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
ทฤษฏี
BPSK
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
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
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 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
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)
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)