IQ Tutor

วัตถุประสงค์

1. ศึกษาการผสมสัญญาณดิจิตอลชนิดต่างๆ เช่น BPSK QPSK 16QAM
2. ศึกษาผลของลักษณะการตอบสนองความถี่ของฟิลเตอร์ที่มีต่อสัญญาณ
3. ศึกษาผลของ BER Vs. SNR
4. ศึกษาเรื่องของ Muiltipath

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

BPSK

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

QPSK

QPSK หรือ Quadrature Phase Shift Keying สามารถที่จะส่งสัญญาณที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีเฟสแตกต่าง

กันได้ 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

16QAM

คือการผสมสัญญาณที่มีการผสมทางเฟส และขนาดพร้อมกัน โดยสามารถผสมสัญญาณ ได้ครั้งละ 4 bit

ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดและเฟสของคลื่นพาหะได้ทั้งหมด 16 แบบดังแสดงในรูปที 4 โดยแต่ละ

ตำแหน่งเรียกว่า Symbol และ เมื่อเรียงตัวกันดังในภาพจะดูเหมือนกลุ่มดาว ดังนั้น ไดอะแกรมที่แสดงนี้ เรียกอีกอย่างว่าเป็น Constellation

ขั้นตอนการทดลอง

1. เข้าโปรแกรม IQ Tutor โดยใช้ชื่อไฟล์ IQTUTORC.EXE

2. หลังจากเห็นข้อความแนะนำโปรแกรม กด Spacebar เพื่อผ่านต่อไป

3. ในหน้านี้ สามารถใช่ลูกศร ขั้น ลง เพื่อเปลี่ยนจากบล็อกเป็นรูปสัญญาณเป็นข้อความ และ สามารถ

ใช้ลูกศร เลื่อนซ้าย ขวา ขึ้น ลง หรือ EDIT เพื่อแก้ไขตัวแปรในการทดลอง

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

กำหนด Modulation = BPSK Filter Alpha =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 ส่วนใหญ่มาทาง

ลำคลื่นหลัก (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

SNR (dB)	Errors	Errors/100 = P(e)
6	0.369	0.00369
4	1.865	0.01895
2	6.003	0.06003
0	13.062	0.13062
-2	20.663	0.20663

ตารางที่ 2 QPSK

SNR (dB)	Errors	Errors/100 = P(e)
16	0.001	0.00001
14	0.001	0.00001
12	0.001	0.00001
10	0.001	0.00001
8	0.132	0.00001

ตารางที่ 3 16QAM

SNR (dB)	Errors	Errors/100 = P(e)
8	33.497	0.33497
6	48.978	0.48978
4	59.566	0.59566
2	63.096	0.63096
0	66.834	0.66834

ตารางที่ 4  ผลการเปรียบเทียบระหว่าง SNR Vs. P(e) สำหรับการผสมทั้งสามแบบ

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

รูปที่ 6 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา

เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 7 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector

เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 8 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /

เมื่อ BPSK, SNR = 40, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 9 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อตั้งค่า SNR = 8

รูปที่ 10 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector

เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 11 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /

เมื่อ BPSK, SNR = 8, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 12 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในโดเมนเวลา

เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 13 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector

เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 14 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดปุ่ม /

เมื่อ 16QAM, SNR = 40, Filter Alpha 0.5

รูปที่ 15 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อตั้งค่า SNR = 8

รูปที่ 16 รูปแสดงลักษณะโปรแกรมเมื่อกดดูสัญญาณ IQ ในรูป Vector
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

            โปรแกรมIQ tutor เป็นโปรแกรมการจำลองสัญญาณที่สามารถรับค่าตัวแปรต่างๆของสัญญาณได้ และยังสามารถดูผลของสัญญาณได้ง่าย ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณ IQ ในรูปโดเมนของเวลา หรือ เวกเตอร์ก็ตาม ทำให้ผู้ทำการทดลองสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงต่างๆของสัญญาณตามค่าตัวแปรที่ป้อนได้โดยไม่ต้องทำการทดลองจริงซึ่งอาจทำให้เกิดความยุ่งยากซับซ้อน การใช้โปรแกรมนี้ทำให้ศึกษาได้สะดวกและรวดเร็วยิ่งขึ้น และประหยัดเวลา

สรุปผลการทดลอง

การทดลองที่ 1 การเปรียบเทียบค่า signal to Noise Ratio (SNR) กับ ค่าความเป็นไปได้ของอัตราความผิดพลาดข้อมูล (Probability of Error, Pe)  ของการผสมสัญญาณทั้ง 3 แบบ คือ BPSK QPSK และ  16QAM จะพบว่าที่ระดับ SNR เท่ากัน BPSK จะมีอัตราความผิดพลาดข้อมูลน้อยที่สุด ตามด้วย QPSK และ 16QAM

การทดลองที่ 2 ศึกษาเรื่อง Noise, Errors และ I-Q Vector Diagram ทดลองด้วยการส่งสัญญาณ BPSK และ 16QAMเมื่อดูสัญญาณในรูปเวกเตอร์ และแบบจุดพบว่า ที่ SNR = 40 จะทนต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า SNR = 8 สังเกตจากเวกเตอร์ที่เป็นระเบียบกว่า และแบบจุดที่กระจายน้อยกว่า จากการเปรียบเทียบทั้งสองสัญญาณแล้วพบว่า BPSK ทนต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่า 16QAM ไม่ว่า SNR จะสูงหรือต่ำก็ตาม

 การทดลองที่ 3  เรื่อง Multipath & Curves พบว่าสัญญาณที่เดินทางมายังจุดรับบางส่วนเกิดการ delay จึงไปรวมกับสัญญาณที่เกิดจากการหักเหหรือสะท่อนระหว่างการเดินทางจุดส่งไปยังจุดรับ ส่งผลให้เกิดการหักล้างกัน ตามค่า depth ซึ่งจำนวนมากน้อยนั้นขึ้นกับค่า delay ตัวแปรต่างๆนี้จึงส่งผลกระทบต่อการรับสัญญาณที่เราพิจารณาด้วย