ntmp3Luftschnittstelle

ZHW, NTM, 2006/12, Rur
NTM-Praktikum 3
Digitale Luftschnittstelle
Referenzen
[1] http://www.it-administrator.de/lexikon/luftschnittstelle.html
[2] CCIR Recommendation 584, Annex 1 - Radiopaging Code No. 1, siehe Beilage.
[3] http://www.sxlist.com/techref/pager/pocsag.html?key=pager&from
[4] Leitfaden Technischer Bericht, www.zhwin.ch/~rur
1. Einleitung und Zielsetzung
„Als Luftschnittstelle bezeichnet man im Mobilfunk die Gesamtheit aller übertragungsrelevanten Parameter auf physikalischer Ebene, d.h. die Standard-Schnittstelle für die
Übertragung über das Medium Luft. Sie entspricht damit der Bitübertragungsschicht
(engl. Physical Layer) im OSI-Modell drahtgebundener Netzwerke. Übertragungsrelevante
Parameter sind die verwendeten Frequenzbänder, Modulations- und Multiplexing- und
Zugriffsverfahren.“ [1]
In diesem Praktikum lernen wir die Elemente einer Luftschnittstelle am Beispiel einer
älteren, einfachen Luftschnittstelle kennen. Dieses Praktikum soll helfen, die „Theorie“
später besser zu verstehen.
Die POCSAG-Luftschnittstelle wurde in den frühen 80er Jahren von einem Industriekonsortium unter der Federführung des britischen Post-Office als Standard für digitales
Paging vorgeschlagen. POCSAG steht für Post Office Code Standardization Advisory
Group. Die POCSAG-Luftschnittstelle ist vom CCIR (heute ITU-R) als Empfehlung
anerkannt worden [2].
Die POCSAG-Luftschnittstelle ist um Grössenordnungen weniger komplex als die Luftschnittstellen modernerer Mobilfunksysteme wie z.B. GSM und eignet sich deshalb gut
für einen „praktischen“ Einstieg in die digitale Mobilkommunikation.
Paging wird heute nur noch für die Alarmierung von Feuerwehren und anderen Rettungsorganisationen eingesetzt. Die deutschen Feuerwehren zum Beispiel verwenden ca. 0.5
Mio. Meldeempfänger (Pager). In der digitalen Alarmierung wird heute fast ausschliesslich
POCSAG eingesetzt.
In diesem Praktikumsversuch sollen mit Matlab alphanumerische Meldungen auf dem PC
generiert und via (NF-) Soundkarte und (HF-) Signalgenerator auf einen POCSAG-Pager
gesendet werden. In Abbildung 1 ist der entsprechende Sendepfad dargestellt.
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PC
binär /
bipolar
Präambel, Sync-/Idle-/Adr-CW
Upsampling
RechteckPuls
x[n]
Mux
Quelle
fs/R
(-1)x[n]
Tb
Kanalencoder
BCH (31,21,5)
even parity
ASCII (7 Bit)
xBB[n]
Prämod-Filter
(Bessel, 4. Ord.)
fg=2·R
DAC
R=1200 b/s
xBB(t)
48 kS/s
y(t)
POCSAG
Signalgenerator
PCSoundkarte
fs = 48 kHz
Pager
FM / FSK
f0 = 440.050 MHz
0 => +3 kHz
1 => -3 kHz
KO
SA
Abbildung 1: Sendepfad mit Digitalteil (PC/Matlab) und HF-Teil (Signalgenerator).
2. Aufgabenstellung „Modulation“
a) Generieren Sie mit Matlab ein symmetrisches, periodisches, bipolares Rechtecksignal
xBB(t) mit Bitperiode Tb = 1/1200 s und Amplitude A = 0.2 Vp.
Generieren Sie mit einem Signalgenerator ein rechteckförmig moduliertes FM-Signal
bzw. ein periodisch umgetastetes FSK-Signal y(t) mit Mittenfrequenz f0 = 440.05 MHz,
Hub Δf = ± 3 kHz (Ablagefrequenzen f0 ± 3 kHz) und Leistung 0 dBm.
Messen Sie das Spektrum des FSK-Signals y(t) und die Bandbreite B. Vergleichen Sie
B mit der Carson-Bandbreite.
Wieviele dBc kleiner ist das Sendespektrum IY(f)I in der Mitte des Nachbarkanals bei
f1 = f0 + 12.5 kHz und an den Rändern bei f1 ± 6.25 kHz im Vergleich zu max{IY(f)I} ?
Hinweise:
- Sie können xBB(t) auch mit dem Funktionsgenerator erzeugen, die Messungen
machen und anschliessend mit Matlab zu arbeiten beginnen.
- Sie können die Vorlage pocsag.m verwenden.
- Wählen Sie als Abtastfrequenz fs = 48 kHz, d.h. 40 Samples pro Bit-Periode Tb.
- Wählen Sie eine Signaldauer von 30s, d.h. senden Sie 30∙1200 Bits.
- sound(y,fs) sendet das Signal im Vektor y mit der Abtastfrequenz f s auf die
Soundkarte. Die y-Werte müssen im Bereich -1.0 ≤ y ≤ 1.0 liegen.
- Konfiguration der Soundkarte via Systemsteuerung, Sounds und Audiogeräte.
- Bitte verwenden Sie die AC-Kopplung am Eingang des Signalgenerators.
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b) Filtern Sie das Rechtecksignal mit dem Prämodulations-Filter (Pulse Shaping).
Kopieren Sie dazu die Funktion premodfil() in Ihr Arbeitsverzeichnis und
verwenden Sie help premodfil für Hilfe.
Senden Sie dann N = 30·1200 Bits auf die Soundkarte und überprüfen Sie das
Resultat auf dem Oszilloskop.
Beschreiben Sie den Einfluss des Prämodulationsfilters auf das Spektrum und
insbesondere auf die Bandbreite B sowie die Nachbarkanäle.
3. Aufgabenstellung „POCSAG-Telegramm“
c) Studieren Sie mit Hilfe der Abbildung 1 und der Unterlagen [2] oder [3] das POCSAGTelegramm.
d) Stellen Sie eine einfache Nachricht bestehend aus dem vorgegebenen AdressCodewort (500D) und dem vorgegebenen Nachrichten-Codewort (ok) zusammen
und senden Sie die Nachricht auf den Pager.
Betrachten Sie das Basisbandsignal auf dem Oszilloskop und kontrollieren Sie das
Spektrum.
e) Simulieren Sie einen Übertragungsfehler, indem Sie ein oder mehrere Bit im Adressund/oder Nachrichten-Codewort der Nachricht vor der Aussendung invertieren.
Was stellen Sie beim Empfang der Meldung fest? Spielt es eine Rolle, ob sich ein
Fehler im Info- oder im Parity-Teil eines Codeworts befindet? Wieviele (Burst-) Fehler
kann der Dekoder im Pager korrigieren?
f)
Berechnen Sie mit Matlab die Autokorrelationsfunktion der bipolaren Synchronisationsfolge. Wie gross ist das peak-to-off-peak-Verhältnis?
Wie verändert sich das Verhältnis, wenn die Korrelation beim realen Empfang über die
Synchronisationsfolge und die Präambel gebildet wird?
g) Für den Fehlerschutz wird bei POCSAG ein BCH-Blockencoder verwendet, der 21
Info-Bits in 31 Codebits encodiert, siehe [2]. Der Encoder kann mit dem in Abbildung 2
dargestellten, rückgekoppelten Schieberegister realisiert werden. Das in [2] gegebene
Generator-Polynom bestimmt die Rückführungen.
Überprüfen Sie das richtige Funktionieren an Hand des folgenden Adress-Codeworts
(Flag-Bit ganz links, Even-Parity-Bit ganz rechts):
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1]
Welchen Einfluss hat der Kanalencoder bzw. der Fehlerschutz auf die Nettodatenrate?
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X10
+X9
+X8
+X6
+X5
+X3
+1
S
p1
c
p2
p3 p4
p5
p6 p7
p8 p9 p10
[ Info-Bits 1-21]
S
c = [ Info-Bits 1-21 Parity-Bits p1 … p10 ]
even-Parity-Bit fehlt noch !
Modulo 2 Addition (XOR)
S Schalterstellung für Info-Bits 1-21 eines Codeworts
Andere Schalterstellung für Parity-Bits 22-31 eines Codeworts
Abbildung 2: (31,21) BCH-Encoder.
h) Implementieren Sie nun den POCSAG-Kanalencoder. Testen Sie das korrekte
Funktionieren z.B. mit dem idle-Codewort, das auch ein gültiges Codewort ist.
Stellen Sie eine eigene Meldung bestehend aus 2 ASCII 7-Bit-Zeichen (und 6 Nullen)
zusammen und senden Sie die Meldung auf den Pager.
i)
Fakultativ:
Wiederholen Sie die Aussendung 2-3 Mal mit einer Sendeleistung knapp über der
Empfindlichkeitsgrenze.
Überprüfen Sie den Einfluss auf die Reichweite und die Lesbarkeit der Meldung.
Warum lässt sich die Empfindlichkeit des Pagers mit der aufgebauten Messanordnung
nicht (genau) bestimmen?
Hinweis: Die statische Empfindlichkeit des Pagers im Freifeld beträgt im 2m-Band 23
dBμV/m gemessen mit einem Dipol (typischer Mittelwert über 8 Empfangsrichtungen).
4. Bericht
Dieses Praktikum dauert 4 Lektionen. Es kann ein Bericht abgegeben werden (Einzelarbeit, max. 1 Bericht pro Gruppe). Der Bericht wird bezüglich Form und Inhalt benotet.
Abgabetermin ist 1 Woche nach dem Praktikumsnachmittag.
In [4] finden Sie allgemeine Richtlinien zum Verfassen eines technischen Berichts.
Vorschlag für das Inhaltsverzeichnis des Berichts: Header, Zusammenfassung,
Inhaltsverzeichnis, ev. Literaturverzeichnis, Einleitung, Theorieteil (Digitalteil & HF-Teil),
Realisierung (Digitalteil & HF-Teil), Tests/Messungen (Übereinstimmung mit Theorie).
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