Studio e realizzazione di modem basato su sequenze ortogonali nel dominio della fase
Autore
Giovanni Cielo - Università degli Studi dell'Aquila - [1998-99]
Documenti
Abstract
La presente tesi riguarda lo studio e la realizzazione con il DSP 56300 della Motorola di una nuova tecnica di modulazione ideata nei laboratori ALCATEL e basata su un'estensione dei sistemi di trasmissione multiportante. A differenza dei sistemi FDM (Frequency Division Multiplexing) in cui la composizione delle sottoportanti avviene sulla frequenza del segnale, in questa nuova tecnica si agisce sulla fase del segnale. Questo tipo di modulazione viene chiamata CDPM (Code Division Phase Modulation), poiché basata sull'utilizzo di sequenze ortogonali nel dominio della fase. Questa tecnica, pensata in origine per la trasmissione radiofonica di più utenti su uno stesso canale, viene utilizzata per realizzare un modem parallelo e valutarne le prestazioni.
Nel primo capitolo viene illustrata la modulazione CDPM partendo dalle più classiche e generali modulazioni CPM (Continuous Phase Modulation) e CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) ed in particolare presentandola come estensione della modulazione MSK (Minimum Shift Keying) di cui conserva tutti gli aspetti principali. La modulazione MSK, introdotta agli inizi degli anni 60 da M.L. Doelz e E.H. Heald, è caratterizzata dalle seguenti tre proprietà fondamentali:
1. quasi tutta l'energia del segnale è contenuta entro una banda pari a circa 1.2 volte la frequenza di simbolo; infatti il suo spettro ha un decadimento dei lobi secondari che segue una legge del tipo f^4. Questa caratteristica determina un contributo di interferenza tra canali adiacenti molto ridotto;
2. l'inviluppo del segnale modulato non filtrato è costante, quindi è particolarmente poco sensibile al passaggio attraverso amplificatori non lineari;
3. si rende possibile l'utilizzo di sistemi di demodulazione molto semplici.
Tutte queste proprietà giustificano l'utilizzo di questa modulazione per diverse tipologie di comunicazioni radio, tra le quali trovano posto applicazioni in telefonia mobile con la modulazione GMSK dello standard GSM (che è una variante della modulazione MSK, in cui si modifica la forma dell'impulso di trasmissione), in sistemi di trasmissione HF e VHF, in trasmissioni satellitari e in molti altri campi.
Il lavoro della tesi prosegue focalizzando sempre più la tecnica CDPM e quindi presentando il modulatore (capitolo 2) realizzato con la sintesi diretta ed il demodulatore (capitolo 3) che fa uso della tecnica differenziale introdotta da T. Masamura per segnali MSK e gli aspetti più particolari del caso in cui si ha un numero di sequenze ortogonali pari a 64 (capitolo 4), tutte caratteristiche del modem realizzato con il DSP. In particolare viene descritta la tecnica di codifica che, utilizzando la matrice di Hadamard, proietta le sequenze d'informazione in uno spazio di sequenze ortogonali. Il segnale così ottenuto è fortemente correlato e per evitare cattivi funzionamenti in presenza di cammini multipli, si moltiplicano le sequenze codificate per una sequenza pseudocasuale. Il recupero del sincronismo con la sequenza pseudocasuale in fase di ricezione permette di recuperare, nello stesso tempo, anche il sincronismo di codifica.
Il quinto capitolo si occupa di illustrare una tecnica per il recupero del sincronismo di simbolo basata sulla funzione di autocorrelazione dei campioni del segnale ricevuto in banda base intervallati di un periodo di campionamento pari alla metà del periodo di simbolo. Infine vengono riportati i risultati delle simulazioni fatte con l'uso del programma Matlab (capitolo 6) e le misure effettuate sul modem così realizzato (capitolo 8) utilizzando diversi tipi di canali di trasmissione (cammino diretto con diversi rapporti segnale rumore, affievolimento alla Rice e alla Rayleigh). Il capitolo 7 si occupa invece dell'interfacciamento tra i due DSP utilizzati l'uno come modulatore e l'altro come demodulatore ed un PC IBM che si è reso necessario per poter elaborare i bit trasmessi e ricevuti dal modem realizzato e fornire una stima del tasso di errore per i diversi tipi di canale utilizzati. I programmi di interfacciamento, realizzati in C++, svolgono il compito di caricare nella memoria del DSP utilizzato come modulatore la codifica in ASCII di un messaggio di testo scritto dall'utente e di ricevere sul PC il messaggio presente all'uscita del demodulatore evidenziando eventuali errori nel testo. Un ulteriore programma e' stato scritto per confrontare le sequenza di bit trasmessi e ricevuti e stimare l'errore commesso.
Le tre appendici, infine, riportano rispettivamente i programmi in Matlab, Assembler e C++ utilizzati nella realizzazione della tesi.
Il demodulatore differenziale usato in fase di ricezione è il più semplice che si possa realizzare nel caso di segnali MSK, tuttavia sarebbe interessante proseguire questo lavoro con schemi di demodulazione più complessi che, ovviamente, garantiscono prestazioni migliori, quali il demodulatore CPFSK o il demodulatore CPM di Viterbi.
Nel primo capitolo viene illustrata la modulazione CDPM partendo dalle più classiche e generali modulazioni CPM (Continuous Phase Modulation) e CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) ed in particolare presentandola come estensione della modulazione MSK (Minimum Shift Keying) di cui conserva tutti gli aspetti principali. La modulazione MSK, introdotta agli inizi degli anni 60 da M.L. Doelz e E.H. Heald, è caratterizzata dalle seguenti tre proprietà fondamentali:
1. quasi tutta l'energia del segnale è contenuta entro una banda pari a circa 1.2 volte la frequenza di simbolo; infatti il suo spettro ha un decadimento dei lobi secondari che segue una legge del tipo f^4. Questa caratteristica determina un contributo di interferenza tra canali adiacenti molto ridotto;
2. l'inviluppo del segnale modulato non filtrato è costante, quindi è particolarmente poco sensibile al passaggio attraverso amplificatori non lineari;
3. si rende possibile l'utilizzo di sistemi di demodulazione molto semplici.
Tutte queste proprietà giustificano l'utilizzo di questa modulazione per diverse tipologie di comunicazioni radio, tra le quali trovano posto applicazioni in telefonia mobile con la modulazione GMSK dello standard GSM (che è una variante della modulazione MSK, in cui si modifica la forma dell'impulso di trasmissione), in sistemi di trasmissione HF e VHF, in trasmissioni satellitari e in molti altri campi.
Il lavoro della tesi prosegue focalizzando sempre più la tecnica CDPM e quindi presentando il modulatore (capitolo 2) realizzato con la sintesi diretta ed il demodulatore (capitolo 3) che fa uso della tecnica differenziale introdotta da T. Masamura per segnali MSK e gli aspetti più particolari del caso in cui si ha un numero di sequenze ortogonali pari a 64 (capitolo 4), tutte caratteristiche del modem realizzato con il DSP. In particolare viene descritta la tecnica di codifica che, utilizzando la matrice di Hadamard, proietta le sequenze d'informazione in uno spazio di sequenze ortogonali. Il segnale così ottenuto è fortemente correlato e per evitare cattivi funzionamenti in presenza di cammini multipli, si moltiplicano le sequenze codificate per una sequenza pseudocasuale. Il recupero del sincronismo con la sequenza pseudocasuale in fase di ricezione permette di recuperare, nello stesso tempo, anche il sincronismo di codifica.
Il quinto capitolo si occupa di illustrare una tecnica per il recupero del sincronismo di simbolo basata sulla funzione di autocorrelazione dei campioni del segnale ricevuto in banda base intervallati di un periodo di campionamento pari alla metà del periodo di simbolo. Infine vengono riportati i risultati delle simulazioni fatte con l'uso del programma Matlab (capitolo 6) e le misure effettuate sul modem così realizzato (capitolo 8) utilizzando diversi tipi di canali di trasmissione (cammino diretto con diversi rapporti segnale rumore, affievolimento alla Rice e alla Rayleigh). Il capitolo 7 si occupa invece dell'interfacciamento tra i due DSP utilizzati l'uno come modulatore e l'altro come demodulatore ed un PC IBM che si è reso necessario per poter elaborare i bit trasmessi e ricevuti dal modem realizzato e fornire una stima del tasso di errore per i diversi tipi di canale utilizzati. I programmi di interfacciamento, realizzati in C++, svolgono il compito di caricare nella memoria del DSP utilizzato come modulatore la codifica in ASCII di un messaggio di testo scritto dall'utente e di ricevere sul PC il messaggio presente all'uscita del demodulatore evidenziando eventuali errori nel testo. Un ulteriore programma e' stato scritto per confrontare le sequenza di bit trasmessi e ricevuti e stimare l'errore commesso.
Le tre appendici, infine, riportano rispettivamente i programmi in Matlab, Assembler e C++ utilizzati nella realizzazione della tesi.
Il demodulatore differenziale usato in fase di ricezione è il più semplice che si possa realizzare nel caso di segnali MSK, tuttavia sarebbe interessante proseguire questo lavoro con schemi di demodulazione più complessi che, ovviamente, garantiscono prestazioni migliori, quali il demodulatore CPFSK o il demodulatore CPM di Viterbi.
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