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2007/Dec/12

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2

Modulation and Detection

• Why modulation?– Transmission lines and antenna concerns.– Communication spectrum distribution.– Simpler receiving circuits in non-ideal communication channel.

ω ω0 Cω− Cω+0Figure 3.1 (a) Baseband and (b) passband signals.

Modulator Channel DemodulatorBasebandSignal

DetectedSignal

Transmitter Receiver

Figure 3.2 Simple communication system.

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3

Analog Modulation

• Amplitude Modulation

t

t

t

ω ω0 Cω− Cω+0Figure 3.4 Amplitude modulation in (a) time domain, (b) frequency domain.

ωCω− Cω+0

)(AM tx

tCωcos

LPFinV outV1C 1R

Figure 3.5 AM detectors.

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4

Analog Modulation

• Phase and Frequency Modulation (PM & FM)

t

t

t

)(txBB

)(txPM

)(txFM

Figure 3.6 Phase- and frequency-modulated waveforms corresponding to a square wave baseband signal.

Figure 3.7 Simple frequency modulator.

)(BB tx )(FM tx

Voltage-Controlled Oscillator

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5

Analog Modulation

• Phase and Frequency Modulation (PM & FM)

t tinV outV

1C1R

Figure 3.8 Simple frequency demodulator.

ω0 ωCω

)(BB fx )(FM fx

ωCω

)(FM fx

ωmω0mω−

mC ωω +mC ωω −

)(BB fx)a(

)b(

Figure 3.9 Narrowband FM with (a) random and (b) sinusoidal modulation.

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6

Digital Modulation

• Signal

• ASK

• PSK

• FSK

t

t

t

t

Signal constellations

[ ] ( ) ( )[ ]LL xxtx 2121)( φφαα ⋅=

CA+

CA+

1α0 CA+CA−

1α0 CA+

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7

Digital Modulation

• Binary and M-ary Signaling

0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0

01 0110 10

00

11

00

t

BinaryData

4-LevelData

Figure 3.13 Four-level digital representation of a binary stream.

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8

Digital Modulation

• Effect of Noise

• ASK

• FSK

t

Signal constellations

1α0 CA+

t

CA+

CA+DecisionBoundary

1α0 CA+CA−

BPSK 1α

2α2CA

+

2CA

+

2CA

−2CA

QPSK QAM

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9

Digital Modulation

• BPSK

1α0 CA+CA−

tAtp CC 1 cos)( ω+=

tAtp CC 2 cos)( ω−=

BasebandData

)(BPSK tx

)(BPSK tx

tA CC ωcos2

∫bT

0

bT(a)(b)

BasebandData

(c)

Figure 3.29 BPSK (a) modulator, (b) constellation, (c) demodulator.

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Digital Modulation

• QPSK

BinaryBaseband

Data

S/PConverter

tC cosωtC sinω )(tx

A

B

∫bT

0

∫bT

0

P/SConverter

)(QPSK tx tC cosωtC sinω

BasebandData

ST

ST

Figure 3.32 Quadrature modulation.

Figure 3.34 Coherent QPSK detection.

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Multiple Access Techniques

• Mobile RF Communication

1f

1f

1f

1f

1f

1f

1f

2f1f 2f

1f

mobile unit(hand-held unit)

base station

downlink (forward channel)

uplink(reverse channel)

Figure 4.1 (a) Simple cellular system, (b) 7-cell reuse pattern.

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12

Multiple Access Techniques

1f

1f

1f

1f

1f

Figure 4.2 Cochannel interference.

Cell A

Cell B

MTSO

Figure 4.2 Problem of handoff.

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Multiple Access Techniques

• Diversity– Space diversity– Frequency diversity– Time diversity

Direct Path

Reflective Path)log(loss

d

41

Figure 4.4 Indirect signal propagation and resulting loss profile.

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Multiple Access Techniques

Figure 4.8 Time-division of duplexing.

Figure 4.9 Frequency-division of duplexing.

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Multiple Access Techniques

• Frequency-Division Multiple Access

• Time-Division Multiple Access

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Multiple Access Techniques

• Code-Division Multiple Access– Direct-Sequence CDMA

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17

Multiple Access Techniques

• Code-Division Multiple Access– Direct-Sequence CDMA

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Multiple Access Techniques

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Multiple Access Techniques

• Frequency-Hopping CDMA

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Wireless Standards

• Advanced Mobile Phone Service (1G Cellular Systems)– Frequency-Division Multiple Access– Analog FM

Figure 4.17 (a) AMPS air interface, (b) duplexer characteristics.

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Wireless Standards

• North American Digital Standard (NADC; 2G Cellular system)

Figure 4.18 NADC (a) air interface, (b) frame structure, (c) TX and RX time slots.

− Digital modulation− TDMA / FDM− IS-54 / IS-136 digital standard

1850−1910 MHz

1930−1990 MHz

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Wireless Standards

• Global System for Mobile Communication (2G Cellular system)– Digital modulation– TDMA / FDM

Figure 4.19 GSM (a) air interface and (b) frame structure.

DCS-1800: 1710−1785 MHzPCS-1900: 1850−1910 MHz

DCS−1800: 1805-1880 MHzPCS−1900: 1930-1990 MHz

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Wireless Standards

• Qualcomm CDMA (2G)– Digital modulation– CDMA / FDM

2110−2170 MHz (Asia)1930−1990 MHz

1920−1980 MHz (Asia)1850−1910 MHz

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Wireless Standards

• Digital European Cordless Telephone (2G Cellular system)– Digital modulation– TDMA / FDM

Figure 4.22 DECT (a) air interface and (b) frame structure.

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Wireless Standards

• 2G → 3G (144 kb/s in-vehicle, 384 kb/s for pedestrians)• 2.5G: General Packet Radio Service

Enhanced Data rate for Global Evolution

• Non-cellular Wireless Applications– IEEE 802.11 (WiFi)– Bluetooth– WPAN– Ultra-Wide Band (normalized bandwidth > 25%)– Multiple-Input Multiple-Output

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Wireless Standards

• Summary of IEEE 802.11b/g and 802.11a

Mb/s 545.5 MS/s; 12

Mb/s 54for QAM-64 :OFDMTDD

CSMA/CAgoverlappin-non 12

MHz 20 :OFDMMHz 58255725MHz 53505150

802.11a

gfor Mb/s 54bfor Mb/s 11or 2 ,1

OFDM) :(802.11g0.5 GFSK, :FHSS

TDDCSMA/CA

goverlappin-non 3MHz 25 :DSSS / 1MHz :FHSS

MHz 5.24832400802.11b/g

rate symbolor Bit

ModulationmethodDuplex Access Multiple

channels ofNumber spacing Channel

range Frequency Parameter

−−

=

BT

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27

Wireless Standards

• Summary of Bluetooth

MS/s 1GFSK

active) (7 200TDD

Hopping Frequency 79

MHz 1MHz 24802402

Europe ofmost America,North

rate SymbolModulation

channelper UsersmethodDuplex Access Multiple

channels ofNumber spacing Channel

range Frequency Parameter

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Wireless Standards

• Wireless Personal Area Network• Summary of IEEE 802.15.4 (“ZigBee”)

kb/s 2500.5 GFSK,

255FDD

TDMAMHz 5

MHz 24722412Europe

kb/s 400.5 OQPSK,

255FDD

CSMA/CAMHz 5

MHz 928902AmericaNorth

kb/s 2500.5 OQPSK,

255FDD

CSMA/CAMHz 5

MHz 24802402AmericaNorth

rate SymbolModulation

channelper UsersmethodDuplex Access Multiplespacing Channel

range Frequency Parameter

=

=

=

BTBTBT