استاد راهنما: آقای دکتر نجفی اقدم RF(1)میکرو الکترونیک استاد راهنما: آقای دکتر نجفی اقدم ارائه: عالیه رحمانی دانشکده مهندسی برق بهار 95

فصل سوم: مفاهیم مخابراتی 3-1 استاندارد های بی سیم 3-2 GSM 3-3 IS-95 CDMA 3-4 CDMA پهن باند 3-5 بلوتوث 3-6 IEEE802.11 a/b/g 3-7 ضمیمه 1:کلید زنی جابه جایی فاز تفاضلی

استانداردهای بی سیم: مشخصه های عمومی 1- کانال بندی و باندهای فرکانسی: هر استاندارد، ارتباط را در باند فرکانسی مشخصی انجام می دهد. 2- نرخ (های) داده: استاندارد، نرخ (های) دادهای را که باید مورد استفاده قرار بگیرد تعیین می کند. 3- روش دو طرفه سازی آنتن: بیشتر سیستم های تلفن سلولی از FDD استفاده می کنند و دیگر استانداردها از TDD استفاده می کنند. 4- نوع مدولاسیون: هر استاندارد نوع مدولاسیون را تعریف می کند.

استانداردهای بی سیم: مشخصه های عمومی 5- توان خروجی TX: استاندارد، سطوح توانی که زنجیره فرستنده باید تولید کند را تعیین می کند. 6- شابلون طیفی و اندازه بردار خطای فرستنده: سیگنالی که توسط زنجیره فرستنده ارسال می شود باید افزون بر سطح توان چند مشخصه دیگر را نیز برآورده سازد. مانند: EVM و شابلون طیفی 7- حساسیت زنجیر گیرنده: استاندارد حساسیت قابل قبول گیرنده را تعیین می کند که معمولا بر حسب بیشینه نرخ خطای بیت، BERmax، انجام می شود. 8- محدوده سطح ورودی زنجیره گیرنده: استاندارد محدوده سیگنال مطلوب را که گیرنده باید با نویز یا اعوجاج قابل قبول تأمین کند، تعیین می نماید.

استانداردهای بی سیم: مشخصه های عمومی 9- میزان تحمل زنجیره گیرنده نسبت به سد کننده ها: استاندارد بزرگترین تداخل گری را که زنجیره گیرنده باید هنگام دریافت سیگنال مطلوب کوچک تحمل کند، تعیین می نماید. بسیاری از استانداردها آزمایش اینترمدولاسیون را نیز در نظر می گیرند.

GSM: واسط هوایی و مثال راه حل استاندارد GSM یک سیستم TDMA/FDD با مدولاسیون GMSK است که در باندهای مختلفی عمل می کند که به آنها GSM900، GSM1800، GSM19000 اطلاق می شود. مثال: استاندارد GSM حساسیت گیرنده را -102 dBm تعیین کرده است. آشکار سازی GMSK با نرخ خطای بیت قابل قبول (10-3)، مستلزم SNR تقریبا 9dB است. حداکثر عدد نویز مجاز زنجیره گیرنده چقدر است؟ راه حل

GSM: مشخصات انسداد GSM GSM مشخصات انسداد را برای گیرنده نیز تعیین میکند. با سطوح سد کننده های نشان داده شده در شکل فوق، گیرنده باید هم چنان BER لازم را تأمین کند.

مثالی از آزمون های انسدادGSM برای ارضای آزمون های انسداد فوق، P1dB گیرنده چگونه انتخاب می شود؟ راه حل: فرض کنید گیرنده از یک فیلتر جلودار استفاده می کند و در نتیجه اگر سد کننده خارج از باند GSM اعمال شود، تضعیف کافی را ایجاد می کند. بنابراین، بزرگترین سد کننده برابر با -23 dBm (در فاصله 3MHZ یا بعد از آن) خواهد بود که P1dB تقریبا برابر با -15 dBm را جهت جلوگیری از فشردگی می طلبد. اگر فیلتر جلودار، سد کننده خارج از باند را به اندازه کافی تضعیف نکند،P1dB بالاتری نیاز خواهد بود.

مشخصات انسدادGSM : استثنائات پاسخ مؤلفه های نا خواسته GSM گروهی از «استثنائات پاسخ مؤلفه های ناخواسته» را در نظر می گیرد،سطح سد کننده در6 فرکانس داخل باند و 24فرکانس در خارج باند از مقادیر تعیین شده به dbm 43- کاهش میابد. این استثنائات مشخصات فشردگی و نویز فاز را تسهیل نمی کنند.

GSM: مشخصات اینتر مدولاسیون با فرض کانال مطلوب به اندازه 3dB بالاتر از سطح حساسیت مرجع. یک تن و یک سیگنال مدوله شده به ترتیب در فواصل 800kHz و 1.6MHz اعمال می شوند. گیرنده حتی اگر سطح دو تداخل گر به بزرگی -49dBm باشد، نیز باید BER موردنظر را ارضاء کند.

مثالی از تست های اینتر مدولاسیون GSM مثالی از تستهای اینترمدولاسیونGSM IP3 مورد نیاز برای گیرنده جهت ارضای آزمون بالا را تخمین بزنید. برایBER قابل قبول، SNR برابر با 9dB موردنیاز است. یعنی، کل نویز موجود در کانال مطلوب باید کمتر از -108dBm باقی بماند. در این آزمون، سیگنال هم به وسیله نویز گیرنده و هم به وسیله اینتر مدولاسیون تخریب می شود. اگر از مثال 10-3 فرض کنیم NF=10dB باشد، آنگاه کل نویز گیرنده در 200kHz برابر با -111dBm می شود. از آنجا که بیشینه نویز قابل تحمل برابر با -108 است، اینترمدولاسیون حداکثر می تواند به اندازه 3dB سیگنال را تخریب کند. به بیان دیگر، مؤلفه اینترمدولاسیون دو تداخل گر باید سطحی برابر با -111dBm داشته باشد تا به همراه نویز گیرنده برابر با -111dBm، مجموعا به تخریبی برابر با -108dBm بینجامد. از فصل 2 می توان نتیجه گرفت: در مسئله 2-3، با شرط آنکه عدد نویز پایین تر از 10dB باشد IIP3 را مجددا محاسبه می کنیم. از این مثال و مثال 11-3 می بینیم که خطسانی گیرنده در GSM اصولا به جای آنکه توسط مشخصات اینترمدولاسیون تعیین شود توسط مشخصات انسداد تک تن تعیین می گردد.

GSM: تداخل کانال مجاور در این آزمون، سیگنال مطلوب 20dB بالاتر از سطح حساسیت است. یک گیرنده GSM باید تداخل گر از کانال مجاور به اندازه 9dB بالاتر از سیگنال مطلوب یا تداخل گر از کانال همسایه به اندازه 41dB بالاتر از سیگنال مطلوب را تحمل کند.

GSM: مشخصات فرستنده یک فرستنده GSM (موبایل) باید توان خروجی دست کم برابر با 2W (+33dBm) در باند 900MHz یا 1W در باند 1.8GHz را ارسال کند. توان خروجی باید در گام های 2dB از +5dBm تا بیشینه سطح توان، قابل تنظیم باشد تا کنترل سطح توان خروجی با نزدیک و دور شدن موبایل از ایستگاه پایه قابل تنظیم باشد. یک مشخصه سخت در GSM مربوط به بیشینه نویزی است که فرستنده می تواند در باند گیرنده ارسال کند. همان طور که در شکل نمایش داده شده است، این سطح نویز باید کمتر از -129dBm/Hz باقی بماند تا یک ایستگاه موبایل در حال ارسال، تداخل ناچیزی با یک ایستگاه موبایل در حال دریافت در فاصله ای نزدیک داشته باشد.

GSM: EDGE برای آنکه نرخ های داده بالاتر در یک کانال 200kHz میسر شود، استاندارد GSM به «نرخ داده های بهبود یافته برای تکامل GSM» (EDGE) تعمیم یافته است. EDGE که به نرخ داده ای برابر با 384kb/s می رسد از مدولاسیون «8 PSK» استفاده می کند، یعنی، مدولاسیون فاز با 8 مقدار فاز که با مقادیر kπ/4, (k=0-7) حاصل می شود. EDGE به عنوان «نسل 2.5» (2.5G) سیستم سلولی در نظر گرفته می شود. نیاز به شکل دهی پالس، تقویت کننده توان غیر خطی و SNR بالا

IS-95 CDMA: واسط هوایی در واحد موبایل، داده باند پایه 9.6kb/s به 1.23MHz گسترش می یابد و پس از آن با استفاده از OQPSK مدوله می شود. در هر دو جهت، IS-95 نیازمند آشکارسازی همدوس است که با ارسال یک «تن پیلوت1» (مثلا، حامل غیر مدوله شده) در آغاز ارسال و دریافت داده جهت همزمان سازی فاز صورت می پذیرد.

IS-95 CDMA: تنوع منابع فرکانس و زمان از آنجا که IS-95 طیف را به 1.23MHz گسترش می دهد، تنوع منابع فرکانسی ایجاد می کند که برای گستره های تأخیر معمول تنها 25% تلفات باند را از خود نشان می دهد. گیرنده چنگالی تنوع زمانی ایجاد می کند.

IS-95 CDMA: توان، نرخ و دست به دست شدن کنترل توان در IS-95، توان خروجی هرکدام از واحدهای موبایل توسط یک روش حلقه – باز در آغاز ارتباط کنترل می شود تا تطبیقی تقریبی اما سریع صورت گیرد. سپس توان به روش حلقه بسته تعیین میشود. نرخ کد گذاری متغیر نرخ داده می تواند در 4 گام گسسته تغییر کند: 9600، 4800، 2400، 1200 بیت بر ثانیه. دست به دست شدن نرم هنگامی که واحد موبایل نسبت به یک ایستگاه پایه دورتر و به یک ایستگاه پایه دیگر نزدیک ترمی شود، قدرت سیگنال متناظر با هر دو ایستگاه می تواند با استفاده از گیرنده چنگالی بررسی شود. هنگامی که مشخص گردید ایستگاه پایه نزدیکتر دارای سیگنالی به اندازه کافی قوی است، دست به دست شدن رخ می دهد.

CDMA پهن باند: واسط هوایی با استفاده از BPSK (برای اتصال بالا) و QPSK (برای اتصال پایین) در پهنای کانال نامی 5MHz، WCDMA به نرخ 384kb/s می رسد. IMT-2000: پهنای باند کلی 60MHz، نرخ داده ای برابر با 384kb/s در یک پهنای باند (گسترش یافته) 3.84MHz تامین میکند و همراه با باند های محافظتی افزوده شده فاصله کانال ها 5MHz میباشد. ایستگاه موبایل از مدولاسیون BPSK برای داده وqpsk برای گسترش(ضرب در دنباله شبیه تصادفی) استفاده میکند.

CDMA پهن باند: مشخصات فرستنده توان خروجی: در محدوده -49dBm تا +24dBm. راتحویل دهد. فرستنده از شکل دهی پالس باند پایه استفاده میکند تا طیف خروجی را فشرده سازد. توان های کانال مجاور و کانال همسایه باید به ترتیب 33dB و 43dB پایین تر از کانال اصلی باشند. تشعشعات اندازه گیری شده در پهنای باند 30KHZ باید در شابلون TX نمایش داده شده صدق کند.

CDMA پهن باند: مشخصات گیرنده شابلون انسداد یک گیرنده IMT-2000 با استفاده از یک تن حساسیت مرجع گیرنده: - 107dBm است. نیاز به آزمون سینوسی تنها برای انسداد خارج از باند آزمون انسداد در یک گیرنده IMT-2000 با استفاده از تداخل گر مدوله شده

مثالی از مشخصات گیرنده های CDMA پهن باند (Ⅰ) P1dB مورد نیاز یک گیرنده WCDMA که در آزمون داخل باند شکل زیر صدق کند را به طور تقریبی به دست آورید. برای جلوگیری از فشردگی، P1dB باید 4dB یا 5dB بزرگتر از سطح سد کننده باشد، یعنی، P1dB ≈ -40dBm، برای اینکه تخریب ناشی از مدولاسیون ضربدری را به صورت عددی در آوریم، باید به عبارتی که در فصل 2 به دست آوردیم بازگردیم. برای یک موج سینوسی A1cosω1t و یک سد کننده که مدولاسیون دامنه دارد، A2(1+mcosωmt)cosω2t، مدولاسیون ضربدری به صورت معادله زیر ظاهر می شود:

مثالی از مشخصات گیرنده های CDMA پهن باند (Ⅱ) P1dB مورد نیاز یک گیرنده WCDMA که در آزمون داخل باند شکل بالا صدق کند را به طور تقریبی به دست آورید.

مشخصات گیرنده های CDMA پهن باند: آزمون اینتر مدولاسیون و آزمون کانال مجاور گیرنده یک تن و یک سیگنال مدوله شده، هرکدام با سطح -46dBm، به ترتیب در کانال های مجاور و همسایه اعمال می شوند در حالی که سیگنال مطلوب دارای سطح -104dBm است. آزمون اینتر مدولاسیون IMT-2000 با سطحی برابر با -93dBm برای سیگنال مطلوب، کانال مجاور می تواند به بزرگی -52dBm باشد. آزمون کانال مجاور گیرنده IMT-2000

بلوتوث: واسط هوایی عملکرد در باند 2.4 گیگا هرتز ISM: هر کدام از کانال ها 1Mb/s را حمل می کنند، 1MHz پهنای باند اشغال نموده و دارای فرکانس حاملی برابر با MHz (2402+k) برای k=0,…,78 هستند.

مشخصات فرستنده بلوتوث: مدولاسیون

مشخصات فرستنده بلوتوث: شابلون طیفی بلوتوث دارای سطح خروجی برابر با 0dBm (1mW) است. فرستنده در بلوتوث باید با سیستم های سلولی وWLAN به طور حداقلی تداخل کند. فرکانس حامل هر کدام از حامل های بلوتوث دارای محدوده قابل قبول ±75KHz (30ppm±≈) هستند.

مشخصات گیرنده بلوتوث: آزمون انسداد بلوتوث دارای حساسیت مرجعی برابر -70dBm (برای BER=10-3) است. آزمون انسداد برای کانال های مجاور و همسایه سیگنال مطلوب 10dB بزرگتر از حساسیت مرجع است و سیگنال بلوتوث مدوله شده دیگر نیز در کانال مجاور (با توان برابر) یا در کانال همسایه با توان -30dBm قرار داده می شود. آزمون انسداد برای کانال های با فاصله بزرگتر از 3MHz: در شکل زیر، سیگنال مطلوب 3dB بالاتر از حساسیت است و یک سد کننده مدوله شده در کانال همسایه سوم یا کانال بعدی با توان -27dBm اعمال می شود. در نتیجه، نقطه فشردگی 1dB گیرنده باید از این مقدار بیشتر شود.

مشخصات گیرنده بلوتوث: آزمون انسداد خارج از باند حساسیت مرجع -70dBm آزمون انسداد خارج از باند: اگر سیگنال مطلوب -67dBm باشد، یک تن با سطح -27dBm یا -10dBm باید بر اساس محدوده فرکانس تن تحمل شود.

مشخصات گیرنده بلوتوث: آزمون اینتر مدولاسیون حساسیت مرجع -70dBm آزمون اینتر مدولاسیون سطح سیگنال مطلوب 6dB بالاتر از حساسیت مرجع است و سد کننده ها با توان -39dBm در فواصل 5MHz یا f=3.4∆ اعمال می شوند. بلوتوث هم چنین بیشینه سطح ورودی قابل استفاده را برابر با -20dBm در نظر می گیرد.

مثالی از مشخصه بیشینه ورودی قابل استفاده آیا مشخصه بیشینه ورودی قابل استفاده1 منجر به محدودیت های طراحی خاصی می شود؟ بله می شود. به خاطر آورید که گیرنده باید سیگنالی به کوچکی -60dBm را آشکارسازی کند؛ یعنی، زنجیره گیرنده باید بهره کافی را را پیش از آشکارسازی فراهم نماید. فرض کنید این بهره حدود 60dB است که منجر به سطح سیگنالی در حدود 0dBm (632mVPP) در انتهای زنجیره می شود. اکنون، اگر سیگنال دریافتی تا -20dBm بزرگ شود، خروجی گیرنده باید به +40dBm (63.2VPP) برسد، مگر آنکه زنجیره به شدت غیرخطی شود. ممکن است دلیل آن که سیگنال دارای پوش ثابت است، غیر خطسانی بی خطر به نظر برسد، اما اشباع شدید طبقات ممکن است داده باند پایه را معوج سازد. به این دلیل، گیرنده باید از «کنترل بهره خودکار» (AGC) استفاده کند که بدین وسیله بهره هر طبقه را با افزایش سطح سیگنال ورودی کاهش دهد (فصل 13).

IEEE 802.11 a/b/g: واسط هوایی استاندارد 11a/g فاصله کانال ها را برای طرح های مدولاسیون مختلف و نرخ داده های متفاوت 20MHz در نظر می گیرد.

IEEE 802.11 a/b/g: کانال بندی OFDM OFDM: این استاندارد مجموعا از 52 زیر کانال با فاصله 0.3125MHz استفاده می کند. زیرا کانال میانی و 5 زیر کانال ابتدایی و انتهایی بدون استفاده هستند. افزون بر این، چهار زیر کانال توسط «پیلوت» هایی با مدولاسیون BPSK اشغال می شوند تا عمل آشکار سازی در گیرنده را در حضور آفست های فرکانسی و نویز فاز آسان سازد. هر نماد OFDM، 4 میکروثانیه به طول می انجامد.

IEEE 802.11 a: Transmission Mask TX باید حداقل توانی برابر با 40mW (+16dBm) را تحویل دهد. شکل دهی پالس: 16.6MHz نشت حامل: 15dB کمتر از توان خروجی کلی

IEEE 802.11 a: نرخ داده، حساسیت مرجع و سطح کانال مجاور یک گیرنده 11a/g باید با بیشینه سطح ورودی -30dBm به درستی عمل کند.

مثالی از محاسبات نویز فیگر و نقطه فشردگی 1-dB در 802.11a/g عدد نویز مورد نیاز برای دریافت با نرخ داده های 6Mb/s و 54Mb/s را در 11a/g تخمین بزنید. راه حل: نخست، نرخ 6Mb/s را در نظر بگیرید. بافرض پهنای باند نویز 20MHz، به عدد 19dB برای مجموع عدد نویز و SNR موردنیاز می رسیم. به طور مشابه، برای نرخ داده 54Mb/s، این مجموع به 36dB می رسد. عدد نویز برابر با 10dB، SNR برابر با 9dB برای BPSK و 26dB برای 64QAM را باقی می گذارد، که هردو برای نرخ خطای مورد نیاز کافی هستند. در واقع، بیشتر محصولات تجاری هدف خود را دستیابی به عدد نویز حدود 6dB تعیین می کنند تا به حساسیتی حدود -70dBm در بیشترین نرخ داده برسند. نقطه فشردگی 1dB مورد نیاز برای گیرنده های 11a/g را تخمین بزنید. راه حل: با ورودی برابر با -30dBm، گیرنده نباید دچار فشردگی شود. افزون براین، از بخش قبل به خاطر آورید که یک سیگنال OFDM که دارای N زیر کانال است، نسبت قله به متوسطی حدود 2 ln N دارد. برای N=52، داریم: PAR=7.9، بنابراین، گیرنده نباید حتی برای سطح ورودی که به -30dBm+7.9dB=-22.1dBm می رسد نیز فشرده شود. تغییرات پوش به دلیل شکل دهی پالس باند پایه ممکن است حتی به P1dB بزرگتری احتیاج داشته باشد.

IEEE 802.11 b: فرکانس های کانال دارای هم پوشانی محدوده قابل قبول فرکانس حامل ±25ppm است.

IEEE 802.11 b: شابلون فرستنده استاندارد 11b توان خروجی فرستنده را برابر با 100mW (+20dBm) را با شابلون طیفی شکل فوق تعیین می کند که در آن هر نقطه توان اندازه گیری شده در پهنای باند 100KHz را نمایش می دهد.

ضمیمه 1: کلید زنی جابه جایی فاز تفاضلی Differential Encoding Differential Decoding

تمرین برای قابل قبول بودن BER، SNR برابر با 9dB است. مثال 3-12 را برای WCDMA تکرار کنید. برای WCDMA، حساسیت گیرنده: -104dBm برای قابل قبول بودن BER، SNR برابر با 9dB است. مثال: نویز کلی کانال باید زیر 113dBm باقی بماند. مدولاسیون میانی بیشتر از 2dB می تواند باشد. مثال: PIM,in=-117dBm

تمرین از شکل زیر، IP3 مورد نیاز برای گیرنده بلوتوث را تخمین بزنید. راه حل: مانده نویز کل باید کمتر از مقدار -81dBm باشد. فرض کنیم که: NF=10dB نویز تولید شده توسط RX: بنابراین IM می تواند هم بخشی از بیشترین مقدار 23dB باشد.

تمرین 3) بیشترین کف نویز نسبی قابل قبول تحمل برحسب) (dbc/Hz را که زنجیره فرستنده IMT-2000 میتواند در باند DCS1800 تعیین کنید. حل: IMX2000 حداکثر وابسته به طبقه نویز در باند DCS RX 18001805 -1880 mhz توان باقیمانده TX کمتر ازdbm 71- در پهنای باند 100khz در 1800DCS -71 dbm -10 lg 10khz=-121 dbm TX توان خروجی: 24dbm حداکثر نویز قابل تحمل -145 dbc/hz

تمرین 4) برای انکه یک سیگنال AM اشکار سازی شود, میتوان ان را در شکل موج نوسانگر محلی ضرب کرد و حاصل را به یک فیلتر پایین گذر اعمال نمود,و حاصل را به یک فیلتر پایین گذر اعمال نمود.عملکرد اشکار ساز را توضیح دهید. حل:

تمرین 4) سوال قبلی رو برای سیگنالBPSK تکرار کنید.

References (Ⅰ)

References (Ⅱ)