Edge position modulation for wireless infrared communications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thomas Lüftner

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Edge Position Modulationfor Wireless Infrared CommunicationsDer Technischen Fakultät derUniversität Erlangen-Nürnbergzur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEURvorgelegt vonThomas LüftnerErlangen - 2005Als Disseration genehmigt vonder Technischen Fakultät derUniversität Erlangen-NürnbergTag der Einreichung: 18. April 2005Tag der Promotion: 1. August 2005Dekan: Prof. Dr. rer. nat. Albrecht WinnackerBerichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing.habil. Robert WeigelProf. Dr.-Ing. Richard HagelauerPulsflanken Positions Modulationfür drahtlose Infrarot-KommunikationThomas LüftnerErlangen - 2005Ich widme diese Arbeit meiner liebevollen Freundin Birgit und meiner großartigen Familie: meinem Vater Alfred und meiner Mutter Gabriele, meinem Bruder Markus und seiner Frau Silvia und deren Kindern Moritz und Elena, und meinem Opa Willy und meiner Oma Maria. Thomas vviEinleitungGetrieben von der Infrared Data Association (IrDA) wurde die drahtlose Infrarot-Kommunikation in den letzten Jahren zu einer sehr populären und weit verbreiteten Methode zur Kurzstrecken-Datenübertragung zwischen mobilen Geräten wie Laptops, PDAs und Mobiltelefonen. Aufgrund der "Point & Shoot"-Eigenschaft zeichnet sich IrDA im Besonderen bei Anwendungen aus, die einen schnellen Verbindungsaufbau erfordern.
Publié le : samedi 1 janvier 2005
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Edge Position Modulation
for Wireless Infrared Communications
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von
Thomas Lüftner
Erlangen - 2005Als Disseration genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 18. April 2005
Tag der Promotion: 1. August 2005
Dekan: Prof. Dr. rer. nat. Albrecht Winnacker
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing.habil. Robert Weigel
Prof. Dr.-Ing. Richard HagelauerPulsflanken Positions Modulation
für drahtlose Infrarot-Kommunikation
Thomas Lüftner
Erlangen - 2005Ich widme diese Arbeit meiner liebevollen Freundin Birgit und meiner großartigen Familie:
meinem Vater Alfred und meiner Mutter Gabriele, meinem Bruder Markus und seiner Frau
Silvia und deren Kindern Moritz und Elena, und meinem Opa Willy und meiner Oma Maria.
Thomas
vviEinleitung
Getrieben von der Infrared Data Association (IrDA) wurde die drahtlose Infrarot-
Kommunikation in den letzten Jahren zu einer sehr populären und weit verbreiteten Methode zur
Kurzstrecken-Datenübertragung zwischen mobilen Geräten wie Laptops, PDAs und
Mobiltelefonen. Aufgrund der "Point & Shoot"-Eigenschaft zeichnet sich IrDA im Besonderen
bei Anwendungen aus, die einen schnellen Verbindungsaufbau erfordern. Dabei übertrifft es
andere Lösungen wie die Funkübertragung entsprechend dem Standard "Bluetooth" oder die auf
dem Standard "Universal Serial Bus (USB)" basierende Datenübertragung mittels Kabel.
Qualität und Geschwindigkeit der Infrarot-Kommunikation sind im Wesentlichen durch die
Bandbreite des Infrarot-Transceivers limitiert. Daher ist es wichtig eine Modulationstechnik mit
hoher Bandbreiteneffizienz zu verwenden und dabei gleichzeitig eine niedrige Bitfehlerrate und
eine hohe Leistungseffizienz aufrecht zu erhalten. Konsequenterweise hat die IrDA die
Modulationstechniken ihrer Standards kontinuierlich verbessert. Es wurden schrittweise die
Verfahren "Return to Zero Inverted (RZI)" für die "Serial Infrared (SIR)"-Datenübertragung, "4
Pulse Position Modulation (4-PPM)" für die "Fast Infrared (FIR)"-Datenübertragung und
"HHH(1,13)" für die neueste "Very Fast Infrared (VFIR)"-Datenübertragung eingeführt. Die
vorliegende Arbeit soll mit dem Verfahren "Edge Position Modulation (EPM)" eine neuartige
Modulationstechnik präsentieren, die eine verbesserte Bandbreiteneffizienz und eine
verbesserte Leistungseffizienz gegenüber den oben genannten Verfahren besitzt. Diese neue
Modulationstechnik soll auf die Eigenschaften des drahtlosen Infrarotkanals optimierbar sein
und soll dadurch auch eine niedrige Bitfehlerrate aufrechterhalten können.
viiviiiZusammenfassung
Das einführende Kapitel 1 gibt nach einer kurzen Motivation einen Einblick in die Historie und
in den Stand der Technik der drahtlosen Infrarot-Kommunikation. In diesem Kapitel wird der
IrDA Standard vorgestellt und als Referenz für die darauf folgende Arbeit definiert. Die
Anforderungen an die Modulationstechnik für eine zuverlässige Datenübertragung werden
durch die Eigenschaften des drahtlosen Infrarotkanals bestimmt. Daher präsentiert Kapitel 2 die
Komponenten der physikalischen Schicht eines IrDA-Übertragungssystems und die
wesentlichen Eigenschaften der optischen Verbindung. Damit wird dann ein einfaches
mathematisches Modell des drahtlosen Infrarotkanals hergeleitet. Kapitel 3 bereitet dann die
theoretischen Grundlagen der Modulation und Demodulation durch eine generische
mathematische Beschreibung der involvierten Signale und Kodierungsschritte auf. Daraus
werden dann die grundsätzlichen Bewertungskriterien für die Modulationstechniken hergeleitet
und bestimmt. Die Bewertungskriterien werden die Bandbreiteneffizienz, die Leistungseffizienz
und die Fehlerübertragungsrate sein. Als Referenz für EPM präsentiert Kapitel 4 die wichtigsten
auf Puls-Positions-Modulation basierenden Techniken, die zurzeit in den diversen drahtlosen
Infrarot-Übertragungssystemen für mobile Geräte eingesetzt werden. Im Besonderen werden
die Modulationsverfahren, die von den IrDA-Standards verwendet werden, anhand der
Bewertungskriterien aus Kapitel 3 bewertet, wobei für die Evaluierung der
Fehlerübertragungsrate das Kanalmodell aus Kapitel 2 verwendet wird. Die neuartige
Modulationstechnik EPM wird dann in Kapitel 5 eingeführt. Nach der Präsentation der
grundlegenden Idee hinter EPM werden die erreichbaren Bandbreiteneffizienzen für
verschiedene Varianten von EPM hergeleitet. Es wird aufgezeigt, dass die Variante
EPM(5,12,1/3,1) eine viel versprechende Alternative zu den zurzeit verwendeten Methoden ist
und daher analysiert Kapitel 6 diese EPM-Variante näher im Detail. Zuerst werden die
prinzipiellen Modulations- und Demodulationsschritte von EPM(5,12,1/3,1) beschrieben und
dann wird ein neuartiger "1/3-Rate RLL(5,12) Code" eingeführt, der die Realisierung der
EPM(5,12,1/3,1)-Modulationstechnik ermöglicht. (Die Generierung dieses RLL(5,12)-Codes
wird im Anhang A beschrieben.) Anschließend werden die Bewertungskriterien angewandt,
wobei gezeigt wird, dass EPM(5,12,1/3,1) nicht nur eine exzellente Bandbreiteneffizienz
aufweist, sondern auch eine verbesserte Leistungseffizienz besitzt und auch die
Fehlerübertragungsrate konkurrenzfähig ist. Dann wird gezeigt, wie EPM(5,12,1/3,1) in ein
IrDA konformes Infrarot-Kommunikationssystem integriert werden kann. Schließlich wird in
ixKapitel 6 noch der angefertigte HW-Prototyp mit den entsprechenden Messergebnissen
präsentiert, wodurch die Funktionalität von EPM(5,12,1/3,1) nachgewiesen wird. Abschließend
wird in Kapitel 7 ein Vergleich zwischen den Leistungsfähigkeiten der einzelnen
Modulationsverfahren gebracht. Als Konklusion werden im Besonderen die Vorteile und
Nachteile des neuartigen EPM-Verfahrens zusammengefasst und hervorgehoben.
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