Lab ENE324 Group5

รูปภาพของฉัน
นายณัฐนัย สุพันธุ์วณิช 55070502467 // นายธนนนท์ มานะชัยมงคล 55070502469 // นายธนวัฒน์ ลิ่มทองพิพัฒน์ 55070502470 // นายธีรภัทร เขษมเวสารัชวุฒิ 55070502471 // นางสาวกุณชญา เอกศิริพงษ์ 55070502472 // นายปฐวี อินทุยศ 55070502474 // นายปัณณวิชญ์ สิทธิญาวณิชย์ 55070502475 // นายพีรวิชญ์ ปฏิเวชปัญญา 55070502477 // นายภัทรกนิษฐ์ วงศ์บา 55070502478

วันอังคารที่ 31 มีนาคม พ.ศ. 2558

Experiment 5: IQ Tutor

วัตถุประสงค์ :
     1. ศึกษาการผสมสัญญาณดิจิตอลชนิดต่างๆ เช่น BPSK , QPSK , 16QAM
     2. ศึกษาผลของลักษณะการตอบสนองความถี่ของฟิลเตอร์ที่มีต่อสัญญาณ
     3. ศึกษาผลของ BER Vs. SNR
     4. ศึกษาเรื่องของ Multipath

ทฤษฏี
          BPSK

                Binary Phase Shift Keying เป็นการผสมสัญญาณแบบดิจิตอลที่ง่ายที่สุด โดยที่สัญญาณที่ผสมแบบนี้ จะมีขนาดของคลื่นพาหะคงที่ แต่เฟสของคลื่นพาหะสามารถเป็นได้ 2 ค่าที่มีเฟสต่างกัน 180 องศา แทนข้อมูลที่เป็น 0 และ 1 การผสมแบบนี้มีข้อดีคือสามารถทนทานต่อการรบกวน อันเนื่องมาจากสัญญาณรบกวนได้มากกว่าการผสมสัญญาณดิจิตอลแบบอื่น แต่มีข้อเสียได้แก่ ความสิ้นเปลืองแถบความถี่มาก



     QPSK
                QPSK หรือ Quadrature Phase Shift Keying สามารที่จะส่งสัญญญาณที่มีขนาดเท่ากันแต่มีเฟสแตกต่างกันได้ 4 ค่า โดยสามารถแทนที่ข้อมูลดิจิตอลได้ 4 อย่าง คือ 00 01 10 11 ซึ่งจะมีการส่งข้อมูลพร้อมกันครั้งละ 2 bit ในวงจรผสมสัญญาณ IQ Modulator จะมีสองสัญญาณคือ I และ Q ซึ่งจะต้องป้อนเข้าวงจรผสมสัญาณพร้อมกัน ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้โดยการรวมเวกเตอร์ I และ Q ข้อมูลของสัญญาณ QPSK นั้นสามารถส่งได้โดยการส่งเฟสต่างๆของสัญญาณ คือ 45, 135, 225, 315 องศา ด้วยขนาดแรงดันค่าเดียว และมีสองขั้ว คือ บวก และ ลบ



    16QAM
                คือการผสมสัญญาณที่มีการผสมทางเฟส และขนาดพร้อมกัน โดยสามารถผสมสัญญาณได้ครั้งละ 4 bit ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดและเฟสของคลื่นพาหะได้ทั้งหมด 16 แบบดังแสดงในรูปที่ 3 โดยแต่ละตำแหน่งเรียกว่า Symbol และเมื่อเรียงตัวกันดังในภาพจะดูเหมือนกลุ่มดาว ดังนั้น ไดอะแกรมที่แสดงนี้ เรียกอีกอย่างว่าเป็น Constellation



การเตรียมการทดลอง :
     1. เข้าโปรแกรม IQ Tutor โดยใช้ไฟล์ IQTUTORC.EXE
     2. หลังจากเห็นข้อความแนะนำการใช้โปรแกรม กด Spacebar เพื่อผ่านต่อไป



     3. ในหน้านี้ สามารถใช้ลูกศร ขึ้น ลง เพื่อเปลี่ยนจากบล็อคเป็นรูปสัญญาณ เป็นข้อความ และ สามารถใช้ลูกศร เลื่อนซ้าย ขวา ขึ้น ลง หรือ EDIT เพื่อแก้ไขตัวแปรในการทดลอง




การทดลองที่ 1 เรื่อง การเปรียบเทียบค่า Signal to Noise Ratio (SNR) กับ ค่าความเป็นไปได้ของอัตราความผิดพลาดข้อมูล (Probability of Error, Pe)

     1. กำหนด Modulation = BPSK
     2. Filter Alpha = 0.1
     3. SNR = 6
         (ไม่มีข้อความ HPA Impairment on หรือ Multipath fade on)
     4. หลังจากำหนดตัวแปรต่างๆ ตามที่ต้องการแล้ว กด Enter เพื่อให้ระบบทำงาน จะมีข้อความ“Working หมายความว่า ค่าต่างๆที่เราต้องการได้มีการปรับเปลี่ยนเรียบร้อยแล้ว
     5. สามารถดูค่า P(e) ได้ที่ Detector Output บันทึกค่าไว้
     6. ทำการทดลองซ้ำอีกครั้ง โดยใช้ตารางที่ 1-3

การทดลองที่ 2 การศึกษาเรื่อง Noise, Errors และ I-Q Vector Diagram
เลือกตัวแปรในการทดลองดังนี้ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha = 0.5
     1. เลื่อนลูกศรไปดูที่ Demodulator Output แล้วกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
     2. กด Enter เพื่อดู Vector Display
     3. กดปุ่ม / เพื่อดูข้อมูลขณะนั้น
     4. บันทึกผลการทดลอง
     5. กดปุ่ม Enter อีกครั้งเพื่อเข้าสู่แกนเวลา
     6. ตั้งค่า SNR = 8 เป็นการเพื่มสัญญาณรบกวรเข้าในระบบ
     7. บันทึกผล รูปในแกนเวลา
     8. บันทึกผลลักษณะของ Vector Diagram
     9. ทำการทดลองเช่นเดียวกันนี้กับสัญญาณ 16QAM

การทดลองที่ 3 Multipath & Curves
     ในการเดินทางของคลื่นวิทยุผ่านระยะทางไกลในอากาศ คลื่นที่เดินทางมายังเครื่องรับส่วนใหญ่จะเดินทางมาทางลำคลื่นหลัก (Main beam) บางส่วนมาจากการสะท้อน (Reflections) บางส่วนมาจากการหักเห (Refraction) ทำให้เกิดการเดินทางจากหลายเส้นทาง (Multipath Propagation) เมื่อเครื่องรับสัญญาณได้ จะเป็นผลรวมของคลื่นจากทิศทางต่างๆ ผลของ Multipath จะมีมาก เมื่อมีการสะท้อนหรือหักเหมากขึ้น ผลของ Multipath ที่สามารถสังเกตได้ คือ ทำให้รูปสัญญาณผิดเพี้ยน (Distortion) เกิดการจางหายของสัญญาณ (Fading) ในระบบสื่อสารแบบอะนาล็อกมีผลทำให้ S/N มีค่าลดลง ในระบบดิจิตอลมีผลทำให้ค่าความผิดพลาดของข้อมูลมากขึ้น ในการทดลองนี้เราจะศึกษา ในบางช่วงความถี่ของแบนวิดธ์เครื่องรับ
ขั้นตอนการทดลอง
     1. เลื่อนภาพไปดูที่ Demodulator Output จากนั้นดูที่แกนเวลา กด E เพื่อ Edit ค่าต่างๆ ดังนี้ QPSK, SNR = 40, Filter Alpha = 0.3 ยังไม่ต้องกด Enter
     2. กด D เพื่อเข้าสู่โหมดหน้าจอ Advance Design กดลูกศรขึ้นเพื่อเปลี่ยนค่า Delay = 16.6 ns (Delay = ค่าเวลาที่แตกต่างระหว่างสัญญาณจริงที่มีมาถึงก่อน และสัญญาณที่จะสะท้อนมาทีหลัง ทำให้เกิดการ Notch ขึ้นทุกๆ 1/16.6 ns หรือ 60 MHz)
     3. กดลูกศรขึ้นเพื่อเปลี่ยนค่า depth = 40 dB (เพื่อเปลี่ยนค่าความแตกต่างขนาด) สังเกตค่า Notch ที่เกิดขึ้น
     4. เลื่อนลูกศรไปทางซ้ายเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งของ Notch เลื่อนลูกศรขึ้นเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งไป 100%
     5. บันทึกผล


ผลการทดลอง
การทดลองที่ 1  เรื่อง การเปรียบเทียบค่า Signal to Noise Ratio (SNR) กับค่าความเป็นไปได้ของอัตราความผิดพลาดข้อมูล (Probability of Error , Pe)

ตารางที่ 1  BPSK
 
 

 
ตารางที่ 2  QPSK


 
ตารางที่ 3  16QAM


 

 
ตารางที่ 4  ผลการเปรียบเทียบระหว่าง SNR Vs. P(e) สำหรับการผสมทั้ง3แบบ
 







การทดลองที่ 2  การศึกษาเรื่อง Noise, Errors และ I-Q Vector Diagram



รูปที่ 6 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 7 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector
เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 8 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 9 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 10 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector
เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 11 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5


รูปที่ 12 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 13 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector
เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5


รูปที่ 14 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ 16QAM, SNR =40, Filter Alpha 0.5



รูปที่ 15 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ 16QAM, SNR = 8, Filter Alpha 0.5




รูปที่ 16 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector
เมื่อ 16QAM, SNR = 8, Filter Alpha 0.5




รูปที่ 17 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ 16QAM, SNR =8, Filter Alpha 0.5

การทดลองที่ 3 Multipath & Curves



รูปที่ 18 แสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ QPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.3


รูปที่ 19 แสดงลักษณะโปรแกรม เมื่อกดปุ่ม D
เข้าหน้าจอ Advance Design และเปลี่ยนค่า Delay = 16.6 ns


รูปที่ 20 แสดงลักษณะโปรแกรม เมื่อกดปุ่ม D
เข้าหน้าจอ Advance Design และเปลี่ยนค่า Depth = 40 dB


รูปที่ 21 แสดงลักษณะโปรแกรม เมื่อกดปุ่ม D
เข้าหน้าจอ Advance Design และเปลี่ยนค่า Position = 100xFs


สรุปผลการทดลอง
 การทดลองที่ 1 เป็นการเปรียบเทียบค่า SNR กับค่าความเป็นไปได้ของอัตราความผิดพลาดข้อมูล,P(e) ของการผสมสัญญาณทั้ง 3 แบบ เพื่อดูผลว่าการผสมสัญญาณแบบไหนมีความทนทานต่อ noise มากที่สุด ซึ่งผลการทดลองที่ได้ คือในการผสมแบบ BPSK  นั้นจะมีการทนทานต่อการรบกวนได้มากที่สุด ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่าความน่าจะเป็นของความผิดพลาดเมื่อส่งข้อมูล “0” แล้วรับได้เป็น“1 มีค่าน้อยที่สุด เนื่องจากการผสมสัญญาณแบบ BPSK นั้น ข้อมูลที่เป็น 0 และ 1 เฟสจะต่างกัน 180 องศา จึงทำให้ภาครับสัญญาณของ BPSK สามารถแยกได้ว่าสัญญาณที่ส่งมาเป็น 0 หรือ 1ได้ง่าย เนื่องจากพื้นที่ในการตัดสินใจบิตมีค่ามาก จึงทำให้ความน่าจะเป็นของความผิดพลาดมีค่าน้อย แต่มีข้อเสียคือ จะเปลือง bandwidth เพราะจะส่งได้ทีละ 1 bit เท่านั้น การส่งสัญญาณที่มีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับ BPSK คือ16QAM แต่จะประหยัด bandwidth ได้มากกว่าและการที่ทำให้การผสมสัญญาณแบบนี้มีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนก็เพราะได้มีการผสมทางแอมปลิจูดเพิ่มเข้าไปด้วยจึงทำให้มีคุณสมบัติที่ดีขึ้นกว่าการผสมแบบ QPSK
    การทดลองที่ 2 ศึกษา noise ของการผสมสัญญาณแบบ BPSK และ 16QAM โดยดูผลจาก VECTOR DIAGRAM เมื่อให้ SNR = 40 จะเห็นว่าในสัญญาณแทบจะไม่มี noise เลย แต่เมื่อเราทำการลดค่า SNR เป็น 8 จะทำให้ NOISE นั้นเพิ่มขึ้นมากเนื่องจากค่า SNR ลดลง โดยสามารถสังเกต noise ได้จากรูปเวกเตอร์ที่มีจุดแต่ละจุดนั้นรวมเป็นกลุ่มดาว โดย BPSK นั้น Phase จะต่างกัน 180 องศาจุดกลุ่มดาวนั้นจึงไม่มาปะปนกัน แต่ 16QAM นั้นปกติจะมีจุดเวกเตอร์ทั้งหมด 16 จุด และเมื่อมีผลของสัญญาณรบกวนที่จุดกลุ่มดาวแล้วจะทำให้แยกค่าของสัญญาณได้ยากขึ้นเป็นผลทำให้เกิด error ขึ้น ซึ่งสามารถสรุปได้ว่า BPSK นั้นสามารถทนต่อNOISE ได้ดีที่สุด
 การทดลองที่ 3 เป็นการทดลองดูผลของสัญญาณที่เดินทางมาถึงจุดรับโดย ซึ่งสัญญาณจะเกิดจากการหักเหหรือการสะท้อน ระหว่างการเดินทางส่งผลให้สัญญาณบางส่วนนั้นเกิดการ DELAY ขึ้น เมื่อสัญญาณที่มี DELAY มาผสมแล้วสัญญาณจริงที่ได้จะมีการหายไปบางส่วนเพราะการหักล้างของสัญญาณตามค่า DEPTH ที่เราปรับ

วิจารณ์การทดลอง
จากการทดลอง เมื่อค่าของ SNR ลดลง ค่า Error ก็จะเพิ่มขึ้น เพราะว่า SNR เป็นตัวบ่งบอกประสิทธิภาพว่าสัญญาณดีหรือไม่ดี ถ้าค่า SNR มากแสดงว่า noise ในสัญญาณมีน้อย
จากการทดลองที่ 1 จะเห็นว่า BPSK จะมีค่าความน่าจะเป็นของความผิดพลาดน้อยที่สุด เพราะว่า พื้นที่ในการตัดสินใจบิตว่าตัวส่งได้ส่งบิต 0 หรือ 1 มามีค่ามาก ทำให้โอกาสที่ตัวรับจะตัดสินใจบิตผิดมีค่าน้อยที่สุด 
จากการทดลองที่ 2  เป็นการศึกษาเรื่อง noise โดยดูจาก eye diagram ซึ่งในสภาวะปกติของ eye diagram ที่การรับส่งของสัญญาณถูกต้อง รูปแบบดวงตานี้จะเปิดกว้าง ถ้ามีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นจะทำให้รูปแบบดวงตานี้แคบลง ซึ่งการดูรูปแบบของดวงเป็นวิธีหนึ่งในการตรวจสอบคุณภาพของสัญญาณ ซึ่งในการทดลอง จะเห็นว่า BPSK ที่ SNR = 40 คุณภาพของสัญญาณจะดีกว่า BPSK ที่ SNR = 8 เนื่องจากดวงตาเปิดกว้างกว่า แสดงว่า noise น้อยกว่า ใน 16QAM ก็เช่นเดียวกัน เมื่อให้ SNR=40 จะเห็นว่าคุณภาพของสัญญาณจะดีกว่า 16QAM ที่ SNR = 8 แต่ 16QAM คุณภาพของสัญญาณจะไม่ดีเท่า BPSK  
การทดลองที่3 การทดลองนี้เป็นการส่งสัญญาณของตัวส่งมายังตัวรับแบบหลายเส้นทางซึ่งจะมีบางส่วนมาจากการสะท้อน และ บางส่วนมาจากการหักเห จึงเรียกว่า Multipath & Curves ถ้าหากมีการสะท้อน หรือ หักเหมากผลของ Mutipath จะทำให้รูปสัญญาณผิดเพี้ยนไป(Distortion)และเกิดการจางหายของสัญญาณ(Fading)