieser Darstellung wurde die RRC-Filterung bei Sender und Empfänger beibehalten. Diesesmal wurde dem Signal jedoch Rauschen hinzugefügt. Auch hier weisen die empfangenen Symbole eine Verteilung um die zu erwartenden Punkte auf, jedoch sind die Abweichungen nicht so stark wie in der Darstellung ohne RRC-Filterung. Das Auge ist noch wesentlich weiter geöffnet. Das empfangene Signal wird mit einem Bandpass gefiltert, die Rauschleistung wird dadurch kleiner und somit das SNR größer. 3.4 Aufgabe 8 Symbolfolge und Spektrum

17 In dieser Aufgabe sollte der Einfluss der Symbolfolge auf das Spektrum bei linearen Modulationsarten betrachtet werden. Als Beispiel wurde eine QPSK-Modulation gewählt periodische Symbolfolge ( ) Bei einer periodischen Symbolfolge liegt ein mittelwertfreies Signal vor, daher ist auch das Hauptmaximum auf der Trägerfrequenz nicht so deutlich ausgeprägt wie bei einer zufälligen Symbolfolge. Das Spektrum ist diskret zufällige Symbolfolge Bei einer zufälligen Symbolfolge weist das Spektrum eine -Charakteristik auf. Die Hauptmaximum liegt auf der Trägerfrequenz des modulierten Signals

18 3.4.3 Symbolfolge Betrachtet man die Symbolfolge im Konstellationsdiagramm als rotierenden Zeiger, so bewegt man sich in mathematisch positiver Richtung. Das Hauptmaximum ist somit nach rechts, also in höhere Frequenzbereiche verschoben. Der Abstand zwischen Hauptmaximum und Trägerfrequenz lässt sich mit Hilfe der Symbolfrequenz und der Anzahl der übertragenen Symbole berechnen. (fs/3 = 2kHz/3 = 667Hz) Symbolfolge Hier liegt der gleiche Fall wie in vor, es werden jedoch 4 Symbole übertragen. Da man sich in mathematisch positiver Richtung bewegt ist das Hauptmaximum wieder nach rechts verschoben. Der Abstand zur Trägerfrequenz beträgt in diesem Fall: (fs/4 = 2kHz/4 = 500Hz) Symbolfolge In diesem Beispiel bewegt man sich im Konstellationsdiagramm in mathematisch negativer Richtung. Das Hauptmaximum ist somit nach links, also in niedrigere Frequenzbereiche verschoben. Der Abstand der Trägerfrequenz beträgt wiederum 500Hz, da auch hier 4 Symbole übertragen werden. 3.5 Aufgabe 9 Konstellationsdiagramm QPSK

19 In diesem Aufgabenteil wurden die Auswirkungen von Veränderungen an der Trägerfrequenz und der Symbolfrequenz eines QPSK-modulierten Signals im Konstellationsdiagramm betrachtet. Weiterhin wurde auch die Auswirkung von hinzugefügtem Rauschen im Konstellationsdiagramm untersucht. Zur Durchführung wurde im Vektor-Analyzer eine vorgegeben Konfigurationsdatei zur Demodulation geladen. Im Signalgenerator wurde ein QPSK-moduliertes Signal mit fc=12khz und fs=2khz erzeugt zufällige Symbolfolge Bei einer zufälligen Symbolfolge treten alle Zustände des modulierten Signals mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf, was im Konstellationsdiagramm sehr gut ersichtlich ist Symbolfolge für eine nicht rotationssymmetrische Figur ( 8 )

20 Bei der Darstellung der nicht rotationssymmetrischen Figur im Konstellationsdiagramm, war in regelmäßigen Abständen ein Springen der Figur zu erkennen. Dieses Springen wird dadurch verursacht, dass die eingestellte Trägerfrequenz von Signalgenerator und Vektor-Analyzer nicht exakt übereinstimmen. Selbst eine Abweichung im mhz-bereich führt zu einer Verschiebung der empfangenen Symbole. Die Abweichung beträgt im oben dargestellten Fall -107,77mHz, dieser Wert kann aus der Error Summary Tabelle des Analyzers abgelesen werden. Innerhalb bestimmter Entscheidungsgrenzen werden die übertragenen Symbole vom Demodulator noch richtig zugeordnet. Da sich die Abweichungen jedoch fortsetzen, werden die Entscheidungsgrenzen überschritten und der Demodulator ordnet die empfangenen Symbole falsch zu Veränderung der Trägerfrequenz am Signalgenerator

21 In diesem Aufgabenteil wurde die Trägerfrequenz des modulierten Signals am Signalgenerator in logarithmischen Schritten von f=±10hz =±500Hz variiert. Die Einstellungen am Vektor-Analyzer wurden beibehalten. Bis zu einer bestimmten Grenze (ca. ±200Hz) war der Demodulator in der Lage die Abweichung der Trägerfrequenz zu kompensieren und stellte die übertragenen Symbole noch richtig dar. Bei der obigen Darstellung wurde eine Änderung der Trägerfrequenz um 500Hz vorgenommen. In diesem Fall war der Demodulator nicht mehr in der Lage den Frequenzfehler zu erkennen und die übertragenen Symbole wurden falsch demoduliert Veränderung der Symbolfrequenz am Signalgenerator

22 Nach der Variation der Trägerfrequenz wurde nun die Symbolfrequenz des modulierten Signals am Signalgenerator in logarithmischen Schritten von f=±1hz =±50Hz variiert. Die Einstellungen am Vektor-Analyzer wurden wieder beibehalten. Im Vergleich zur Änderung der Trägerfrequenz war der Demodulator schon bei Veränderungen der Symbolfrequenz um wenige Hz nicht mehr in der Lage die empfangenen Symbole korrekt zu demodulieren. Die im Konstellationsdiagramm dargestellten, demodulierten Symbole wichen sehr stark von den erwarteten Werten ab Hinzufügen einer Symbolfolge als SYNC

23 Im Signalgenerator wurde einer vorgegebenen Symbolfolge eine weitere Symbolfolge als SYNC vorgestellt. ( ). Am Vektor-Analyzer wird diese Symbolfolge als SYNC PATTERN geladen. Der Demodulator wird damit auf diese SYNC-Folge getriggert. Die Trägerfrequenz und die Symbolfrequenz wurden für diesen Aufgabenteil wieder auf ihre Normwerte eingestellt. Durch die SYNC-Folge entsteht nun ein stehendes Bild, das Springen des Konstellationsdiagramms bleibt aus, da der Demodulator auf diesen SYNC getriggert ist und damit keine Fehler durch die Abweichung der Trägerfrequenz entstehen. Anschließend wird dem Signal Rauschen mit einem SNR=-10dB hinzugefügt

24 Wie im Konstellationsdiagramm sehr gut zu erkennen ist hat das hinzugefügte Rauschen einen sehr großen Einfluss auf die Demodulation der empfangenen Symbole. Auch aus der Error Summary Tabelle des Analyzers kann man die Fehler auslesen (rot markiert). 3.6 Aufgabe QAM

25 Für diesen Aufgabenteil wurde im Signalgenerator eine Konfigurationsdatei geladen die eine voreingestellte Bitfolge enthält und ein 16-QAM-moduliertes Signal erzeugt. Im Vektor Analyzer wurde ebenfalls die entsprechende Konfiguration geladen Spektrum zufällige Symbolfolge Die Bandbreite des 16-QAM-modulierten Signals beträgt 3kHz wie auch bei einem QPSK-modulierten Signal. Da bei einer Quadratur-Amplituden-Modulation neben der Phase auch der Wert der Amplitude geändert wird können 16 unterschiedliche Symbole übertragen werden. Wohingegen bei einem QPSK-modulierten Signal bei gleichem Bandbreitenbedarf nur 4 unterschiedliche Symbole übertragen werden können. Die 16-QAM ist also auf den Bandbreitenbedarf bezogen wesentlich effizienter Konstellationsdiagramm zufällige Symbolfolge

26 Bei einer zufälligen Symbolfolge treten alle Symbole mit derselben Wahrscheinlichkeit auf Konstellationsdiagramm vorgegebene Symbolfolge

27 Bei der vorgegebenen Symbolfolge entsteht eine nicht rotationssymmetrische Figur im Konstellationsdiagramm. Auch hier ist wieder das Springen der Figur zu erkennen. Es werden insgesamt 68 bit im Bitstrom übertragen. Bei 4Bit/Symbol lässt sich die Anzahl der gesendeten Symbole pro Periode wie folgt berechnen: Konstellationsdiagramm vorgegebene Symbolfolge mit SYNC

28 Nun wurde der vorgegebenen Symbolfolge wieder eine SYNC-Folge vorgestellt. Im Vektor-Analyzer musste dazu ein SYNC-Offset eingestellt werden, damit die SYNC-Folge nicht im Konstellationsdiagramm dargestellt wird. Die erhaltene Darstellung wurde in das, in der Versuchsanleitung beigelegte, Konstellationsdiagramm eingetragen. 3.7 Aufgabe 12 Inbetriebnahme des Kanalsimulators

29 Für diese Aufgabe wurde am Signalgenerator ein unmodulierter Träger mit fc=15khz erzeugt. Im Kanalsimulator wurde das Modell für den idealen Kanal gewählt und die Center Frequency ebenfalls auf fc=15khz eingestellt. Anschießend wird im Kanalsimulator eine Doppler Frequency von 2kHz eingestellt. Beide Spektren werden mit dem Spektrum-Analyzer dargestellt Spektrum mit und ohne Dopplerfrequenz bei idealem Kanalmodell Hier ist der Einfluss der Dopplerfrequenz sehr gut zu erkennen. Das Hauptmaximum wird gegenüber dem Spektrum ohne Kanaleinflüsse um die Dopplerfrequenz nach rechts verschoben. In der Spektrumdarstellung des Kanalsimulators sind bei idealem Kanalmodell keine Einflüsse auf das Spektrum ersichtlich. 3.8 Aufgabe 13 Kanaleinflüsse QPSK

30 Am Signalgenerator wurde ein QPSK-moduliertes Signal mit zufälliger Symbolfolge und folgenden Parametern erzeugt: fc=12khz, fs=4khz und RRC-Filter mit r=0,5. Auch im Kanalsimulator wurde die Center Frequency auf 12kHz angepasst und das RRC-Filter zugeschaltet Spektrum des QPSK-modulierten Signals mit idealem Kanalmodell und Dopplershift=1kHz Auch hier ist der Einfluss des Dopplershifts von 1kHz wieder sehr gut zu erkennen, da das Hauptmaximum des Spektrums um 1kHz nach rechts verschoben ist Konstellationsdiagramm QPSK-moduliertes Signal, ideales Kanalmodell, Dopplershift=1kHz

31 Eine korrekte Demodulation der empfangenen Symbole ist nicht mehr möglich da die Trägerfrequenz des gesendeten Signals durch den Dopplershift um 1kHz verschoben ist, der Vektor-Analyzer kann diese Verschiebung nicht korrigieren und demoduliert falsch. Nun wurde der Dopplershift von 1kHz kompensiert indem am Vektor-Analyzer die Trägerfrequenz auf 13kHz angepasst wurde

32 3.8.3 Spektrum mit angepasster Trägerfrequenz am Vektor-Analyzer Durch die Korrektur der Trägerfrequenz am Vektor-Analyzer wird das Hauptmaximum des Spektrums wieder richtig dargestellt. Die Verschiebung durch den Dopplershift wurde also kompensiert Konstellationsdiagramm mit angepasster Trägerfrequenz am Vektor-Analyzer

33 Auch bei der Demodulation der empfangenen Symbole macht sich die Korrektur der Trägerfrequnz bemerkbar. Der Demodulator arbeitet wieder korrekt und gibt die richtigen Symbole aus Spektrum mit CCIR-POOR Kanalmodell

34 Der Dopplershift von 1kHz wurde wieder ausgeschaltet und das Kanalmodell CCIR-POOR ausgewählt. Das Kanalmodell CCIR-POOR bewirkt eine frequenzselektive Dämpfung, die zeit- und auch frequenzabhängig ist. Es entstehen dadurch konstruktive und destruktive Überlagerungen des Signals, so dass der Empfänger wiederholt entzerren muss. 3.9 Aufgabe 14 Konstellationsdiagramm mit Kanaleinfluss

35 Am Signalgenerator wurde eine Konfigurationsdatei geladen, die eine QPSK moduliertes Signal mit vorgegebener Symbolfolge sowie einem vorgestellten SYNC enthält. Am Vektor-Analyzer wurde ebenfalls die entsprechende Konfigurationsdatei geladen. Anschließend wurde am Kanalsimulator zuerst ein ideales Kanalmodell und anschließend das CCIR-POOR Kanalmodell ausgewählt Konstellationsdiagramm bei idealem Kanalmodell Beim idealen Kanalmodell wurden die empfangenen Signale, wie zu erwarten, fehlerfrei demoduliert und ausgegeben Konstellationsdiagramm bei CCIR-POOR Kanalmodell

36 Beim CCIR_POOR Kanalmodell ist deutlich zu erkennen, dass eine fehlerfreie Demodulation nicht mehr möglich ist. Die demodulierten Symbole sind sehr weit um die zu erwarteten Werte gestreut. Die Fehlerrate ist sehr hoch, was auch wiederum in der Error Summary Tabelle abgelesen werden können