ENE324 การทดลองเรื่อง IQ TUTOR
1. ศึกษาการผสมสัญญาณดิจิตอลชนิดต่างๆ เช่น BPSK,QPSK, 16QAM
2. ศึกษาผลของลักษณะการตอบสนองความถี่ของฟิลเตอร์ที่มีต่อสัญญาณ
3. ศึกษาผลของ BER Vs. SNR
4. ศึกษาเรื่องของ Multipath
ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง :
BPSK
Binary Phase Shift Keying เป็นการผสมสัญญาณแบบดิจิตอลที่ง่ายที่สุด โดยที่สัญญาณที่ผสมแบบนี้ จะมีขนาดของคลื่นพาหะคงที่ แต่เฟสของคลื่นพาหะสามารถเป็นได้ 2 ค่าที่มีเฟสต่างกัน 180 องศาแทนข้อมูลที่เป็น 0 และ 1 การผสมแบบนี้มีข้อดีคือสามารถทนทานต่อการรบกวน อันเนื่องมาจากสัญญาณรบกวนได้มากกว่าการผสมสัญญาณดิจิตอลแบบอื่น แต่มีข้อเสียได้แก่ ความสิ้นเปลืองแถบความถี่มาก
Binary 1 = 0 องศา
Binary 0 = 180 องศา
รูปที่ 1 รูปคลื่นของสัญญาณที่มี การผสมแบบ BPSK
QPSK
QPSK หรือ Quadrature Phase Shift Keying สามารถที่จะส่งสัญญาณที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีเฟสแตกต่างกันได้ 4 ค่า โดยสามารถแทนที่ข้อมูลดิจิตอลได้ 4 อย่าง คือ 00 01 10 11 ซึ่งจะมีการส่งข้อมูลพร้อมกันครั้งละ 2 bit ในวงจรผสมสัญญาณ IQ Modulator จะมีสองสัญญาณ คือ I และ Q ซึ่งจะต้องป้อนเข้าวงจรผสมสัญญาณพร้อมกัน ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้โดยการรวมเวกเตอร์ Q และ I เข้าด้วยกัน สัญญาณที่ได้เป็นผลลัพธ์ จะมาจากผลรวมของเวกเตอร์ I และ Q ข้อมูลของสัญญาณ QPSK นั้นสามารถส่งได้โดยการส่งเฟสต่าง ๆ ของสัญญาณ คือ 45, 125, 225, 315 องศา ด้วยขนาดแรงดันค่าเดียว และมีสองขั้ว คือบวก และ ลบ
คือการผสมสัญญาณที่มีการผสมทางเฟส และขนาดพร้อมกัน โดยสามารถผสมสัญญาณ ได้ครั้งละ 4 bitทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดและเฟสของคลื่นพาหะได้ทั้งหมด 16 แบบดังแสดงในรูปที 4 โดยแต่ละตำแหน่งเรียกว่า Symbol และ เมื่อเรียงตัวกันดังในภาพจะดูเหมือนกลุ่มดาว ดังนั้น ไดอะแกรมที่แสดงนี้ เรียกอีกอย่างว่าเป็น Constellation
1. เข้าโปรแกรม IQ TUTOR โดยใช้ชื่อไฟล์ IQTUTOR.EXE
2. หลังจากเห็นข้อความแนะนำโปรแกรม กด Spacebar เพื่อผ่านต่อไป
3. ในหน้านี้ สามารถใช้ลูกศร ขึ้น – ลง เพื่อเปลี่ยนจากบล็อกเป็นรูปสัญญาณ เป็นข้อความและสามารถใช้ลูกศร เลื่อนซ้าย-ขวา ขึ้น-ลง หรือ EDIT เพื่อแก้ไขตัวแปรในการทดลอง
การทดลองที่ 1 : เรื่อง การเปรียบเทียบค่า Signal to Noise Ratio (SNR) กับ ค่าความเป็นไปได้ของอัตราความผิดพลาดข้อมูล (Probability of Error, Pe)
กำหนด Modulation = BPSK Filter Alpha = 0.1 SNR = 6 (ไม่มีข้อความ HPA Impairment on หรือ Multipath fade on)
4. หลังจากกำหนดตัวแปรต่าง ๆตามที่ต้องการแล้ว กด Enter เพื่อให้ระบบทำงาน จะมีข้อความ "working" หมายความว่า ค่าต่างๆที่เราต้องการได้มีการปรับเรียนร้อยแล้ว
5. สามารถดูค่า P(e) ได้ที่ Detector Output บันทึกค่าไว้
6. ทำการทดลองซ้ำอีกครั้ง โดยใช้ค่าตามตารางที 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 เป็นการเพิ่มสัญญาณรบกวนเข้าในระบบ
7. บันทึกผล รูปในแกนเวลา
8. บันทึกลักษณะของ Vector diagram
9. ทำการทดลองเช่นเดียวกันนี้กับสัญญาณ 16QAM
การทดลองที่ 3 : Multipath & Curves
ในการเดินทางของคลื่นวิทยุผ่านระยะทางไกลในอากาศคลื่นที่เดินทางมายังเครื่องรับ ส่วนใหญ่มาทางลำคลื่นหลัก (Main beam) บางส่วนมาจากการสะท้อน (Reflections) บางส่วนมาจากการหักเห (Refraction) ทำให้เกิดการเดินทางจากหลายเส้นทาง (Multipath Propagation) เมื่อเครื่องรับสัญญาณได้จะเป็นผลรวมของคลื่นจากทิศทางต่าง ๆ ผลของ Multipath จะมีมาก เมื่อมีการสะท้อน หรือ และหักเหมากขึ้น ผลของ Multipath ที่สามารถสังเกตได้ คือ ทำให้รูสัญญาณผิดเพี้ยน (Distortion) เกิดการจางหายของสัญญาณ (Fading) ในระบบสื่อสารวิทยุแบบอนาลอกมีผลทำให้ S/N มีค่าลดลง ในระบบดิจิตอลมีผลทำให้ค่าความผิดพลาดของข้อมูลมากขึ้น ในการทดลองนี้เราจะศึกษา ในบางช่วงความถี่ของแบนวิดธ์เครื่องรับ
ขั้นตอนการทดลอง :
1. เลื่อนภาพไปดูที่ Demodulator Output จากนั้นดูที่แกนเวลา กด E เพื่อ Edit ค่าต่าง ๆ ดังนี้ QPSK , SNR = 40 , Filter Alpha = 0.3 ยังไม่ต้องกด Enter
2. กด D เพื่อเข้าสู่หน้าจอ Advance Design กดลูกศรขึ้นเพื่อเปลี่ยนค่า Delay = 16.6 ns (Delay = ค่าเวลาที่แตกต่างระหว่างสัญญาณจริงที่มาถึงก่อน และสัญญาณที่สะท้อนมาทีหลัง) ทำให้เกิดการ Notch ขึ้นทุกๆ 1/16.6 ns หรือ 60 MHz)
3. กดลูกศรขึ้นเพื่อเปลี่ยนค่า depth = 40 dB (เพื่อเปลี่ยนค่าความแตกต่างขนาด) สังเกตค่า Notch ที่เกิดขึ้น
4. เลือนลูกศรไปทางซ้ายเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งของ Notch เลื่อนลูกศรขึ้น เพื่อเปลี่ยนตำแหน่งไป 100%
5. บันทึกผล
ผลการทดลอง :
การทดลองที 1 : เรื่อง การเปรียบเทียบค่า Signal to Noise Ratio (SNR) กับ ค่าความเป็นไปได้ของอัตราความผิดพลาดข้อมูล (Probability of Error, Pe)
ตารางที่ 1 BPSK
ตารางที่ 2 QPSK
หมายเหตุ : ที่ dB สูงๆ error มีค่าน้อยมากจนเครื่องไม่สามารถวัดได้
ตารางที่ 3 16QAM
การทดลองที่ 2 : การศึกษาเรื่อง Noise, Errors และ I-Q Vector Diagram
- BPSK เมื่อ SNR = 40, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 6 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 7 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Eye Diagram
เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 8 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5
- BPSK เมื่อ SNR = 8, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 9 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อตั้งค่า SNR = 8
รูปที่ 10 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Eye Diagram
เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 11 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5
- 16QAM เมื่อ SNR = 40, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 12 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา
เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 13 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Eye Diagram
เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 14 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5
- 16QAM เมื่อ SNR = 8, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 15 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อตั้งค่า SNR = 8
รูปที่ 16 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Eye Diagram
เมื่อ 16QAM, SNR = 8, Filter Alpha 0.5
รูปที่ 17 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /
เมื่อ 16QAM, SNR = 8, Filter Alpha 0.5
การทดลองที่ 3 : Multipath & Curves
รูปที่ 18 รูปแสดงลักษณะโปรแกรม
เมื่อตั้งค่า QPSK , SNR = 40 , Filter Alpha = 0.3
รูปที่ 19 รูปแสดงลักษณะโปรแกรม เมื่อกดปุ่ม D
เข้าหน้าจอ Advance Design และเปลี่ยนค่า Delay = 16.6 ns
รูปที่ 20 รูปแสดงลักษณะโปรแกรม เมื่อกดปุ่ม D
เข้าหน้าจอ Advance Design และเปลี่ยนค่า depth = 40 dB
รูปที่ 21 รูปแสดงลักษณะโปรแกรม เมื่อกดปุ่ม D
เข้าหน้าจอ Advance Design และเปลี่ยนค่า depth = 40 dB
วิจารณ์ผลการทดลอง
ในการทดลองมีการใช้โปรแกรมจำลองแทนการใช้อุปกรณ์จริง ซึ่งตัวโปรแกรมมีค่าพารามิเตอร์ที่ให้ปรับได้และดูผลสัญญาณได้ทุกจุด เช่น การเปลี่ยนค่า Modulation type ตามที่ต้องการที่จะทดลอง การปรับค่า Signal to Noise Ratio (SNR) และการปรับค่าFilter Alpha เป็นต้น ซึ่งเป็นการทดลองแบบนี้มีความสะดวกต่อการศึกษา
การทดลองที่ 1 การทดลองทั้งสามแบบคือ BPSK, QPSK และ 16QAM นั้นมีผลที่ได้เหมือนกันคือ ยิ่งค่า SNR สูงเท่าไหร่ ค่าความน่าจะเป็นที่สัญญาณจะผิดพลาดนั้นจะมีแนวโน้มลดลงเรื่อยๆ
การทดลองที่ 2 การทดลองในตอนแรกนั้นจะเริ่มจากการใช้ค่า S/N สูงประมาณ 40 dBผลที่ได้คือมีจำนวน NOISE ในสัญญาณเล็กน้อยเมื่อดูผลจากทาง Eye Diagram ทั้งสองแบบแล้ว แต่เมื่อเราปรับลดค่า S/N เป็น 8dB แล้วทำให้ NOISE นั้นเพิ่มขึ้นมาก สังเกตได้จากรูปเวกเตอร์ที่มีจุดในแต่ละจุด โดยใน BPSK นั้น Phase ต่างกันอยู่ 180 จุดกลุ่มจุดนั้นจึงไม่มาปะปนกัน แต่ 16QAM นั้นปกติจะมีจุดเวกเตอร์ทั้งหมด 16 จุด และเมื่อมีผลของสัญญาณรบกวนที่จุดกลุ่มดาวแล้วจะทำให้แยกค่าของสัญญาณได้ยากขึ้นเป็นผลทำให้เกิด BIT ERROR ขึ้นเป็นจำนวนมาก
การทดลองที่ 3 จากการทดลองจะเห็นได้ว่าเมื่อสัญญาณที่มี DELAY มาผสมแล้วสัญญาณจริงที่ได้มีการหายไปบางส่วนเพราะการหักล้างของสัญญาณตามค่า DEPTH ที่เราปรับและจะมีจำนวนมากน้อยขึ้นกับค่า DELAY ที่เราปรับโดยการเลื่อนตำแหน่ง ซึ่งผลเหล่านี้จะเป็นตัวอย่างของสัญญาณแต่ละ PATH ที่ส่งผลกระทบต่อการรับสัญญาณของเราซึ่งเราควรนำมาพิจารณาด้วยนอกเหนือจากการพิจารณา NOISE เพียงอย่างเดียว
การทดลองที่ 1 การทดลองทั้งสามแบบคือ BPSK, QPSK และ 16QAM นั้นมีผลที่ได้เหมือนกันคือ ยิ่งค่า SNR สูงเท่าไหร่ ค่าความน่าจะเป็นที่สัญญาณจะผิดพลาดนั้นจะมีแนวโน้มลดลงเรื่อยๆ
การทดลองที่ 2 การทดลองในตอนแรกนั้นจะเริ่มจากการใช้ค่า S/N สูงประมาณ 40 dBผลที่ได้คือมีจำนวน NOISE ในสัญญาณเล็กน้อยเมื่อดูผลจากทาง Eye Diagram ทั้งสองแบบแล้ว แต่เมื่อเราปรับลดค่า S/N เป็น 8dB แล้วทำให้ NOISE นั้นเพิ่มขึ้นมาก สังเกตได้จากรูปเวกเตอร์ที่มีจุดในแต่ละจุด โดยใน BPSK นั้น Phase ต่างกันอยู่ 180 จุดกลุ่มจุดนั้นจึงไม่มาปะปนกัน แต่ 16QAM นั้นปกติจะมีจุดเวกเตอร์ทั้งหมด 16 จุด และเมื่อมีผลของสัญญาณรบกวนที่จุดกลุ่มดาวแล้วจะทำให้แยกค่าของสัญญาณได้ยากขึ้นเป็นผลทำให้เกิด BIT ERROR ขึ้นเป็นจำนวนมาก
การทดลองที่ 3 จากการทดลองจะเห็นได้ว่าเมื่อสัญญาณที่มี DELAY มาผสมแล้วสัญญาณจริงที่ได้มีการหายไปบางส่วนเพราะการหักล้างของสัญญาณตามค่า DEPTH ที่เราปรับและจะมีจำนวนมากน้อยขึ้นกับค่า DELAY ที่เราปรับโดยการเลื่อนตำแหน่ง ซึ่งผลเหล่านี้จะเป็นตัวอย่างของสัญญาณแต่ละ PATH ที่ส่งผลกระทบต่อการรับสัญญาณของเราซึ่งเราควรนำมาพิจารณาด้วยนอกเหนือจากการพิจารณา NOISE เพียงอย่างเดียว
สรุปผลการทดลอง
การทดลองนี้เป็นการศึกษาการผสมสัญญาณดิจิตอลชนิดต่างๆไม่ว่าจะเป็น BPSK, QPSK, 16QAM และศึกษาผลของลักษณะการตอบสนองความถี่ของฟิลเตอร์ในวงจรที่มีต่อสัญญาณ และที่สำคัญเป็นศึกษาความสัมพันธ์ของค่า SNR ต่อความน่าจะเป็นที่สัญญาณจะผิดพลาด ซึ่งจากการทดลองทั้ง 3 ตอนเราสามารถสรุปได้ดังนี้
การทดลองที่ 1 เป็นการทดลองเพื่อศึกษาหาความสัมพันธ์ระหว่างค่า SNR (Signal to Noise Ratio) กับ ค่าความน่าจะเป็นที่สัญญาณจะผิดพลาด (Probability of Error, Pe) โดยมีการผสมสัญญาณทั้ง 3 แบบคือ BPSK , QPSK , 16QAM
>> BPSK- เป็นการส่งสัญญาณที่มีเฟสต่างกัน 180 องศา (0,1) และมีค่า Amplitude เดียวกัน ทำให้การส่งสัญญาณแบบนี้สามารถแยกสัญญาณรบกวนออกได้อย่างชัดเจน แต่จำส่งผลให้เปลือง bandwidth ในการส่งเนื่องจากทำการส่งทีละ bit
>> QPSK- เป็นการส่งสัญญาณที่มีเฟสต่างกัน 90 องศา (00,01,11,10) และมีค่า Amplitude เดียวกัน การส่งแบบนี้มีโอกาสผิดพลาดมากกว่า BPSK เนื่องจากเมื่อส่งbitมากขึ้นจะทำให้มีจุดอยู่ใกล้กันมากขึ้น เมื่อมีสัญญาณรบกวนจะทำให้แยกสัญญาณผิดพลาดได้
>> 16QAM - เป็นการส่งสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงทั้ง Amplitude และ Phase ทำให้สามารถส่งสัญญาณได้มากขึ้นประหยัด bandwidth และ เป็นที่นิยม
ซึ่งจากตารางการทดลองยิ่งค่า SNR สูง ค่า error ก็จะยิ่งน้อยลง
การทดลองที่ 2 เป็นศึกษาเกี่ยวกับผลของ NOISE, Errors จากการผสมสัญญาณทั้งแบบ BPSK และ 16QAM โดยพิจารณาจาก IQ- VECTOR DIAGRAM การทดลองนี้ทำให้เห็นภาพของสัญญาณรบกวนที่ส่งผลต่อการผสมสัญญาณทั้ง2แบบ BPSK และ 16QAM ว่า NOISE มีผลอย่างไร ซึ่ง BPSK นั้นสามารถทนต่อ NOISE ได้ดีที่สุด
การทดลองที่ 3 เป็นการทดลองเพื่อศึกษาผลของสัญญาณที่เดินทางมาถึงจุดรับโดยพิจารณาเฉพาะสัญญาณที่เป็น ลำคลื่นหลัก ( DIRECT BEAM ) ซึ่งจะมีการหักเหหรือการสะท้อนบ้างระหว่างการเดินทางของคลื่นทั้งตัวส่งและตัวรับ สัญญาณบางส่วนนั้นจึงเกิดการ DELAY ขึ้นเมื่อเดินทางมายังตัวรับก็จะมารวมกับสัญญาณที่เป็นลำคลื่นหลัก ( DIRECT BEAM ) ซึ่งส่งผลถึงการหักล้างหรือเสริมกันของคลื่นสัญญาณ
การทดลองนี้เป็นการศึกษาการผสมสัญญาณดิจิตอลชนิดต่างๆไม่ว่าจะเป็น BPSK, QPSK, 16QAM และศึกษาผลของลักษณะการตอบสนองความถี่ของฟิลเตอร์ในวงจรที่มีต่อสัญญาณ และที่สำคัญเป็นศึกษาความสัมพันธ์ของค่า SNR ต่อความน่าจะเป็นที่สัญญาณจะผิดพลาด ซึ่งจากการทดลองทั้ง 3 ตอนเราสามารถสรุปได้ดังนี้
การทดลองที่ 1 เป็นการทดลองเพื่อศึกษาหาความสัมพันธ์ระหว่างค่า SNR (Signal to Noise Ratio) กับ ค่าความน่าจะเป็นที่สัญญาณจะผิดพลาด (Probability of Error, Pe) โดยมีการผสมสัญญาณทั้ง 3 แบบคือ BPSK , QPSK , 16QAM
>> BPSK- เป็นการส่งสัญญาณที่มีเฟสต่างกัน 180 องศา (0,1) และมีค่า Amplitude เดียวกัน ทำให้การส่งสัญญาณแบบนี้สามารถแยกสัญญาณรบกวนออกได้อย่างชัดเจน แต่จำส่งผลให้เปลือง bandwidth ในการส่งเนื่องจากทำการส่งทีละ bit
>> QPSK- เป็นการส่งสัญญาณที่มีเฟสต่างกัน 90 องศา (00,01,11,10) และมีค่า Amplitude เดียวกัน การส่งแบบนี้มีโอกาสผิดพลาดมากกว่า BPSK เนื่องจากเมื่อส่งbitมากขึ้นจะทำให้มีจุดอยู่ใกล้กันมากขึ้น เมื่อมีสัญญาณรบกวนจะทำให้แยกสัญญาณผิดพลาดได้
>> 16QAM - เป็นการส่งสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงทั้ง Amplitude และ Phase ทำให้สามารถส่งสัญญาณได้มากขึ้นประหยัด bandwidth และ เป็นที่นิยม
ซึ่งจากตารางการทดลองยิ่งค่า SNR สูง ค่า error ก็จะยิ่งน้อยลง
การทดลองที่ 2 เป็นศึกษาเกี่ยวกับผลของ NOISE, Errors จากการผสมสัญญาณทั้งแบบ BPSK และ 16QAM โดยพิจารณาจาก IQ- VECTOR DIAGRAM การทดลองนี้ทำให้เห็นภาพของสัญญาณรบกวนที่ส่งผลต่อการผสมสัญญาณทั้ง2แบบ BPSK และ 16QAM ว่า NOISE มีผลอย่างไร ซึ่ง BPSK นั้นสามารถทนต่อ NOISE ได้ดีที่สุด
การทดลองที่ 3 เป็นการทดลองเพื่อศึกษาผลของสัญญาณที่เดินทางมาถึงจุดรับโดยพิจารณาเฉพาะสัญญาณที่เป็น ลำคลื่นหลัก ( DIRECT BEAM ) ซึ่งจะมีการหักเหหรือการสะท้อนบ้างระหว่างการเดินทางของคลื่นทั้งตัวส่งและตัวรับ สัญญาณบางส่วนนั้นจึงเกิดการ DELAY ขึ้นเมื่อเดินทางมายังตัวรับก็จะมารวมกับสัญญาณที่เป็นลำคลื่นหลัก ( DIRECT BEAM ) ซึ่งส่งผลถึงการหักล้างหรือเสริมกันของคลื่นสัญญาณ
