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Transmission studies related to serial data highways

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Academic year: 2020

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(1)

U N I V E R S I T Y O F S O U T H A M P T O N

F A C U L T Y O F E N G I N E E R I N G A N D A P P L I E D S C I E N C E

E L E C T R O N I C S

TRANSMISSION S T U D I E S R E L A T E D TO S E R I A L D A T A

HIGHWAYS

by

J a m e s K w a b e n a O p p o n g

T h e s i s s u b m i t t e d f o r t h e D e g r e e of D o c t o r of P h i l o s o p h y

(2)
(3)

1

-U N I V E R S I T Y O F S O -U T H A M P T O N A B S T R A C T

F A C U L T Y O F E N G I N E E R I N G A N D A P P L I E D S C I E N C E E L E C T R O N I C S

D o c t o r of P h i l o s o p h y

T R A N S M I S S I O N S T U D I E S R E L A T E D TO S E R I A L D A T A HIGHWAYS

by

J a m e s K w a b e n a O p p o n g

T h i s t h e s i s i s a c o m p r e h e n s i v e i n v e s t i g a t i o n of t h e t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e of b o t h b a s e b a n d a n d m o d u l a t e d c a r r i e r s e r i a l d a t a h i g h w a y s y s t e m s . In p a r t i c u l a r t h e e f f e c t s of t h e t e r m i n a l l o a d s on t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e a n d t h e r e l a t i v e c o m p a r i s o n of t h e t w o s y s t e m s i s c o n s i d e r e d .

R e s u l t s of i n v e s t i g a t i o n s of t h e p r o p e r t i e s a n d p e r f o r m a n c e of t h e t w o b i t - r e l a t e d b a s e b a n d c o d e s u s e d f o r t h e h i g h w a y s i g n a l l i n g a r e p r e s e n t e d .

E x p e r i m e n t a l t e s t s c a r r i e d out to i d e n t i f y t h e e f f e c t s of l o a d i n g on a b a s e b a n d s y s t e m a r e d e s c r i b e d . T w o s i m p l e t h e o r i e s w h i c h a t t e m p t t o p r e d i c t t h e c u m u l a t i v e a t t e n u a t i o n , a n d t h e o v e r a l l f r e q u e n c y r e s p o n s e of t h e l o a d e d l i n e a r e p r e s e n t e d .

A m o d e l f o r c o m p u t e r s i m u l a t i o n of t h e b a s e b a n d s y s t e m , w h i c h w a s d e v e l o p e d to s t u d y t h e r e s p o n s e s u n d e r v a r i o u s l o a d i n g

c o n d i t i o n s i s d e s c r i b e d . T h e r e s u l t s of i n v e s t i g a t i o n s u s i n g t h i s m o d e l a r e p r e s e n t e d .

T e s t s c a r r i e d out to v e r i f y t h e p e r f o r m a n c e of a n e x p e r i m e n t a l m o d u l a t e d c a r r i e r s y s t e m a r e r e p o r t e d . D e s i g n of t h e e x p e r i m e n t a l s y s t e m w h i c h u s e s a n a r r o w b a n d m o d u l a t i o n t e c h n i q u e i s p r e s e n t e d in d e t a i l . P r o c e d u r e s f o r t h e d e s i g n of t h e c o u p l i n g n e t w o r k

(4)

11

-A C K N O W L E D G E M E N T S

I w i s h to t h a n k M r . D, G. A p p l e b y f o r h i s i n v a l u a b l e s u p e r v i s i o n a n d g u i d a n c e , a n d a l s o t h e M i n i s t r y of D e f e n c e ( P r o c u r e m e n t E x e c u t i v e ) f o r f i n a n c i a l s u p p o r t f o r t h i s w o r k .

(5)

IXX

-C O N T E N T S

P a g e N o .

A B S T R A C T

A C K N O W L E D G E M E N T S

1. ifJTrR()i)Uc:ri(3i^^ i

1 . 1 B a c k g r o u n d 1

1 . 1 . 1 G e n e r a l 1

1 . 1 . 2 B a s e b a n d S e r i a l H i g h w a y L o a d i n g

P r o b l e m %

1. 1. 3 M o d u l a t e d C a r r i e r H i g h w a y S y s t e m s 3

1. 2 An A c c o u n t of t h e P r e s e n t I n v e s t i g a t i o n 3

1 . 2 . 1 S c h e m e of S t u d i e s 3

1. 2 . 2 T h e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e of

t h e B a s e b a n d S i g n a l l i n g C o d e s 4

1. 2 . 3 T h e L o a d i n g of B a s e b a n d P a s s i v e

S e r i a l H i g h w a y s 4

1 . 2 . 4 D e s i g n a n d P e r f o r m a n c e E v a l u a t i o n

of t h e M o d u l a t e d C a r r i e r S e r i a l

H i g h w a y S y s t e m 5

7

7 2 . B A S E B A N D D E S I G N S T U D I E S

2. 1 I n t r o d u c t i o n

2 . 2 T h e o r y of P M a n d F M C o d i n g g

2 . 2 . 1 W a v e f o r m s g

2 . 2 . 2 S p e c t r a 9

2 . 2 . 3 E r r o r P r o b a b i l i t i e s l O

(6)

- I V

2 . 3 . 1 D e t e c t i o n a n d D e c o d i n g T e c h n i q u e s 12

2. 3 . 2 B i t E r r o r R a t e T e s t s 14

2, 3. 3 M e s s a g e E r r o r R a t e T e s t s 21

2 . 4 R e c e i v e r I n p u t F i l t e r i n g 2 5

2 . 4 . 1 O p t i m u m F i l t e r C u t - O f f F r e q u e n c y

2 . 4 . 2 I n t e r s y m b o l I n t e r f e r e n c e

2 6 28

E X P E R I M E N T A L L O A D I N G S T U D I E S 53

3 . 1 I n t r o d u c t i o n ^ 3

3 . 2 T h e o r y 53

3 . 2 . 1 M i s m a t c h A t t e n u a t i o n 53

3 . 2 . 2 F r e q u e n c y R e s p o n s e 5 4

3. 2 . 3 C a l c u l a t i o n s 55

3 . 3 E x p e r i m e n t a l T e s t s 56

3 . 3 . 1 G e n e r a l 56

3 . 3 . 2 M e a s u r e m e n t S y s t e m 5 6

3 . 3 . 3 T e s t P r o c e d u r e s 57

3 . 3 . 4 R e s u l t s 5 8

3 . 4 C o n c l u s i o n s 61

C O M P U T E R S I M U L A T I O N : S T U D I E S 7 0

4 . 1 I n t r o d u c t i o n 7 0

4 . 1 . 1 R e v i e w of E x i s t i n g M e t h o d s 7 0

4 . 1. 2 M e t h o d of S o l u t i o n U s e d 7 0

4 . 2 L a p l a c e T r a n s f o r m M e t h o d 7 2

4 . 2 . 1 T i m e R e s p o n s e ? ^

4. 3 N u m e r i c a l M e t h o d 7 4

(7)

V

4 . 3. 2 M o d e l D e s c r i p t i o n

4 . 3. 3 M o d e l S o l u t i o n T e c h n i q u e s 4 . 3 . 4 A l g o r i t h m

4. 3. 5 C o m p u t e r P r o g r a m 4 . 4 S i m u l a t i o n R e s u l t s

4 . 4 . 1 R e s i s t i v e L o a d i n g 4 . 4. 2 I n d u c t i v e L o a d i n g 4 . 4 . 3 C a p a c i t i v e L o a d i n g 4 . 4 . 4 T r a n s f o r m e r L o a d

4, 5 C o m p u t e r S o l u t i o n a n d P h y s i c a l S y s t e m E x a m p l e s

4 , 5 . 1 T e s t E x a m p l e s 4 . 5. 2 R e s u l t s

4. 6 C o n c l u s i o n s

M O D U L A T E D C A R R I E R S Y S T E M S 5. 1 I n t r o d u c t i o n

5. 2 T h e o r y of MSK 5. 3 T r a n s m i t t e r D e s i g n

5 . 3 . 1 G e n e r a l 5. 3. 2 M o d u l a t o r

5. 3. 3 C i r c u i t D i a g r a m 5. 4 R e c e i v e r D e s i g n

5 . 4 . 1 G e n e r a l

80

81 8 4 85 86 87 88 9 0 93 94 9 4 9 5 96 114 114 115 117 117 118 119 121 121

5. 4 . 2 D e m o d u l a t o r s ^22

5. 4. 3 C i r c u i t D i a g r a m 124

5 . 4 . 4 M e a s u r e d P e r f o r m a n c e . 125

(8)

Vl

5 . 5 . 1 R e c e i v e r C o u p l i n g 126

5. 5. 2 T r a n s m i t t e r C o u p l i n g 131

5. 6 E x p e r i m e n t a l L o a d i n g T e s t s 132

5. 6. 1 G e n e r a l 132

5. 6. 2 M e a s u r e m e n t S y s t e m 133

5. 6. 3 T e s t P r o c e d u r e s 133

5. 6. 4 R e s u l t s 134

5. 7 C o n c l u s i o n s 135

6). (::c%src:i.tjsic)rjs; 155

6 , 1 G e n e r a l 155

6. 2 C o m p a r i s o n of B a s e b a n d C o d e s 155

6. 3 B a s e b a n d L o a d i n g S t u d i e s 156

6 . 4 M o d u l a t e d C a r r i e r S t u d i e s 158

flEiiriCRICrjCjEg) 161

16,5 A. E r r o r P r o b a b i l i t i e s in F M and P M C o d e s 1^5 A . l Bit E r r o r P r o b a b i l i t y in t h e p r e s e n c e 165

of G a u s s i a n N o i s e

A , 1.1 F M C o d e d S i g n a l s 16 5

.A. 1 . 2 (Coded S i g n a l s 166

A . 2 C o d e E r r o r P r o b a b i l i t y l 6 6

A . 3 U n d e t e c t a b l e E r r o r P r o b a b i l i t y 166

A . 3. 1 P M C o d e d S i g n a l s 166

A . 3. 2 F M C o d e d S i g n a l s 167

A . 4 M e s s a g e E r r o r P r o b a b i l i t y 168

B. R e c e i v e r C i r c u i t s 171

B. 1 S t r o b e D e t e c t i o n D e c o d e r 171

(9)

V I 1

C . P M / F M T r a n s m i t t e r C i r c u i t 17 5

D. N o i s e G e n e r a t o r a n d A m p l i f i e r C i r c u i t s 177 E . Bit E r r o r R a t e T e s t ( B E R T ) C i r c u i t

F . S i g n a l to N o i s e R a t i o M e a s u r e m e n t G. P L L C l o c k E x t r a c t i o n C i r c u i t

H . M e s s a g e E r r o r R a t e T e s t ( M E R T ) C i r c u i t I. C u m u l a t i v e A t t e n u a t i o n d u e t o M i s m a t c h e s

1 8 0 183 186 188 1 9 0 J . M u l t i p l e T r a n s f o r m e r C u t - O f f F r e q u e n c i e s ^93 K . D e r i v a t i o n of G e n e r a l L i n e E q u a t i o n s

L . D i s c r e t e M o d e l D i f f e r e n c e E q u a t i o n s f o r

C o m p u t e r S o l u t i o n 197

L . 1 I n p u t B o u n d a r y 197

L . 2 G e n e r a l L i n e 198

L . 3 L a s t N o d e of L i n e 198

L . 4 F i r s t N o d e of L i n e 199

L . 5 L o a d t e r m i n a l 2 0 1

L . 6 O u t p u t B o u n d a r y 2 0 1

M . I n p u t P a r a m e t e r s f o r N u m e r i c a l S o l u t i o n 2 0 2

M . 1 I n i t i a l C a l c u l a t i o n s 2 0 3

N. D e s c r i p t i o n of MSK M o d u l a t o r 2 0 5

P„ E r r o r P r o b a b i l i t y of C o r r e l a t i o n D e m o d u l a t o r 2 0 6

P . 1 O u t p u t W a v e f o r m 2 0 6

P . 2 E r r o r P r o b a b i l i t y 2 0 8

Q. E r r o r P r o b a b i l i t y of D i f f e r e n t i a l D e m o d u l a t o r 211

R. T h e EC:ij ! ( ) ( ) ( ) ( ] luogic 213

R. 1 B a s i c B u i l d i n g B l o c k 213

R . 1.1 L o g i c L e v e l s 214

(10)

V l X l

R . 3 R e l e v a n t C i r c u i t A p p l i c a t i o n s 218

R . 4 L a y o u t P r i n c i p l e s of T r a n s m i t t e r a n d

R e c e i v e r B o a r d s

S. L o w P a s s F i l t e r C i r c u i t

219 221

T . T r a n s f o r m e r T a p L o s s 2 2 3

U. W i d e b a n d N o i s e G e n e r a t o r 2 2 5

(11)

- X X

L I S T O F S Y M B O L S

A = s i g n a l a t t e n u a t i o n A = t a p c o u p l i n g l o s s A j = t a p i n s e r t i o n l o s s Aj^ = t r a n s m i s s i o n l i n e l o s s A ^ = m i s m a t c h l o s s

A j ^ = t a p r e t u r n l o s s

A ^ = t o t a l t r a n s m i s s i o n l o s s

A y = p e a k v o l t a g e of r e c e i v e d s i g n a l B = c h a n n e l b a n d w i d t h

c

C = c a p a c i t a n c e p e r u n i t l e n g t h of l i n e Cj^ = l o a d c a p a c i t a n c e

C = n u m b e r of b a s i c t i m e s t e p s w i t h i n i n p u t s i g n a l p e r i o d d = d i s t a n c e b e t w e e n l o a d s

n

E = s i g n a l e n e r g y p e r b i t f j = ' m a r k ' f r e q u e n c y fg = ' s p a c e ' f r e q u e n c y f, = d a t a b i t r a t e

b

f ^ = c a r r i e r f r e q u e n c y

f ^ = h i g h c u t - o f f f r e q u e n c y of t r a n s f o r m e r l o a d s f = l o w c u t - o f f f r e q u e n c y of t r a n s f o r m e r l o a d s f = f i l t e r c u t - o f f f r e q u e n c y

o

f j ^ = r e f e r e n c e f r e q u e n c y ( t r a n s l a t i o n o s c i l l a t o r f r e q u e n c y ) f = s u b - c a r r i e r f r e q u e n c y

g = c o n d u c t a n c e of e l e m e n t a r y s e c t i o n of l i n e G - c o n d u c t a n c e p e r u n i t l e n g t h of l i n e

G = r e c e i v e r a m p l i f i e r p o w e r g a i n G = v o l t a g e g a i n of n o i s e a m p l i f i e r

i (k) = t r a n s m i s s i o n l i n e c u r r e n t v a r i a b l e a t d i s c r e t e t i m e n , m

i n t e r v a l s ( T ^ )

i ( x , t ) = c u r r e n t a t p o i n t x a l o n g l i n e a t t i m e t

l(k) = i n p u t c u r r e n t s a m p l e s a t d i s c r e t e t i m e i n t e r v a l s (T K = t o t a l n u m b e r of b a s i c t i m e s t e p s f o r c o m p u t a t i o n

[_ = t r a n s m i s s i o n l i n e l e n g t h

= t r a n s f o r m e r p r i m a r y r e f e r r e d l e a k a g e i n d u c t a n c e L = t r a n s f o r m e r p r i m a r y s e l f i n d u c t a n c e

P

m = m e s s a g e l e n g t h

(12)

X

-n

V

- c o u p l i n g t r a n s f o r m e r t a p r a t i o

N - n u m b e r of l o a d s

Nq = n o i s e p o w e r s p e c t r a l d e n s i t y

fi = c a r r i e r p o w e r

P g = d a t a e r r o r p r o b a b i l i t y P g = c o d e e r r o r p r o b a b i l i t y F'gg = e l e m e n t e r r o r p r o b a b i l i t y

- u n d e t e c t a b l e e r r o r p r o b a b i l i t y = m e s s a g e e r r o r p r o b a b i l i t y

^ m u e ~ m e s s a g e u n d e t e c t a b l e e r r o r p r o b a b i l i t y

f - n o i s e p o w e r

P Q g = o u t - o f - b a n d p o w e r

R = r e s i s t a n c e p e r u n i t l e n g t h of l i n e

r = r e s i s t a n c e of e l e m e n t a r y s e c t i o n of l i n e

^ 2 ~ e q u i v a l e n t c h a r a c t e r i s t i c s i m p e d a n c e of l o a d c a p a c i t a n c e ^ 3 = e q u i v a l e n t c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e of l o a d i n d u c t a n c e

- l o a d r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t

^ = ferjs-tiV'C t i-avKir/nffrion Coeff/Ci'e/t 6

= l o a d r e s i s t a n c e R

o l i n e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e Rg - g e n e r a t o r s o u r c e r e s i s t a n c e S(f) = p o w e r s p e c t r a l d e n s i t y

~ n u m b e r of b a s i c t i m e s t e p s w i t h i n l i n e s e c t i o n n . S / N = s i g n a l - t o - n o i s e p o w e r r a t i o

T = d a t a bit p e r i o d

t ^ = d u r a t i o n of i n p u t c u r r e n t w a v e f o r m T j = d e l a y of u n i t l e n g t h of l i n e

= t r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t of l o a d

- t i m e d e l a y of e l e m e n t a r y s e c t i o n of l i n e = b a s i c t i m e s t e p f o r n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n

V = p u l s e s i g n a l a m p l i t u d e

m^^^ ~ t r a n s m i s s i o n l i n e v o l t a g e v a r i a b l e a t d i s c r e t e t i m e i n t e r v a l s (T ).

s

^ Y - r . m . s . s e n d i n g e n d s i g n a l v o l t a g e (x, t) = v o l t a g e at p o i n t x a l o n g l i n e at t i m e t.

(13)

X I

-a = a p o s i t i v e r e a l f a c t o r

P r f z = r e l a t i v e i . s . i . f a c t o r s Pc = c o u p l i n g l o s s v o l t a g e r a t i o Pi = i n s e r t i o n l o s s v o l t a g e r a t i o Pr = r e t u r n l o s s v o l t a g e r a t i o Y — p r o p a g a t i o n c o n s t a n t of l i n e Af = f r e q u e n c y d e v i a t i o n

P = f i l t e r o u t p u t p e a k - s i g n a l - t o - n o i s e p o w e r r a t i o

a = r . m . s . n o i s e v o l t a g e

T

(14)

1. I N T R O D U C T I O N

1.1 B a c k g r o u n d

1 . 1 . 1 G e n e r a l

T h e w o r k d e s c r i b e d in t h i s t h e s i s h a s b e e n d i r e c t e d t o w a r d s t h e d e s i g n of a p r o p o s e d l o c a l d a t a c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k in a d i s t r i b u t e d c o m p u t e r s y s t e m , s u i t a b l e f o r s h i p b o r n e a p p l i c a t i o n s .

T h e p r o p o s e d n e t w o r k i s t o b e i m p l e m e n t e d a s a p o l l e d m u l t i d r o p d a t a h i g h w a y w i t h s e r i a l t r a n s m i s s i o n o v e r a s i n g l e w i r e c a b l e a t M b / s r a t e s of r e l a t i v e l y s h o r t m e s s a g e s (up t o 2 5 6 b i t s ) in a b r o a d c a s t m o d e to a l l p r o c e s s o r e l e m e n t s . E a c h p r o c e s s o r i s c o n n e c t e d t o t h e h i g h w a y v i a a m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o l l e d i n t e r f a c e unit w h i c h a l s o c o n t a i n s c i r c u i t s f o r

s i g n a l t r a n s m i s s i o n / r e c e p t i o n , m o d u l a t i o n / c o d i n g , d e m o d u l a t i o n / d e c o d i n g , a n d c l o c k s y n c h r o n i s a t i o n in a d d i t i o n to p r o v i d i n g t h e s o f t w a r e f u n c t i o n s of m e s s a g e f o r m a t t i n g , m e s s a g e f i l t e r i n g , b u f f e r s t o r a g e a n d e r r o r d e t e c t i o n . T h e s e i n t e r f a c e u n i t s a r e h e r e a f t e r r e f e r r e d t o a s " t e r m i n a l s " .

T h e p r o t o c o l s a n d c o n t r o l p r o c e d u r e s , a n d s o m e a s p e c t s of t h e s i g n a l t r a n s m i s s i o n d e s i g n of t h e p r o p o s e d s e r i a l h i g h w a y h a d b e e n c o n s i d e r e d in t h e p r e l i m i n a r y s t u d i e s r e p o r t e d in (1) - (4). In t h e a u t h o r ' s s t u d i e s e f f o r t h a s b e e n c o n c e n t r a t e d on t h e t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e of b o t h a b a s e b a n d c o d e d s y s t e m a n d a m o d u l a t i o n c a r r i e r s y s t e m ; in p a r t i c u l a r t h e e f f e c t s of l o a d i n g t h e b a s e b a n d h i g h w a y w i t h a l a r g e n u m b e r of t e r m i n a l s and a c o m p a r a t i v e e v a l u a t i o n of t h e m o d u l a t e d c a r r i e r s y s t e m . B o t h s y s t e m s a r e b a s e d on a p a s s i v e h i g h w a y c o n f i g u r a t i o n i . e . t h e r e i s no

a m p l i f i c a t i o n o r r e g e n e r a t i o n of t h e l i n e s i g n a l a t t e r m i n a l s .

B a s e b a n d S e r i a l H i g h w a y L o a d i n g P r o b l e m

(15)

— 2 —

(i) T h e r e i s t h e i n h e r e n t t r a n s m i s s i o n l i n e d i s t o r t i o n a p p r o p r i a t e to t h e t o t a l l i n e l e n g t h i n v o l v e d ,

(ii) C o n n e c t i o n of t h e i n t e r m e d i a t e t e r m i n a l s o n t o t h e l i n e c a u s e i m p e d a n c e d i s c o n t i n u i t i e s LvitWeifnewhich r e s u l t in m u l t i p l e r e f l e c t i o n s a n d c u m u l a t i v e t r a n s m i s s i o n l o s s e s .

F o r r e l i a b l e o p e r a t i o n of the p a s s i v e h i g h w a y it i s h i g h l y d e s i r a b l e t h a t t h e a b o v e e f f e c t s b e t a k e n i n t o a c c o u n t in t h e o v e r a l l s y s t e m d e s i g n . T h i s r e q u i r e s b o t h a q u a l i t a t i v e u n d e r s t a n d i n g a n d a q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s of t h e p r o b l e m .

T h e p r i m a r y c a u s e of t h e l i n e l o s s i s k n o w n t o b e s k i n

-e f f -e c t , a n d t h -e q u a n t i t a t i v -e a n a l y s i s of i t s -e f f -e c t on t h -e t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e i s w e l l e s t a b l i s h e d in the r e l e v a n t l i t e r a t u r e (5), (6).

An a t t e m p t to q u a n t i f y a n d p r e d i c t t h e m i s m a t c h l o s s c a u s e d b y t h e c o n n e c t i o n of a n u m b e r of l o a d s o n t o t h e p a s s i v e r i n g w a s f i r s t m a d e b y C C L (2) in t h e p r e l i m i n a r y s t u d i e s on t h e p r o p o s e d h i g h w a y . T h e a s s u m p t i o n of p u r e l y r e s i s t i v e l o a d s h o w e v e r

l i m i t s the a p p l i c a t i o n of t h i s t h e o r y to s i m p l e t e r m i n a l s l o a d s w h i c h m a y b e t r e a t e d a s p u r e l y r e s i s t i v e . U n f o r t u n a t e l y s u c h i s n o t a l w a y s the c a s e in p r a c t i c e .

T h e p r o l i f e r a t i o n of m i c r o c o m p u t e r s in r e c e n t y e a r s a n d t h e p o t e n t i a l b e n e f i t s s u c h a s i n c r e a s e d f l e x i b i l i t y 3 n d i m p r o v e d r e l i a b i l i t y t h r o u g h d y n a m i c a l l o c a t i o n of r e s o u r c e s , h a v e s t i m u l a t e d a g r o w i n g i n t e r e s t in d i s t r i b u t e d s y s t e m s { 7 ) - ( 9 ) . T h i s g r o w i n g i n t e r e s t h a s , h o w e v e r , n o t b e e n m a t c h e d b y t h e a v a i l a b i l i t y of a d e q u a t e i n f o r m a t i o n p e r t a i n i n g to t h e a s s o c i a t e d t r a n s m i s s i o n d e s i g n p r o b l e m s .

(16)

5

-a n d p e r f o r m -a n c e e v -a l u -a t i o n of t h e s y s t e m i s c o n c e n t r -a t e d on t h e p r o t o c o l a n d c o n t r o l p r o c e d u r e s .

T h e l a c k of s p e c i f i c i n f o r m a t i o n on t h e t r a n s m i s s i o n d e s i g n , a s d i s c u s s e d a b o v e , i s a g e n e r a l d e f i c i e n c y in t h i s g r o w i n g a r e a of d i s t r i b u t e d c o m p u t e r s y s t e m s . W o u l d - b e d e s i g n e r s w i t h v e r y l i t t l e e x p e r i e n c e a r e t h u s c o n f r o n t e d w i t h t h i s p r o b l e m of t h e l a c k of a d e q u a t e i n f o r m a t i o n .

1. 1. 3 M o d u l a t e d C a r r i e r H i g h w a y S y s t e m s

T h e m o d u l a t e d c a r r i e r s e r i a l h i g h w a y s y s t e m p r o v i d e s a n a l t e r n a t i v e t o t h e b a s e b a n d s y s t e m . T h e c u r r e n t p r a c t i c e in

m o d u l a t e d c a r r i e r d i s t r i b u t e d c o m p u t e r s y s t e m d e s i g n h a s g e n e r a l l y b e e n t h e u s e of F D M t e c h n i q u e s to i n c r e a s e t h e n u m b e r of t e r m i n a l s a n d d i r e c t i o n a l c o u p l e r s f o r b u s s i n g o n t o t h e h i g h w a y ( l l ) .

H o w e v e r , c o n s i d e r i n g t h e p r o p o s e d p a s s i v e h i g h w a y s i t u a t i o n , t h e a b o v e t e c h n i q u e s s u f f e r t w o m a i n d r a w b a c k s :

(i) it d o e s n o t p r o v i d e p o s i t i v e m e s s a g e c o n t r o l , (ii) it c a n n o t t y p i c a l l y o p e r a t e in a b r o a d c a s t m o d e .

A d i r e c t c o n s e q u e n c e of the a b o v e d r a w b a c k s i s that h i g h s p e e d d a t a t r a n s f e r b e t w e e n t e r m i n a l s , w h i c h i s a b a s i c r e q u i r e m e n t of t h e p r o p o s e d s e r i a l h i g h w a y s y s t e m , c a n n o t b e r e a d i l y e f f e c t e d .

F o r t h e f u l l r e a l i s a t i o n of t h e a d v a n t a g e s of m o d u l a t e d c a r r i e r s y s t e m s in t h e p r o p o s e d h i g h w a y , a n a l t e r n a t i v e t e c h n i q u e t o t h e a b o v e i s t h u s d e s i r e d .

1. 2 An A c c o u n t of t h e P r e s e n t I n v e s t i g a t i o n

1 . 2 . 1 S c h e m e of S t u d i e s

(17)

a n e q u i v a l e n t m o d u l a t e d c a r r i e r s y s t e m a s a p o s s i b l e a l t e r n a t i v e to t h e b a s e b a n d s y s t e m a s o u t l i n e d a b o v e h a v e s t i m u l a t e d t h e p r e s e n t w o r k , w h i c h w a s c o n d u c t e d b a s i c a l l y in t h r e e s t a g e s .

T h e f i r s t s t a g e w a s a n i n v e s t i g a t i o n in d e p t h of t h e p r o p e r t i e s a n d e x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c e of t h e b a s e b a n d s i g n a l l i n g c o d e u s e d . T h e s e c o n d s t a g e d e a l t w i t h a s e a r c h i n g s t u d y of t h e b a s e b a n d l o a d i n g p r o b l e m on b o t h a n e x p e r i m e n t a l a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l s of t h e p a s s i v e s e r i a l h i g h w a y . T h e t h i r d s t a g e w a s t h e d e s i g n a n d p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n of a m o d u l a t e d c a r r i e r p a s s i v e s e r i a l h i g h w a y s y s t e m . A m o r e d e t a i l e d o u t l i n e of t h i s w o r k i s g i v e n in t h e s u b - s e c t i o n s w h i c h f o l l o w .

1. 2. 2 T h e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e of t h e B a s e b a n d S i g n a l l i n g C o d e s

A n e s s e n t i a l f a c t o r a f f e c t i n g t h e p e r f o r m a n c e of a n y d a t a t r a n s m i s s i o n s y s t e m i s t h e l i n e s i g n a l l i n g c o d e u s e d . T w o b i t -r e l a t e d b i p h a s e a n d b i f -r e q u e n c y c o d e s h a v e b e e n c o n s i d e -r e d a s p o s s i b l e c a n d i d a t e s f o r t h e p r o p o s e d h i g h w a y s y s t e m in t h e i n i t i a l s t u d i e s . T h e b a s i c p r o p e r t i e s of t h e s e c o d e s a r e k n o w n . H o w e v e r , it b e c a m e n e c e s s a r y to c o n d u c t f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s to a s s e s s t h e r e l a t i v e p e r f o r m a n c e s of t h e t w o c o d e s f o r t h e i n t e n d e d h i g h s p e e d t r a n s m i s s i o n a p p l i c a t i o n s .

T h e p r o c e d u r e s a d o p t e d and the r e s u l t s of t h e s e i n v e s t i g a t i o n s a r e d e s c r i b e d in d e t a i l in C h a p t e r 2. N e w f i n d i n g s on l e s s w e l l k n o w n t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c e of t h e s e c o d e s a r e r e p o r t e d .

1 . 2 . 3 T h e L o a d i n g of B a s e b a n d P a s s i v e S e r i a l H i g h w a y s

(18)

A s w e l l a s b e i n g s u i t a b l e f o r A C c o u p l i n g on to t h e b a l a n c e d l i n e , a t r a n s f o r m e r c a n p r o v i d e a s u b s t a n t i a l d e g r e e of e l e c t r i c a l

i s o l a t i o n i n a d d i t i o n to conrimon m o d e r e j e c t i o n w h i c h g i v e s f u r t h e r p r o t e c t i o n a g a i n s t i n t e r f e r i n g n o i s e s i g n a l s on the l i n e .

T h e a b o v e t y p e of c a b l e a n d the m e t h o d of c o u p l i n g a r e u s e d in t h e e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s c a r r i e d out t o i d e n t i f y t h e e f f e c t of l o a d i n g the s e r i a l d a t a h i g h w a y w i t h a l a r g e n u m b e r of s i m u l a t e d t e r m i n a l s . T h e r e s u l t s of t h e s e t e s t s i s r e p o r t e d in C h a p t e r 3.

Two c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l s of the h i g h w a y u s e d f o r f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s i n t o t h e e f f e c t s of l o a d i n g t h e p a s s i v e r i n g , a r e

c o m p l e t e l y d e s c r i b e d . T h e e s s e n t i a l f e a t u r e of b o t h of t h e m o d e l s IS that t h e y a r e not r e s t r i c t e d to the a n a l y s i s of any o n e p a r t i c u l a r m e t h o d of c o u p l i n g . One of the m o d e l s p r o v i d e s the c a p a b i l i t y of the e x a c t p r e d i c t i o n of the t r a n s m i t t e d s i g n a l w a v e f o r m at any t e r m i n a l a l o n g the h i g h w a y u n d e r v a r i o u s l o a d i n g c o n d i t i o n s . T h e r e s u l t s of d e t a i l e d a n a l y s i s of the e f f e c t s of the t e r m i n a l l o a d i n g s on the t r a n s m i t t e d s i g n a l a n d t h e o v e r a l l t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e of the h i g h w a y i s r e p o r t e d in C h a p t e r 4.

a n d P e r f o r m a n c e E v a l u a t i o n of t h e M o d u l a t e d C a r r i e r S e r i a l H i g h w a y S y s t e ; i m

T h e m a m p o t e n t i a l a d v a n t a g e of u s i n g m o d u l a t e d c a r r i e r s i g n a l s w i t h a r e l a t i v e l y h i g h c a r r i e r f r e q u e n c y (in V . H . F . band) a r e that t h e l i n e s i g n a l s p e c t r u m c a n be p l a c e d o u t s i d e the b a n d s c o n t a i n i n g i n t e r f e r e n c e and w h e r e the s h i e l d i n g e f f i c i e n c y of c o a x i a l c a b l e i s h i g h e n o u g h to e n a b l e a d v a n t a g e to be t a k e n o f i t s i n h e r e n t l y l o w e r l o s s e s and in a d d i t i o n , the n a r r o w f r a c t i o n a l b a n d w i d t h i m p l i e s that l i n e l o s s e s w i l l c a u s e s i g n a l a t t e n u a t i o n r a t h e r than d i s t o r t i o n . It a l s o o p e n s up the p o s s i b i l i t y of i n c r e a s i n g the data r a t e by u s i n g F D M t e c h n i q u e s .

(19)

— 6 —

T h e d e s i g n of t h e c o u p l i n g of t h e t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r t e r m i n a l s t o t h e h i g h w a y h a s b e e n b a s e d on t h e n e e d f o r a

b r o a d c a s t m o d e of o p e r a t i o n a s w e l l a s t h e p o s s i b l e u s e of F D M „ T h e c o u p l i n g t e c h n i q u e s u s e d in t h i s r e a l i s a t i o n i s d e s c r i b e d . In p a r t i c u l a r , t h e d e s i g n of t h e r e c e i v e r c o u p l i n g n e t w o r k ,

i m p l e m e n t e d a s a b r o a d b a n d h i g h i m p e d a n c e t a p , i s p r e s e n t e d in d e t a i l .

E x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n of t h e d e m o d u l a t o r s ,

(20)

- 7

2. B A S E B A N D DESIGN S T U D I E S

2. 1 I n t r o d u c t i o n

In b a s e b a n d d i g i t a l l i n e t r a n s m i s s i o n it i s h i g h l y d e s i r a b l e t h a t t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l h a s t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s :

(a) s u f f i c i e n t t i m i n g i n f o r m a t i o n w h i c h c a n b e r e c o v e r e d a t t h e e n d of t h e t r a n s m i s s i o n s e c t i o n ,

(b) n e g l i g i b l e e n e r g y a t o r n e a r DC in t h e p o w e r s p e c t r u m of a r a n d o m s e q u e n c e , s o a s t o e n a b l e A C c o u p l i n g of l i n e t o t e r m i n a l u n i t s .

T o s a t i s f y t h e a b o v e t r a n s m i s s i o n r e q u i r e m e n t s s o m e f o r m of l i n e c o d i n g i s a d o p t e d . T h i s c o d e c a n b e d e f i n e d a s a n e n c o d i n g p r o c e d u r e w h i c h c o n v e r t s a d a t a s e q u e n c e i n t o a n o t h e r s e q u e n c e

s a t i s f y i n g t h e p r e v i o u s t w o r e q u i r e m e n t s f o r b a s e b a n d t r a n s m i s s i o n .

In a d d i t i o n t o t h e a b o v e p r o p e r t i e s , o t h e r e s s e n t i a l f e a t u r e s d e s i r e d of s u c h a c o d e a r e :

(c) i n - s e r v i c e e r r o r m o n i t o r i n g c a p a b i l i t y ; in o t h e r w o r d s , it m u s t p o s s e s s s o m e b u i l t - i n f e a t u r e s t h a t e n a b l e e r r o r s t o b e d e t e c t e d a n d m o n i t o r e d d u r i n g s y s t e m o p e r a t i o n ,

(d) n a r r o w s p e c t r a l b a n d w i d t h s o a s t o m i n i m i s e n o i s e a n d i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e e f f e c t s ,

(e) s u f f i c i e n t s i m p l i c i t y f o r p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n .

(21)

B i p h a s e o r M a n c h e s t e r c o d e a n d H a r v a r d c o d e r e s p e c t i v e l y .

T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s of t h i s c h a p t e r r e p o r t on r e s u l t s of t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e s c a r r i e d o u t to i n v e s t i g a t e f u r t h e r t h e p r o p e r t i e s a n d p e r f o r m a n c e of t h e P M a n d F M codes(14). E r r o r d e t e c t i o n b y c o d e v i o l a t i o n t e s t i n g i s e x a m i n e d a n d a s i m p l e t h e o r e t i c a l t r e a t m e n t of t h e e f f e c t i v e n e s s of t h i s t e c h n i q u e i s

p r e s e n t e d . T r a n s m i s s i o n l i n e d i s t o r t i o n e f f e c t s on t h e c o d e d d a t a i s g i v e n c o n s i d e r a t i o n b y c o m p a r i s o n of t h e e r r o r r a t e

p e r f o r m a n c e w i t h t y p i c a l r e c e i v e d s i g n a l e y e d i a g r a m s . T h e u s e of r e c e i v e r i n p u t f i l t e r i n g to i m p r o v e t h e s i g n a l - t o - n o i s e

p e r f o r m a n c e i s c o n s i d e r e d a n d it i s s h o w n t h a t in p r a c t i c e a f i l t e r b a n d w i d t h e q u a l t o t h e d a t a b i t r a t e c a n b e u s e d ,

2. 2 T h e o r y of P M a n d F M C o d i n g 2 . 2 . 1 W a v e f o r m s

P M C o d e d D a t a

T h i s m o d u l a t i o n s c h e m e u s e s t w o c o m p l e m e n t a r y p h a s e s to r e p r e s e n t t h e t w o s t a t e s in t h e b i n a r y d a t a to b e t r a n s m i t t e d . T h e t w o b a s i c e l e m e n t s a r e s h o w n in F i g u r e 2 . 1 ( a ) and the r e s u l t i n g l i n e s i g n a l f o r a n a r b i t r a r y d a t a s e q u e n c e i s s h o w n in F i g u r e 2. 2 ( a ) .

It i s s e e n t h a t t h e r e i s a l w a y s a s i g n a l t r a n s i t i o n in t h e m i d d l e of e a c h bit p e r i o d a n d a n a d d i t i o n a l t r a n s i t i o n a t t h e b e g i n n i n g w h e n t h e n e x t s y m b o l h a s t h e s a m e s t a t e a s t h e p r e v i o u s b i t . T h e

i n h e r e n t l a r g e n u m b e r of t r a n s i t i o n s p r o v i d e t h e d e s i r e d t i m i n g i n f o r m a t i o n f o r t h e d e c o d i n g p r o c e s s .

F M C o d e d D a t a

(22)

s e q u e n c e a s P M i s a l s o s h o w n in F i g u r e 2. 2 ( b ) .

In t h i s c a s e h o w e v e r , r e g u l a r t r a n s i t i o n s o c c u r a t t h e b e g i n n i n g of e a c h b i t p e r i o d a n d t h e a d d i t i o n a l t r a n s i t i o n s , s u b j e c t t o t h e s a m e d a t a c o n d i t i o n f o r P M , o c c u r in t h e m i d d l e of a b i t p e r i o d .

A s f o r t h e F M c a s e , t h e a d v a n t a g e of t h e l a r g e n u m b e r of t r a n s i t i o n s i n t h e w a v e f o r m i s e v i d e n t .

P o l a r i t y R e v e r s a l A d v a n t a g e

T h e F M w a v e f o r m s of F i g u r e 2. 2(b) s h o w t h a t a m u n d a n e , but c e r t a i n l y n o t t r i v i a l a d v a n t a g e of t h i s c o d e i s t h a t t h e p o l a r i t y of a c o d e d w a v e f o r m c a n b e r e v e r s e d w i t h o u t a f f e c t i n g t h e d e c o d i n g p r o c e s s . T h i s i s a n i m p o r t a n t a d v a n t a g e o v e r P M c o d i n g

e s p e c i a l l y ^ b a l a n c e d p a i r l i n e , w h e r e i t i s o f t e n d i f f i c u l t to e n s u r e c o r r e c t p o l a r i t y of a l l l i n e c o n n e c t i o n s , h a s b e e n c h o s e n a s t h e m e d i u m of t r a n s m i s s i o n f o r t h e p r o p o s e d h i g h w a y .

2. 2. 2 S p e c t r a

T h e s p e c t r a l d e n s i t y f u n c t i o n f o r b o t h c o d e s , a s s u m i n g e q u a l a p r i o r i p r o b a b i l i t i e s of o n e s a n d z e r o s in t h e o r i g i n a l d a t a ( r a n d o m ) s e q u e n c e , i s t h e s a m e in g e n e r a l w h e n t h i s c o n d i t i o n i s s a t i s f i e d . U s i n g t h e t e c h n i q u e s d e s c r i b e d in C h a p t e r 19 of (12), t h e t w o s i d e d p o w e r s p e c t r a l d e n s i t y c a n b e s h o w n t o b e :

S(f) = V^T Sin (rrfT/Z) (rrfT/Z)^

w h e r e V i s t h e a m p l i t u d e a n d T t h e d a t a bit p e r i o d .

(23)

1 0

-M o s t of t h e p o w e r i s c o n c e n t r a t e d in t h e b a n d O . l to 1. 6

w h e r e i s t h e b i t r a t e . It h a s b e e n f o u n d h o w e v e r t h a t i n p r a c t i c e ( a s w i l l b e e x p l a i n e d in s e c t i o n 2 . 3 ) t h e t r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h c a n b e m u c h l e s s t h a n t h i s .

2. 2. 3 E r r o r P r o b a b i l i t i e s

T h r e e t y p e s of b i t e r r o r s c a n b e d e f i n e d w i t h P M a n d F M c o d e s . T h e s e a r e r e s p e c t i v e l y g i v e n a s :

(a) D a t a E r r o r s (b) C o d e E r r o r s

a n d (c) U n d e t e c t a b l e E r r o r s .

B a s i c a l l y , d a t a i s d e t e c t e d by s t r o b i n g t h e c o d e e l e m e n t s a n d c o m p a r i n g t h e r e s u l t a n t s t a t e s . D e t a i l s of t h e d e c o d i n g p r i n c i p l e s a r e d e s c r i b e d in s e c t i o n 2 . 3 . 1 .

D a t a E r r o r P r o b a b i l i t i e s

D a t a e r r o r s a r e c a u s e d b y i n v a l i d a t i o n of t h e r u l e s d e f i n e d f o r d a t a s t a t e s '1' a n d ' O ' w i t h i n a b i t p e r i o d . F o r F M , d a t a b i t e r r o r a r i s e s w h e n e i t h e r , b u t n o t b o t h h a l f - b i t e l e m e n t s w i t h i n a b i t p e r i o d a r e in e r r o r . But f o r P M , a d a t a b i t e r r o r o c c u r s w h e n o n l y o n e j b i t e l e m e n t i s i n e r r o r . F r o m t h e r e s u l t s of t h e o r e t i c a l a n a l y s i s g i v e n i n A p p e n d i x A . 1, t h e d a t a b i t e r r o r p r o b a b i l i t y f o r P M a n d F M c o d e d s i g n a l s , a s s u m i n g e q u a l a p r i o r i p r o b a b i l i t i e s of z e r o s a n d o n e s , i s r e s p e c t i v e l y g i v e n a s :

P ( P M ) = i e r f ^ i S / N ( 2 . 2 )

a n d

P ^ ( F M ) = 1 - S / N ( 2 . 3 )

(24)

11

C o d e E r r o r P r o b a b i l i t i e s

T h e w a v e f o r m s f o r b o t h P M a n d F M c o d e s s h o w t h a t r e g u l a r t r a n s i t i o n s o c c u r in t h e m i d d l e of e a c h b i t p e r i o d f o r P M a n d a t t h e b e g i n n i n g of e a c h b i t p e r i o d in t h e c a s e of F M . V i o l a t i o n of t h i s c o d i n g r u l e in e i t h e r c a s e , w h i c h r e s u l t s in t h e a b s e n c e of t h e e x p e c t e d r e g u l a r t r a n s i t i o n , gives r i s e t o w h a t i s t e r m e d a c o d e e r r o r .

T h e p r o b a b i l i t y of c o d e e r r o r f o u n d in A p p e n d i x A . 2 f o r b o t h c o d e s i s g i v e n by :

P ^ ^ ( P M ) = 2 P ^ ( 1 _ P ^ ) ( 2 . 4 )

a n d

p ^ c f i r i v t ) == (;%. 5)

w h e r e P i s t h e r e s p e c t i v e d a t a b i t e r r o r s g i v e n b y E q u a t i o n s

2. 2 a n d 2. 3, E q u a t i o n s 2. 4 a n d 2. 5 s h o w t h a t c o d e e r r o r p r o b a b i l i t y i s t w i c e t h e d a t a b i t e r r o r p r o b a b i l i t y f o r P M a n d t h e s a m e f o r F M ; i. e . i t i s t h e s a m e f o r b o t h c o d e s . T h u s if c o d e e r r o r d e t e c t i o n i s b e i n g e x p l o i t e d P M l o s e s i t s a d v a n t a g e of l o w e r e r r o r p r o b a b i l i t y .

U n d e t e c t a b l e E r r o r P r o b a b i l i t i e s

U n d e t e c t a b l e e r r o r s a r e c a u s e d b y e l e m e n t e r r o r s w h i c h g i v e r i s e t o d a t a e r r o r s b u t n o t d e t e c t e d by c o d e v i o l a t i o n t e s t s . It a r i s e s w h e r e t h e s i g n a l s t a t e s a r e i n v e r t e d in a p a i r ( o r p a i r s ) of 2 b i t s on e i t h e r s i d e of a r e g u l a r t r a n s i t i o n s i n c e t h i s r e s u l t s in a p p a r e n t l y l e g a l c o d e c h a r a c t e r s a t t h e d e c o d e r o u t p u t .

(25)

1 2

-u n d e t e c t a b l e e r r o r s on a s i n g l e b i t b a s i s w o -u l d b e i n v a l i d . T h i s p r o b l e m i s o v e r c o m e by c o n s i d e r i n g d a t a m e s s a g e s a n d f r o m t h e r e s u l t s o b t a i n e d , t h e s i n g l e b i t u n d e t e c t a b l e e r r o r i s e x t r a p o l a t e d .

T h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s g i v e n in A p p e n d i x A . 3 s h o w t h a t t h e b i t u n d e t e c t a b l e e r r o r f o r b o t h P M a n d F M a r e r e s p e c t i v e l y g i v e n b y :

== 1)^,2 (2. 6)

P 2

( 2 - 7 1

w h e r e P i s t h e r e s p e c t i v e d a t a b i t e r r o r p r o b a b i l i t i e s g i v e n b y E q u a t i o n s 2. 2 a n d 2. 3 .

T h e c o r r e s p o n d i n g m e s s a g e e r r o r p r o b a b i l i t y ), f r o m t h e r e s u l t s of t h e o r e t i c a l a n a l y s i s g i v e n i n A p p e n d i x A . 4 b e c o m e ,

( 2 . 8 ) P 2

- Z - <2-91

T h u s t h e s l o p e of t h e g r a p h of P a g a i n s t m s h o u l d g i v e t h e r e s p e c t i v e b i t u n d e t e c t a b l e e r r o r p r o b a b i l i t y .

E x p e r i m e n t a l u n d e t e c t a b l e m e s s a g e e r r o r r a t e t e s t s c a r r i e d o u t to v e r i f y t h e a b o v e r e s u l t s are descrlbc-d in S e c t i o n 2. 3. 3.

2. 3 P e r f o r m a n c e of P M a n d F M C o d i n g 2 . 3 . 1 D e t e c t i o n a n d D e c o d i n g T e c h n i q u e s

C l o c k E x t r a c t i o n

T w o f u n d a m e n t a l m e t h o d s of c l o c k e x t r a c t i o n f r o m P M and F M c o d e d s i g n a l s , t e r m e d s y n c h r o n o u s and a s y n c h r o n o u s

(26)

15

l o o p , w h e r e a s t h e l a t t e r i s b a s e d o n m o n o s t a b l e t i m i n g e l e m e n t s .

S y n c h r o n o u s M e t h o d

T h e f o r m of c i r c u i t s c h e m a t i c f o r t h i s m e t h o d of c l o c k e x t r a c t i o n i s s h o w n in F i g u r e 2. 4 ( a ) . T h e P L L r u n s a t t w i c e t h e b i t f r e q u e n c y ( f ^ ) s o t h a t a l l e d g e s a r e u t i l i s e d f o r t i m i n g c o r r e c t i o n a n d s o t h a t t h e s y n c h r o n i s a t i o n t i m e c a n b e m a d e a s s h o r t a s p o s s i b l e . A d i v i d e - b y - t w o c i r c u i t a t t h e o u t p u t of t h e P L L p r o v i d e s t h e r e q u i r e d e x t r a c t e d d a t a b i t c l o c k . T h e f r e q u e n c y d i v i s i o n h o w e v e r r e s u l t s i n a m b i g u i t y of t h e o u t p u t c l o c k p h a s e a n d s e l e c t i o n of t h e c o r r e c t p h a s e i s a c h i e v e d b y t h e P h a s e S e l e c t L o g i c s h o w n .

A s y n c h r o n o u s M e t h o d

T h i s f o r m of c l o c k e x t r a c t i o n i s s h o w n in F i g u r e 2. 4 ( b ) . T h e r e g u l a r l y s p a c e d p u l s e s f r o m t h e e d g e d e t e c t o r a r e s e l e c t e d b y t h e c i r c u i t c o m p r i s i n g t h e m o n o s t a b l e a n d l o g i c g a t e , t h u s

e l i m i n a t i n g t h e i r r e g u l a r h a l f - b i t t r a n s i t i o n s f r o m t h e c o d e d s i g n a l . T h i s m e t h o d of c l o c k e x t r a c t i o n h o w e v e r d o e s n o t r e d u c e j i t t e r a n d i t d o e s n o t p r o v i d e c l o c k c o n t i n u i t y in v e r y n o i s y o r l o s s of s i g n a l c o n d i t i o n s b u t it i s a s i m p l e c i r c u i t a n d it i s e a s y t o s y n c h r o n i s e .

D e c o d i n g

D e c o d i n g of t h e P M a n d F M c o d e d s i g n a l s i s d o n e by t h e u s e of t w o m e t h o d s n a m e l y , s t r o b e a n d e d g e d e t e c t i o n . T h e p r i n c i p l e s a p p l i e d in b o t h c a s e s i s e x p l a i n e d b e l o w . D e t a i l s of t h e c i r c u i t s u s e d a r e g i v e n in A p p e n d i x B .

S t r o b e D e t e c t i o n D e c o d e r

(27)

- 14

d i f f e r e n t i a l c o m p a r i s o n i n v o l v e d . T h i s m e t h o d of d e c o d i n g i s u s e d w i t h e i t h e r t y p e of c l o c k e x t r a c t i o n d e s c r i b e d a b o v e .

E d g e D e t e c t i o n D e c o d e r

T h i s t y p e of d e c o d e r i n c o r p o r a t e s a n a s y n c h r o n o u s c l o c k e x t r a c t o r w h i c h d e t e c t s a l l t h e s i g n a l s t a t e t r a n s i t i o n s . F o r P M c o d i n g , t h e d e c o d e d d a t a i s d e t e r m i n e d b y t h e d i r e c t i o n of t h e r e g u l a r m i d - b i t t r a n s i t i o n s in t h e i n p u t s i g n a l b u t f o r F M c o d i n g , t h e p r e s e n c e a n d a b s e n c e of t h e m i d - b i t e d g e s i s d e t e c t e d w h i c h i n d i c a t e s a z e r o o r a o n e r e s p e c t i v e l y .

2. 3. 2 B i t E r r o r R a t e T e s t s

T h e r e s u l t s of b i t e r r o r r a t e t e s t s a r e s u m m a r i s e d in t h i s s e c t i o n . T h e c l o c k e x t r a c t i o n a n d d e c o d i n g t e c h n i q u e s d i s c u s s e d a b o v e w e r e u s e d t o g e t h e r w i t h the s c r e e n e d t w i n a x i a l c a b l e in a p o i n t - t o - p o i n t l i n k o p e r a t i o n f o r t h e t e s t s .

M e a s u r e m e n t S y s t e m

F i g u r e 2. 6 s h o w s a b l o c k d i a g r a m of the e x p e r i m e n t a l s e t up. N o i s e i s c o u p l e d i n t o t h e l i n e ( c l o s e to t h e r e c e i v e r ) v i a a l i n e a r l o n g - t a i l e d p a i r a m p l i f i e r w h i c h a c t s a s a h i g h i m p e d a n c e s o u r c e of e i t h e r d i f f e r e n t i a l o r c o m m o n - m o d e s i g n a l s . I n p u t d a t a f o r t h e t r a n s m i t t e r i s g e n e r a t e d u s i n g a H e w l e t t P a c k a r d d a t a g e n e r a t o r t y p e 8 0 0 6 A . A l l t e s t s a r e c a r r i e d out w i t h t h e g e n e r a t o r in p s e u d o - r a n d o m m o d e w i t h r e g i s t e r l e n g t h of 15 w h i c h p r o v i d e s a s e q u e n c e of l e n g t h 32, 767 bit s .

D e c o d e d d a t a f r o m t h e r e c e i v e r i s c o m p a r e d b i t by b i t w i t h t h e t r a n s m i t t e r i n p u t d a t a s e q u e n c e , s u i t a b l y d e l a y e d in t h e b i t e r r o r r a t e t e s t i n g u n i t ( B E R T ) . T h e bit e r r o r r a t e i s m e a s u r e d in t h e s e t e s t s by f e e d i n g t h e RZ e r r o r output i n t o the :B' c h a n n e l of a

(28)

- 15

' f r e q u e n c y ' and u s i n g the m a i n c l o c k a s an e x t e r n a l t i m e - b a s e . U s e d in t h i s w a y , the r e a d i n g in M H z d i v i d e d by l O g i v e s t h e e r r o r r a t e n o r m a l i s e d t o t h e b i t r a t e , i . e . t h e e r r o r p r o b a b i l i t y . T h e m a i n b i t r a t e c l o c k (CK) i s s u p p l i e d to t h e w h o l e s y s t e m b y the B E R T u n i t .

D e t a i l s of T r a n s m i t t e r , N o i s e G e n e r a t o r a n d A m p l i f i e r , a n d B E R T u n i t s a r e g i v e n in A p p e n d i c e s C, D a n d E r e s p e c t i v e l y .

T h e t w o t y p e s of R e c e i v e r s u s e d f o r the t e s t s and b a s e d on the c l o c k e x t r a c t i o n and d e c o d i n g p r i n c i p l e s of s e c t i o n 2. 3 . 1 a r e g i v e n in A p p e n d i x B .

T e s t P r o c e d u r e s

F o r a l l t h e t e s t s , t h e g e n e r a l p r o c e d u r e f o l l o w e d w a s to s e t up t h e c l o c k f r e q u e n c y to a s p e c i f i c v a l u e , a d j u s t t h e c l o c k e x t r a c t i o n m o n o s t a b l e s a s a p p r o p r i a t e ( s e e A p p e n d i x B) a n d t h e n f o r e a c h c a b l e l e n g t h s e l e c t e d , s e t up t h e d a t a d e l a y a n d e r r o r s t r o b e d e l a y . N o i s e w a s a p p l i e d d i f f e r e n t i a l l y in a l l c a s e s . The d e f i n i t i o n of the S / N r a t i o u s e d w a s g i v e n a s :

S/]\j = s i g n a l p o w e r at t h e t r a n s m i t t e r e n d n o i s e p o w e r i n j e c t e d at the r e c e i v e r end U s i n g the m e t h o d d e s c r i b e d in A p p e n d i x F , the n o i s e g e n e r a t o r output v o l t a g e w a s s e t s u c h that the S / N r a t i o w a s d i r e c t l y g i v e n by the a t t e n u a t o r s e t t i n g .

E r r o r r a t e m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e by s e l e c t i n g S / N r a t i o s in a p p r o p r i a t e s t e p s a n d r e a d i n g off t h e c o r r e s p o n d i n g e r r o r p r o b a b i l i t i e s on t h e H P c o u n t e r .

T e s t R e s u l t s

(29)

16

C o m p a r i s o n of T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i m e n t a l E r r o r R a t e s

Iri o r d e r t o c l o s e l y s i m u l a t e t h e t h e o r e t i c a l c o n d i t i o n s r e q u i r e d f o r c o m p a r i s o n , t h e t e s t s w e r e c a r r i e d o u t w i t h a c l o c k ( i d e a l ) f r o m t h e t r a n s m i t t e r , f e d i n t o t h e ' E x t CK« i n p u t of t h e s t r o b e d e c o d e r . A v e r y s h o r t l e n g t h of c a b l e w a s a l s o c o n n e c t e d b e t w e e n t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r .

F i g u r e 2. 7 s h o w s a p l o t of l o g P a g a i n s t S / N f o r both P M a n d F M c o d e s . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e s h o w n b y t h e b r o k e n l i n e s . It i s s e e n t h a t a t l o w e r S / N v a l u e s t h e r e i s g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , w h i c h c o n f i r m s t h e f a c t o r 2 a d v a n t a g e in e r r o r r a t e f o r P M c o d i n g . A t h i g h e r v a l u e s of S / N , d e v i a t i o n b e t w e e n t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l c u r v e s i n c r e a s e s , g i v i n g about 1 dB d i f f e r e n c e in S / N at P of

- 6 e

a b o u t l O

T h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a s s u m e s a p e r f e c t g a u s s i a n n o i s e

p. d. f. H o w e v e r t h i s i d e a l p. d. f. i s d i f f i c u l t to a c h i e v e in p r a c t i c e a n d t h e n o i s e g e n e r a t o r u s e d i s no e x c e p t i o n i n t h i s c a s e , w h i c h e x p l a i n s t h e d e v i a t i o n b e t w e e n t h e t w o s e t s of c u r v e s .

S y n c h r o n o u s a n d A s y n c h r o n o u s C l o c k E x t r a c t i o n

F i g u r e 2. 8 s h o w s g r a p h of e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r F M c o d i n g a t a bit f r e q u e n c y of 1 M b / s , u s i n g s t r o b e d e t e c t i o n d e c o d e r . D e t a i l s of t h e P L L c i r c u i t s u s e d i s g i v e n in A p p e n d i x G.

T h e r e s u l t s s h o w t h a t 2 n d o r d e r P L L g i v e s v i r t u a l l y t h e s a m e e r r o r r a t e a s i d e a l c l o c k a n d t h a t t h e a s y n c h r o n o u s c l o c k e x t r a c t i o n i s o n l y a b o u t 1 d B w o r s e in S / N . P e r f o r m a n c e of t h e 1st o r d e r P L L i s r a t h e r w o r s e w i t h S / N d e g r a d a t i o n of t h e o r d e r of 3 d B .

T h e a p p a r e n t p o o r p e r f o r m a n c e of t h e 1st o r d e r P L L i s

(30)

17

-s y n c h r o n i -s a t i o n t i m e of 2 - 3 b i t -s c o m p a r e d w i t h 4 - l O b i t -s o b t a i n e d f o r t h e 2 n d o r d e r P L L , w h i c h h a d a l o o p f i l t e r . T h i s r e s u l t s h o w s t h a t if P L L c l o c k e x t r a c t i o n i s u s e d t h e n f a s t e r s y n c h r o n i s i n g t i m e c a n b e o b t a i n e d o n l y a t t h e e x p e n s e of s o m e d e g r a d a t i o n i n S/N<,

F i g u r e 2. 9 s h o w s s i m i l a r s e t of c u r v e s f o r P M c o d i n g b u t e x c l u d i n g 1st o r d e r P L L . A g a i n , t h e 2 n d o r d e r P L L g i v e s c l o s e r p e r f o r m a n c e t o t h e i d e a l c l o c k . A t h i g h S / N t h e a s y n c h r o n o u s c l o c k d e g r a d a t i o n i s o n l y O . 5 d B c o m p a r e d w i t h 1 d B f o r F M .

G e n e r a l l y p e r f o r m a n c e of t h e a s y n c h r o n o u s c l o c k h a s b e e n m u c h b e t t e r t h a n e x p e c t e d s i n c e t h e r e i s n o j i t t e r r e d u c t i o n w i t h t h i s m e t h o d of c l o c k e x t r a c t i o n . H o w e v e r t h i s c o m p a r a t i v e r e s u l t i s f o r a r e l a t i v e l y s h o r t l e n g t h of c a b l e . F o r l o n g e r c a b l e l e n g t h s a n d h i g h e r d a t a r a t e s it w a s n o t e d t h a t p e r f o r m a n c e d e t e r i o r a t e d c o n s i d e r a b l y - t h e d i r e c t r e s u l t of i n c r e a s e d s i g n a l j i t t e r . T h i s m e t h o d of c l o c k e x t r a c t i o n , t o g e t h e r w i t h i t s o v e r a l l s i m p l i c i t y w o u l d t h e r e f o r e b e s u i t a b l e f o r u s e w h e r e t h e c a b l e r u n s a r e s h o r t a n d d a t a r a t e s a r e r e l a t i v e l y l o w ; in e f f e c t it i s s u i t a b l e f o r l o w d i s t o r t i o n t r a n s m i s s i o n s y s t e m s .

On t h e o t h e r h a n d u s i n g t h e P L L c l o c k t h e a d v a n t a g e of

p e r f o r m a n c e r e l i a b i l i t y a n d l o w e r S / N in h i g h j i t t e r e n v i r o n m e n t , s u c h a s a l o a d e d h i g h w a y s y s t e m , f a r o u t w e i g h s t h e p r o b l e m s of e x t r a c o m p l e x i t y a n d t i m e t o a c q u i r e s y n c h r o n i s a t i o n . T h e P L L c l o c k i s t h e r e f o r e r e c o m m e n d e d a s t h e m e t h o d of c l o c k e x t r a c t i o n .

S t r o b e a n d E d g e D e t e c t i o n D e c o d e r s

(31)

- 18

d e c o d e r f o r b o t h P M a n d F M . T h i s i m p r o v e m e n t h o w e v e r a p p e a r s to be m a r g i n a l l y g r e a t e r f o r P M d a t a t h a n f o r F M . C o m p a r e d w i t h r e s u l t s of p r e v i o u s t e s t s u s i n g s t r o b e d e t e c t i o n d e c o d e r , t h e a b o v e r e s u l t s a l s o s h o w a n i n t e r e s t i n g d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o d e c o d e r s ; t h e t h e o r e t i c a l d e d u c t i o n t h a t P M c o d e d d a t a

g i v e s l o w e r e r r o r r a t e s t h a n F M d a t a i s n o t b o r n e o u t in t h e c a s e of e d g e d e t e c t i o n d e c o d e r . In f a c t F M p e r f o r m s s l i g h t l y b e t t e r t h a n P M .

In t h e c a s e of s t r o b e d e t e c t i o n , d e c o d e d d a t a i s d e t e r m i n e d by t h e l e v e l of t h e i n c o m i n g s i g n a l a t t h e s t r o b i n g p o i n t s w h e r e a s f o r e d g e d e t e c t i o n , t h e d e c o d i n g i s d e p e n d e n t on t h e p o s i t i o n s of t h e t r a n s i t i o n s in t h e r e c e i v e d c o d e d s i g n a l . It i s t h u s e v i d e n t t h a t t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s f o r s t r o b e d e t e c t i o n ( A p p e n d i x A), b a s e d on s i g n a l l e v e l s , d o e s n o t a p p l y in t h e c a s e of e d g e d e t e c t i o n d e c o d e r .

H o w e v e r , a p r a c t i c a l e x p l a n a t i o n i s t h a t t h e p o o r e r p e r f o r m a n c e of e d g e d e t e c t i o n d e c o d e r w i t h P M m a y be d u e t o t h e a s y n c h r o n o u s c l o c k e x t r a c t i o n l o o p d r o p p i n g o u t of s y n c h r o n i s a t i o n by h a l f a b i t p e r i o d w h e n r e c e i v i n g l o n g s t r i n g s of a l l ' o n e s ' o r a l l ' z e r o s ' .

F o r P M s u c h a s i t u a t i o n c a u s e s c o n t i n u o u s d a t a e r r o r s u n t i l s y n c h r o n i s a t i o n i s r e g a i n e d a t t h e e n d of t h e s t r i n g , b u t f o r F M t h e r e w o u l d p r o b a b l y b e o n l y a n e r r o r at e a c h end of t h e s t r i n g .

C e r t a i n l y a p o s s i b l e f u t u r e w o r k w o u l d b e a t h e o r e t i c a l a n a l y s i s of t h e e d g e d e t e c t i o n d e c o d e r f o r c o m p a r i s o n w i t h t h e s t r o b e

d e t e c t i o n d e c o d e r a n d a l s o f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n t o s e e if t h e a b o v e p r o p o s e d m e c h a n i s m i s s o l e l y r e s p o n s i b l e f o r P M p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n .

F o r c o m p a r a t i v e p u r p o s e s , a s y n c h r o n o u s c l o c k e x t r a c t i o n h a d b e e n u s e d in t h e s t r o b e d e t e c t i o n d e c o d e r f o r t h e a b o v e t e s t s . D e s p i t e t h e f a c t t h a t c o m p a r a t i v e r e s u l t s w e r e o b t a i n e d f o r b o t h d e c o d e r s , s t r o b e d e t e c t i o n d e c o d e r h a s t h e a d d e d a d v a n t a g e of t h e u s e of s y n c h r o n o u s c l o c k e x t r a c t i o n w h i c h g i v e s s u p e r i o r p e r f o r m a n c e , a s f o u n d in t h e r e s u l t s of t h e p r e v i o u s s e c t i o n . T h u s f o r b o t h P M

(32)

19

-V a r i a t i o n of B i t R a t e

T h e c u r v e s of F i g u r e 2 . 1 1 i l l u s t r a t e t h e e f f e c t of b i t r a t e f o r a f i x e d l e n g t h of c a b l e .

C o m p a r i s o n of t h e t w o s e t s of c u r v e s s h o w t h a t :

(1) a t t h e l o w e r b i t r a t e s t h e p e r f o r m a n c e of P M a n d F M a r e c o m p a r a b l e , w i t h o n l y s l i g h t i m p r o v e m e n t of P M

o v e r F M ;

(2) t h e i m p r o v e m e n t of P M o v e r F M i n c r e a s e s t h e h i g h e r t h e b i t r a t e .

T h i s i n c r e a s e in p e r f o r m a n c e of P M o v e r F M i s e x p l a i n e d in t e r m s of l i n e d i s t o r t i o n u s i n g t y p i c a l e y e p a t t e r n s o b t a i n e d d u r i n g t h e t e s t s a s s h o w n in F i g u r e 2 . 1 2 .

D a t a i s d e c o d e d b y s t r o b i n g at p o i n t s T ^ a n d T ^ , i . e . 2 5 % a n d 7 5 % of a b i t p e r i o d f o r F M d a t a , b u t a t T ^ o n l y f o r P M d a t a . At l o w b i t r a t e s t h e e f f e c t of i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e i s m i n i m a l a n d a n e y e p a t t e r n s u c h a s F i g u r e 2 . 1 2 ( a ) i s o b t a i n e d . As t h e b i t f r e q u e n c y i n c r e a s e s i n t e r s y n i b o l i n t e r f e r e n c e a l s o i n c r e a s e s , g i v i n g r i s e t o a n e y e p a t t e r n s u c h a s F i g u r e 2 . 1 2 ( b ) . . It i s s e e n t h a t at t h e l o w e r f r e q u e n c i e s e y e o p e n i n g s a t t h e s t r o b i n g i n s t a n t T^ a n d T ^ a r e a l m o s t t h e s a m e . H o w e v e r a s t h e bit f r e q u e n c y i n c r e a s e s t h e e y e o p e n i n g a t T^ b e c o m e s s i g n i f i c a n t l y l e s s t h a n a t T ^ . S i n c e f o r F M d a t a i s d e c o d e d f r o m d e c i s i o n s a t b o t h T^ a n d T ^ , d a t a e r r o r s f o r F M t e n d to i n c r e a s e f a s t e r w i t h i n c r e a s i n g bit r a t e t h a n f o r P M d u e to t h e f a s t e r r a t e of c l o s u r e of t h e e y e o p e n i n g a t T^ a s o p p o s e d t o t h a t a t T ^ .

(33)

- 2 0

1

T h e g r a p h s of F i g u r e 2 . 1 4 a r e d e r i v e d f r o m F i g u r e 2.11 t o s h o w t h e i n c r e a s e in S / N r a t i o r e q u i r e d t o m a i n t a i n c o n s t a n t v a l u e of e r r o r r a t e ( P ) a s b i t r a t e i n c r e a s e s . T h e i n c r e a s e s of S / N a r e r e l a t i v e t o t h e v a l u e s f o r z e r o l e n g t h of c a b l e ; t h e y a r e t h e r e f o r e r e l a t e d t o t h e v a r i a t i o n of l i n e l o s s w i t h f r e q u e n c y . T h e a p p a r e n t i n c r e a s e i n l i n e l o s s f o r F M d a t a a s b i t r a t e i n c r e a s e s

s c l e a r l y e v i d e n t . T h e F M c u r v e in p a r t i c u l a r s h o w s a t e n d e n c y t o f o l l o w l i n e l o s s c u r v e a t l o w b i t r a t e s b u t d e v i a t e m o r e a t h i g h e r b i t r a t e w h e r e i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e b e c o m e s p r e d o m i n a n t .

V a r i a t i o n of L i n e L e n g t h

T h e e f f e c t of l i n e l e n g t h f o r a f i x e d b i t r a t e i s s h o w n in F i g u r e 2 . 1 5 . T h e r e s u l t s a r e p l o t t e d f o r 3 M b / s d a t a r a t e u s i n g i d e a l c l o c k a n d P M a n d F M d a t a . T h e g r a p h s of F i g u r e 2. 16 a r e d e r i v e d f r o m F i g u r e 2 . 1 5 t o s h o w t h e i n c r e a s e in S / N r a t i o r e q u i r e d t o m a i n t a i n c o n s t a n t e r r o r r a t e a s t h e c a b l e l e n g t h v a r i e s . A l s o s h o w n i s t h e c o r r e s p o n d i n g l i n e l o s s .

It i s o b s e r v e d t h a t , l i k e t h e v a r i a t i o n of b i t r a t e , F M i s m o r e s u s c e p t i b l e t o l i n e l e n g t h i n c r e a s e t h a n P M .

T h e p o o r e r p e r f o r m a n c e of F M i s a g a i n e x p l a i n e d b y t h e f a s t e r r a t e of c l o s u r e of t h e f i r s t h a l f b i t e y e o p e n i n g a s t h e l i n e

d i s t o r t i o n i n c r e a s e s . F i g u r e 2 , 1 7 s h o w s t h e c a l c u l a t e d e y e

p a t t e r n s f o r a b i t r a t e of 3 M b / s a n d v a r i o u s l e n g t h s t o i l l u s t r a t e t h e e y e c l o s u r e p h e n o m e n o n .

(34)

21

2. 3. 3 M e s s a g e E r r o r R a t e T e s t s

A s u m m a r y of r e s u l t s o b t a i n e d f o r t e s t s c a r r i e d out to d e t e r m i n e t h e e f f e c t i v e n e s s of t h e c o d e v i o l a t i o n e r r o r d e t e c t i o n s c h e m e f o r b o t h P M a n d F M c o d e s i s p r e s e n t e d in t h i s s e c t i o n . Bit u n d e t e c t a b l e e r r o r s i s o b t a i n e d b y e x t r a p o l a t i o n of t h e m e s s a g e e r r o r r a t e

c u r v e s a n d c o m p a r e d w i t h t h e o r e t i c a l l y p r e d i c t e d v a l u e s .

M e a s u r e m e n t S y s t e m

A b l o c k d i a g r a m of t h e e x p e r i m e n t a l s e t up i s s h o w n in F i g u r e 2 . 1 8 . T h e ' l i n k ' p o r t i o n of t h e s y s t e m i s t h e s a m e s e t up u s e d f o r the bit e r r o r r a t e t e s t s d e s c r i b e d in s e c t i o n 2. 3 . 2 . P s e u d o - r a n d o m d a t a g e n e r a t e d by t h e ' l i n k ' i s e f f e c t i v e l y a s y n c h r o n o u s l y s u b d i v i d e d into m e s s a g e s by the M e s s a g e E r r o r R a t e T e s t ( M E R T ) unit ( s e e A p p e n d i x H f o r d e t a i l e d d e s c r i p t i o n ) . D u r i n g t h e m e s s a g e p e r i o d w h i c h c a n b e p r e s e t u p to 16 b i t s l o n g , a n y c o d e e r r o r p u l s e s

p r o d u c e d b y t h e d e c o d e r s e t a f l i p - f l o p a n d s i m i l a r l y d a t a e r r o r p u l s e s f r o m t h e B E R T u n i t s e t a s e c o n d f l i p - f l o p . In t h e 3 - b i t i n t e r v a l b e t w e e n m e s s a g e s t h e f l i p - f l o p o u t p u t s a r e s t r o b e d to p r o d u c e t h r e e p o s s i b l e p u l s e o u t p u t s i n d i c a t i n g t h e f o l l o w i n g t y p e s of e r r o n e o u s m e s s a g e :

(a) c o n t a i n i n g o n e o r m o r e c o d e e r r o r s ( M C E ) ; (b) c o n t a i n i n g o n e o r m o r e d a t a e r r o r s ( M D E ) ;

(c) c o n t a i n i n g o n e o r m o r e d a t a e r r o r s but no c o d e e r r o r , i. e . a n u n d e t e c t e d m e s s a g e e r r o r ( M U E ) .

M e s s a g e e r r o r r a t e i s m e a s u r e d by f e e d i n g t h e r e s p e c t i v e output (MCE o r M D E o r M U E ) into the ' B ' c h a n n e l of a H e w l e t t P a c k a r d C o u n t e r / T i m e r t y p e 5 3 2 6 A s e t up to d i s p l a y f r e q u e n c y . U s i n g t h e ' e n a b l e ' o u t p u t a s a n e x t e r n a l t i m e b a s e , t h e r e a d i n g in M H z d i v i d e d by l O g i v e s t h e e r r o r r a t e n o r m a l i s e d t o t h e m e s s a g e r a t e and the m e s s a g e e r r o r p r o b a b i l i t y . T h e bit r a t e c l o c k to the M E R T c i r c u i t i s s u p p l i e d by t h e s t r o b e p u l s e o u t p u t f r o m t h e

(35)

22

T e s t P r o c e d u r e s

T h e g e n e r a l p r o c e d u r e f o r t h e t e s t s w a s t o s e t up t h e ' l i n k ' a s in s e c t i o n 2. 3. 2 f o r a p a r t i c u l a r f r e q u e n c y a n d s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o t o g i v e c o n s t a n t d a t a a n d c o d e e r r o r r a t e s . M e s s a g e e r r o r r a t e m e a s u r e m e n t s a r e m a d e b y s e l e c t i n g m e s s a g e l e n g t h s in a p p r o p r i a t e s t e p s a n d r e a d i n g off t h e c o r r e s p o n d i n g m e s s a g e e r r o r r a t e s on t h e H, P . c o u n t e r . A d a t a b i t r a t e of 2 5 0 K b / s w a s u s e d f o r a l l t h e t e s t s .

T e s t R e s u l t s

T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d a s g r a p h s of P a g a i n s t m w h e r e P ^ i s t h e m e s s a g e e r r o r r a t e a n d m i s t h e m e s s a g e l e n g t h r e s p e c t i v e l y .

T y p i c a l m e s s a g e e r r o r r a t e c u r v e s o b t a i n e d u s i n g s t r o b e d e t e c t i o n d e c o d e r w i t h a n i d e a l c l o c k e x t r a c t i o n f o r P M a n d F M c o d e d d a t a a r e shDwn in F i g u r e 2 . 1 9 . T h e g e n e r a l t r e n d of t h e s e c u r v e s t e n d to c o n f i r m t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s of A p p e n d i x A . 4 t h a t m e s s a g e e r r o r r a t e v a r i e s l i n e a r l y w i t h m e s s a g e l e n g t h . T h e a p p r o x i m a t e b i t e r r o r r a t e P , o b t a i n e d by f i n d i n g t h e s l o p e s of t h e P v r s m c u r v e s i s s u m m a r i s e d in T a b l e 2 , 1 . It s h o w s t h e f o l l o w i n g g e n e r a l t r e n d :

C o m p a r i s o n of d a t a e r r o r r a t e s a n d c o d e e r r o r r a t e s s h o w t h e e x p e c t e d r e l a t i o n s h i p a s g i v e n in A p p e n d i x A . 1 a n d A . 2, t h a t c o d e e r r o r r a t e s a r e e q u a l f o r P M a n d F M a n d t h a t d a t a e r r o r r a t e s a r e in t h e r a t i o 1 : 2 f o r P M a n d F M r e s p e c t i v e l y .

T h e u n d e t e c t a b l e b i t e r r o r r a t e f o r P M s e e m t o c o n f i r m t h e r e s u l t s of t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a s g i v e n in A p p e n d i x A . 3 . 1 t h a t f o r P M , u n d e t e c t a b l e e r r o r r a t e s a r e e q u a l to t h e s q u a r e of t h e d a t a bit e r r o r r a t e . T h i s r e s u l t i s b o r n e o u t by t h e c l o s e n e s s of t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s to t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s s h o w n in a

(36)

23

BIT

P M F M

E R R O R R A T E T h e o r e t i c a ^ / ^ x p t . T h e o r e t i c a l / E x p t .

P b d e P e P e P e P e

^ b c e 2 P e 2 P e P e P e

P 2

e L 0 5 P ' e O. 2 7 P e

Figure

Figure  4.  8  d e s c r i b e s  the  a l g o r i t h m  flow  chart  used.  Details  of

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