Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical   an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 ,  Decem ber   201 8 , p p.   4184 ~ 4196   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v8 i 6 . pp 4184 - 41 96          4184       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Perform ance An alys i s of IEE E  802.15.4 T ra ns ceiv er Syste m  un der Adaptiv e Whi te G aussian Ch annel       Ekhl as   Kadh um ,  Ru ss ul H aitham   Control   and  S y s t ems   Engi nee r ing   D e par tment ,   Un ive rsit y   of Tec h nolog y ,   Ir aq       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma y   2 , 2 01 8   Re vised  Ju l   9 ,   201 8   Accepte d  Aug   2 , 2 01 8       Zi gbe e  t ec hnolo g y   h as  be en  d eve lop ed  for  s hort  ran g e  wire le ss   sensor   net works   and  it  foll ows   IEE E  802. 15. 4  stand ar d.   For  such  sensors ,   seve ral  conside ra ti ons  should  be  t ake n   inc ludi ng ;  low   dat a  r ate  and  le ss   design   complexi t y   in  orde r  to  ac hi ev e  eff icient   pe rf orm anc e  consid eri ng  to  the   tra nsce ive r  s y st ems .   Thi s  rese arc h  foc uses  on  implementi ng  a  digi tal   tra nsce ive r  s y s te m   for  Zi gbee   se nsor  base d  on  IEE E  802 . 15. 4 .   T he  s y stem  is  implemente d  u sing  offset   qu adr at ur e  phase   shift  ke y i ng   (OQ PS K)   m odula ti on  t ec h nique   with   hal f   sine  pulse - sh api n g  m et hod.   Dir ec t   conve rsio n   sche m e  has  bee n  used  in  the   design  of  Zi gbee   rec e ive r  in  or der   to  fulfi ll   th e   req uire m ent s  m e nti oned   above.  S y stem  p erf orm anc e  is  an aly z ed  conside rin g   to  BER  when  it   enc oun te r ed  ada pt ive   whit e  Gauss ia n  noise  (AW G N),  beside s  show ing  the   eff e ct   of  usi ng  dire c t  seque n ce   spre ad  spec tr um   (DSSS )  te chn ique .   Ke yw or d:   A WGN c hann el     DS S S   IEEE 8 02.15.4   OQPS K   Zigb ee  tra ns cei ver   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Russu l  Hait ha m ,    Con tr ol a nd Sy stem s En gi neeri ng   De par tm ent,   Un i ver sit y o f  Tech no l og y,   Ba ghda d,   Ir a q.   Em a il : ru ssu l h@gm ai l.co m       1.   INTROD U CTION       Du e   to   the  a dvance s  in   wi r el ess  com m un ic at ion s  a nd  e le ct ro nics   ove r  the   la st  fe w   ye ars,  the   dev el op m ent  of   net wor ks   of  low - cost,  lo w - powe r,   an d  m ulti - fu nctio nal  sens or s  re cei ved   an  inc reasin g  at te ntion .  T hes e  sensors  are  s m al l  in  siz e  and   able  to  se ns e ,  pr ocess  data,  and   c omm un ic at e  with  each  oth e r  ov e r  a n  RF  (r a dio   fr e quency )   cha nn el .   A  se ns or  netw ork  i s  desi gn e d  t o  detect   eve nts  or  phe no m ena,  colle ct  and   process  da ta ,  and   tra ns m it   sensed   in for m at ion   for  the   intende d  us er s  [ 1 ] ,   [ 2 ] .T hes e  netw orks  ha ve  the   p ote ntial   of   int erf aci ng  the  ph ysi cal   wo rld  w it h  the  virtua l  ( com pu ti ng)  w orl d  in  a n  un pr e ceden te d  scal e   and   pro vid e  pract ic al   us efu l ness  i n  de velo ping  a   la rg e  num ber   of   a pp li cat ions ,  includi ng  the   protect ion   of  ci vi l   infr a struct ur es  [ 3 ] ,  ha bitat   m on it or i ng,  preci sion   ag ricult ure ,  tox ic   gas  det ect ion ,  s upply  chain  m anag e m ent,  and h eal th  care   [ 4 ] .   Zigb ee  is  c ons idere d  one  of  wireless  se nso r  de vices  op e r at es  unde r  IE E E  802.1 5.4  sta nd a r d.   T his  sta nd a rd   has  be en  intr oduce s  by  Zig bee  Alli ance  [ 5 ] .  Zig be e  sta nd a rd   was   create d  to  a dd ress  the  m ark et   need  for  c os t - e ff ect i ve,  sta ndar d - ba sed  wireless  netw orkin g  so l utions  that  su pport   lo w  data  r at es  transceive rs,   low  powe r  c on s umpti on  [ 6 ] ,  sec ur it y,  a nd  reli abili ty   through   wireless   pe rs on al   a rea  net works  ( WPA Ns)  [ 7 ] .  Zigb ee   te ch nolog y  ca n  be  worked  within   three  va rio us  fr e quency  ba nd s   acco r ding   to  the   ge ogr aph ic al   cov e ra ge  area .   In   Eu r op e ,  868 - 868.6  MH z   (86 8  MHz )  i s  us e d,   i n  N or ther n  Am erica  902 - 92 8  MH z  (91 5  MHz),  wh il e  the  2.4  GH z  is  us e d  al l  ov er  t he  w or l d,   an d  it   dep en ds   on    un li cen sed  Ind us tria l,  Scie nti fic  and   Me dical (I SM ) radi o bands  [ 8 ] .     It  is  know n  that  the  wirel ess  m ediu m   i s  influ e nce d  by  real  tim e  conditi ons  su c h  as  sig nals   interfe ren ce ,  dopple r  sh ift,   a nd   pat h  los s;  wh e re  the se  pa ram et ers  have  the  ef fect  of  de gradi ng   w irel ess  transm issi on   pe rfor m ance  [ 9 ] .  Hen ce ,  it   is  qu it e  i m po rtant  to  pro vid e  a  tr ansceive r  syst em   that  cou ld  be   able   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Perf orma nce A na ly sis  of  IEE E 80 2.15.4 Tr anscei ver  Syste m under   Ad apti ve Whit e   ...   ( E khlas  Ka dhum)   4185   to accom m od at e w it h suc h  e nvir on m ents.   On e  of   the  m ain   chall en ges  in   desig ning  a  di gital   transceive r  syst e m   is  to  at ta in  a  syst e m  with  su c h  an  acce pte d  pe rfor m ance  in  r eal   tim e  env iro nm ents.  Fo r  s uc h  syst e m ,  bit  error   rate  (BE R)  is  con side re d  to  be   an  im po rtant  m easur e m ent  factor   that  dete rm ines  the  num ber   of   bits  corrupted  duri ng  tra ns m issi on   against   the  total   num ber   of  tra nsfer r ed  bits.  He nce ,  determ ine  th e  eff ic ie ncy  of  the  di gital   syst e m   in  facin g  su c h  env i ronm ents.   This  resea rch   aim s  to  pr esent  a  m od el   for  Zigbe e  t ran s cei ver   syst em   based   on   IE EE  802.1 5. 4  sta nd a rd,  an d  sp eci fical ly   fo r  t he  2.4  G HZ  f re qu e ncy   band.   The  obj ect iv es  of  t his  resea rch  c an  be   su m m arized as foll ow s:   1.   To  im ple m ent  2.4  G HZ  Zi gbee  transcei ver   syst e m   based   on  IE EE  80 2.15.4.   Offset  qu a drat ur e  phase   s hi ft   keyi ng   (OQP S K)   m od ulati on   te chn iq ue  with  half  sine  w ave  as  a  pulse   sh api ng,  an d  direct   seq ue nc e  sp rea d spectr um  ( DS SS) as a  sp rea ding tec hniq ue  a re such   sign ific a nt s pe ci ficat ion s  within t his stan da r d.     2.   To  a naly ze   sy stem   per f orm a nce,   co ns ide ri ng  BER ,  unde r  a dap ti ve   w hite  Ga us sia n  noise   (AWG N)   channel a nd to   com par e the sit uations  wh e n  t he  syst em  is w it h  or  with ou t  D SSS.       2.   Z IGBE E AR CHI TE CT U R E   Ba sed  on  op e n  syst em   interco nnect ion   ( OS I )  re fer e nc e  m od el ,  Zig bee  pr oto c ol  la ye rs  can  be   div ide d.   T her e   are  so m e  adv antages  relat e d  with  this  div isi on.  Firstl y,  whenev e r  prot ocol   chan ge s  over   tim e,   it   is  po ssi ble  to  a pp ly   the   re qu i red   m od ific at ion   or   re pl ace m ent  to  the  l ay ers  af fected  by  that  c hange   rath e r   than  al te ri ng  the  whole  prot oco l.   Sec ondly,  if  th ere  a re  any  en ha ncem ents  to   be   do ne   for  de velo pin g  a n  app li cat io n,   it   can  be   at ta ined  f ro m   a  third  par ty   in depen den tl y  f ro m   the  lowe r  la ye rs.  In   oth e r  wor ds,  t he   changes  a re  ap plied  on  the  ap plica ti on   la ye r  on ly     [ 10 ] .  IEE E  802.1 5.4  sta nd a r d  de fines  sp eci ficat io ns   of   t he   two  bott om   lay ers  (PHY  a nd   MAC   la ye r) .  The  rem ai nin g  uppe r  la ye rs  of   Zigb ee  protoc ol   (n et wor k,   sec ur it y,  and ap plica ti on profil e lay er)   are  def ine d by  Zigb ee  A ll ia nc e  [ 11 ] .     Zigb ee   P HY  la ye r  is  res pons i ble  f or  perform ing   spreadi ng,  m odulati on ,   dem od ulati on  a nd   des pr ea ding  f unct ions  [ 12 ] .  I n  orde r  to  re duce  the  im pact   of   noise   from   adj ace nt  netw orks,   direct  se qu e nce  sp rea ding  se quence  ( DS SS )  is  us ed  to  inc re ase  the  fr e qu e ncy  of   the  sig nal  hen ce  in cr easi ng   it s  pow er  [ 13 ] .  OQPS K  m od ul at ion   te ch niqu e  an d  DSSS  s pr ea ding  te c hniqu e   are   us e d  in  2.4  G HZ  ba nd ;   w her e   eac h  4 - bit   sy m bo l  is  m app ed   into   a  32  c hip   PN  se qu e nc e.  I n  t he  915  MHz  a nd  86 8  MHz  bands,  th e  Bi nar y  P hase   Sh i ft   Keyi ng   (BPS K)   m odulati on  te chn i qu e  is  us e d  besi des  m app in g  eac h  on e - bit  sy m bo l  into  a  15  c hip   P N   seq uen ce   [ 14 ] , [ 15 ] .    OQPS K,   al so   cal le d  Stagge r ed  Q PS K  (SQ PSK),  is  a  m od ifie d  versi on  of   QP S K.   I n  this  te ch nique,   the  carrier  wave  per m it s   to  send   the  sig nal  f or   f our  ort ho gonal  ph a ses.  T he   ben e fit  beh in d  this  m od ific a ti on   is  to  delay   t he  s ign al   by  a  hal f  cy cl e  s o  as   to  av oi d  po s sible  c hange  i n  sig nal  phase   [ 16 ] - [ 18 ] .  OQPSK  m od ulati on  e quit at ion  c ould  be writt en  as  foll ows  [ 19 ] :        i t f c t s i 2 c o s ) ( ,    t 0     (1)             Wh e re:     4 1 2 i i     (2)     The  ca rr ie r  phase  can   ta ke   one  of  the   f our  sp ace d  values:  . 4 7 a n d , 4 5 , 4 3 , 4 Eq uation  ( 1)  c an  be  furth e r   wr it te n  as:     t f c i t f c i t s i 2 s i n s i n 2 c o s c o s ) (   (3)     ) ( 2 2 ) ( 1 1 ) ( t s i t s i t s i   (4)       Wh e re:   T t t f c t 0 , 2 co s 2 ) ( 1   ( 5)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4184   -   4196   4186   t f c t 2 c o s 2 ) ( 2   (6)     i s i c os 1   (7)     i s i s i n 2   (8)     s i s i i 1 2 t an 1   (9)     As  a  res ult,  O QP S K  m odulati on   sig nal can   be  e xpresse d  a s:      t t f c t Q t f c t t s , 2 s i n ) ( 2 2 co s ) ( 2 ) (          (10)     wh e re  f c   repres ents the  freq ue ncy of ca rr ie r   wav e .    In   or der   to  m e asur e  the p er form ance  of   dig it al   m od ulati on  sch em e,  two  ter m s  hav e  to  be  con side re d;   it s  power   e ff i ci ency  an d  ba ndwidt h  ef fici ency.  P ower  e ff ic ie ncy  def i ne s  the  ca pab il it y  of   a  m od ul at ion   te chn iq ue  t o  m ai ntain  the  fid el it y  of   the  digi ta l  m ess age  at   low  le vels  of  powe r.   In  a  dig it al   com m un ic at ion  syst e m ,  an  increasin g  in  si gn al   powe r  le ads  to  a n  inc r easi ng   i n  nois e  i m m un it y.  Howe ver,  the  ty pe  of  m od ulati on   e m plo ye d  deter m ines  the  pos sible  am ou nt  by  w hich  the  sign al   po wer   i s  increase d  (i. e.,  an   acce pted  bit  error   pro bab il it y)  to  get  a  cer ta in  le vel  of   fi delit y.  The  po wer   e ff ic ie ncy   (also  cal le d  e nergy  eff ic ie ncy)   is  def i ned   a s  the  rati o  bet wee n  the  sig nal  pow er  pe r  bit  an d  no ise   powe r  s pectral  den sit y  E b N o ⁄   necessa ry  for  the  recei ver   in put  for  a  certai n  value  of   e rror  p r obabili ty   (say    10 - 4 )  [ 20 ] .  B ER  can  be  de fined   a s   the  total   nu m ber  of  bits  co rrup te d  durin g   transm issi on   to  the   overall   num ber   of  bi ts  trans ferred   ov e r  a   com m un ic at ion  c hannel a nd i t can  be  cal c ulate d  as  [ 21 ] :     b i t s   of n u m b er     O v er al l b i t s   ed   t r an s f er r of N u m b er   BER   (11)     Fu rt her m or e,   the  rati o  of   t ransm it te d  sign al   powe r  to   the  powe r  of  noise   r epr ese nts  t he  S ign al - to - No ise   Ra ti o  (S NR )  a nd it  is m easur ed  in  dec ibel ( dB). S NR ca n be e xpresse d  as  [ 22 ] :     P o w er   N o i s e P o w er   S i g n al l o g 10 10 S NR   ( 12)       Fo r  OQP SK, t he  total   pro babi li t y of  e rror  pe r bit  is  [ 11 ] :     P e = Q ( √ 2 . SNR   (13)     wh e re  Q   re pr es ents  the   f un ct i on  Q ( x )   us ed   to  c al culat e  the  ar ea  unde r  t he  t ai l  of   Ga us sia n  probabil it y  distrib ution f unct ion ( pdf )  a nd it  is cal culat e d  as   [ 22 ] :     Q ( x ) = 1 √ 2π ∫ e − ( t 2 2 ⁄ ) ∞ x dt   (14)     Fo rm  equati on  ( 13 ) , it i s clea r   that any i nc rea sing i n SNR le ads  t o decrease  in  BER .     3.   PROP OSE D SYSTE M   Feat ur es  s how n  in  T able  1  ar e  con side re d  f or   im ple m entin g  the  Zig bee  transceive r  syst e m .  Fo r  the  transm itter  pa r t,  the  m ai n  co m po nen ts  i nclud i ng ;  bit - to - s ym bo l  an d  sy m bo l  to  chip   m app i ng,  se rial   to  par al le l  conve rsion,  ba seba nd   wav e f orm   sh aping   a nd  m od ulat ion   a re  de picte d.   F urt her m or e,  t he  conve rsion  f rom   RF  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Perf orma nce A na ly sis  of  IEE E 80 2.15.4 Tr anscei ver  Syste m under   Ad apti ve Whit e   ...   ( E khlas  Ka dhum)   4187   to  base band  si gn al ,  i n  ad diti on   t o  D/A  c on ver si on,  pa rall el   to  serial   conver si on   a nd  de sp rea ding  proc ess  are  al l  dep ic te d  in  the  receive r   par t.  Fig ur e  1  an d  Fig ur e  2  il lustrate   the  basic  el e m e nts  of   the   pro po s ed  transm itter and  r ecei ve r  m od e ls. Steps  s howi ng b el ow d e scr ibe the  desi gn  proce dure in m or e  d et ai ls.       Table  1.   Sp eci f ic at ion s  of   IEE E 80 2.15.4 f or  2.4 GHZ  Zig be e (PHY )  la ye r   [ 9 ]   Featu res   Valu e   Data Rate   2 5 0 k b p s   Frequ en cy  of  Oper atio n   2 .4 GHz   Nu m b e r  o f  Ch an n els   16   Ch an n el Spacin g   5 MHZ   Ch ip  Rate   2 Mbp s   Pu lse Sh ap in g   Half  Sine   Sp readin g  T echn iq u e   DSSS   Mod u latio n  T echn iq u e   OQPSK       B i t   t o   S y m b o l S y m b o l   t o   C h i p   M a p p i n g S e r i a l   T o   P a r a l l e l   C o n v e r t o r I n   p h a s e   D a t a Q u a d r a t u r e   D a t a I - C h a n n e l Q - C h a n n e l P u l s e   S h a p i n g P u l s e   S h a p i n g M o d u l a t o r M o d u l a t o r ∑   T r a n s m i t t e d   S i g n a l 2 M b p s C h i p   S e q u e n c e D i g i t a l   S i g n a l 2 5 0 k b p s   Figure  1.  Tra nsm itter m od el       L o w   P a s s   f i l t e r L o w   P a s s   f i l t e r L o w   P a s s   f i l t e r L o w   P a s s   f i l t e r P a r a l l e l   - t o   - S e r i a l   C o n v e r t o r P a r a l l e l   - t o   - S e r i a l   C o n v e r t o r S ( t ) S ( t ) R e c o v e r e d   D a t a R e c o v e r e d   D a t a D e l a y D e l a y   P u l s e   S h a p i n g P u l s e   S h a p i n g M o d u l a t o r M o d u l a t o r M o d u l a t o r M o d u l a t o r P u l s e   S h a p i n g P u l s e   S h a p i n g C o m p a r a t o r C o m p a r a t o r C o m p a r a t o r C o m p a r a t o r D e s p r e a d i n g D e s p r e a d i n g S a m p l e   &   H o l d   C i r c u i t S a m p l e   &   H o l d   C i r c u i t S a m p l e   &   H o l d   C i r c u i t S a m p l e   &   H o l d   C i r c u i t   Figure  2 .  Re cei ver m od el       Step1 :  Pr e par i ng  the  i nput  bi t  stream :  This  ste p  incl ud es   a pp ly in g  m app i ng  pr ocess  of  bit  to  sym bo l   and   sym bo l  to  chip.   At  first,  the  input  data  s tream   m us t  be  pr e par e d  to  m e et   IEEE  802.1 5.4  sp eci ficat io ns   for  data  rate  an d  chip  rate.   Pse udo - ra ndom   no ise   (PN )  chi p  seq uen ce  is  use d  to  c onstr uc t  a  direct  seq uen ce   sp rea d  s pectr um   (D SSS ).   T he   reason  beh i nd  the  us e  of  th is  te chn iq ue  is   to  increase  t he   fr e qu e ncy  of   input   data  stream   to   2  Mb ps   w hich   in  tu rn   m igh t  i m pr ove  tra nsm itter  perf or m ance  in  m ulti path  en vir on m ent.  It  is   al so   us e d  to  ac hieve  a n  i m prov em ent  in  sig nal  to  noise   ra ti o  (S NR )  thr ough ou t  inc reas ing   re sist ance  of   the  syst e m  tow ar ds anti ci pated  or  acci den ta l  j am m ing   [ 9 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4184   -   4196   4188   S te p2 :  Se rial   to  par al le l  co nv e rsion:  Pr i or  to  m od ulati on   process ,  th e  pr e viou s  co ded   data  are   separ at e d  i nto   In - phase   an d  Qu a drat ur e   dat a.  E ven  an d  odd  cl oc k  pu lse s  are  ge ner at e d  us i ng  JK - flip   flo p  i n  toggle  sta te ;  wh ere  the  po sit i ve  outp ut  (Q)  is  us ed  as  a  so urce  of  cl oc k  pu lse s  f or   the   first  D - flip  flop   t o  pro du ce   the In - ph a se d at a, w hi le   the  ne gative   outp ut  is fed  to  the   sec ond  D - flip f lo p  pro duci ng Q ua drat e  dat a .   Figure  3 de picts t he pr ocess  of se rial  to paral le l conversi on.   Step  3:  M o dul at ion   P ro ce ss:   OQPS K  m od ulati on   is  t he  sam e  as  QP SK   exc ept  the  Q - c ha nn el   i s   delay ed  by  T/2  seco nds.  Al though  the  po wer   de ns it y  and   er r or   pe rfo rm ance  are  the  sa m e  in  the  two  te chn iq ues ,  O QP S K  pr oduce s  a  m axi m u m   ph a se  cha ng e  of   π/ 2  in  c ontr ast   to  QP S K  w hi ch  prov i des  a  ph ase   sh ift  of  π  [ 23 ] .   The  ou t pu t  of   In - phase  a nd  Qu a drat ur e  dat a  is  firstly   m ul ti plied  by  half  sine  wa ve  to  pe rfor m   pu lse   s ha ping.  The  pu rpose  be hind  the  use   of  pulse   sh a ping   (also  cal le d  pr e - m od ulati ng   f il te r)   is  to  m ake  the   transm itted  sign al   sp ect r um     getti ng   m at ched   with  c h an nel   bandw i dth ,  he nce;  av oid in g  m ul ti path  and   inter - sy m bo l i nter fere nce  (I S I) ef fe ct s  [ 9 ] .  h al f  sin e pulse si gnal  c an be  represe nted  as   [ 24 ] :      p ( t ) =   sin π t 2 T c   (15)       J Q Q K S E T C L R Q Q S E T C L R D Q Q S E T C L R D C l o c k L o g i c   1 I n - P h a s e   I n p u t   D a t a Q u a d r a t u r e   I n p u t   D a t a E v e n   C l o c k Q - C h a n n e l O d d   C l o c k I - C h a n n e l     Figure  3 .  Seria l t o  pa rall el  conv e rsion       Nex t,   the   I - ch ann el   data  is   m ul ti plied  by  a  cosi ne  wa ve   of  2.4  G HZ  and  the   Q - c ha nn el   data  is   m ul ti plied  by  a  sine   wa ve   of   the  sam e  fr eq uen cy .   T he  fin al   m od ulate d  t ran sm it te d  sig nal  ( )   is  obta ined   by   add i ng  the  ou t pu t  of  I - cha nn el   and   Q - cha nnel .   At  the  re c ei ver ,  t he  in pu t  represents  t he   receive d  tra nsm it ted   sign al   a fter  pa ssing   t hro ugh  t he  c omm un ic a ti on   c hannel.  The  fo ll owin g  ste ps   de scri be  the  desi gn  pro cedure   of the  receive r m od el :   Step1 :  RF   to  Ba seband  c on ver si on :  at   firs t,  the  dem od ul at ion   process  i s  p e rfor m ed  by   m ulti plyi ng   the  In - phase  da ta   at   the  receiver  side  by  cos ine  carrier  sig na l;   wh il e  the  Qu ad ratu re  data  is  m ulti plied  by  sine  carrier  sig nal  to  pro duce  I - c ha nn el   an d  Q - c hannel  m od ula te d  sign al s.  T he   resu lt ant  sig nals  are  the n  pu lse - sh a ped   by  hal f   sine  pu lse   sha ping  sig nals,   si m il arl y  as  do ne  in   the  tra nsm itter  side.  I n  orde r  to  extra ct   the  no ise   pro duce d  by  the  c omm un ic at ion   ch ann el   a nd  to  get  the  rig ht  ve rsion  of   t he  t ran sm it te d  sign al ;  an   analo g  lo w pas s f il te r  is  us e d wit h  ce rtai n pa ram et ers.   Step2 :  A/D  c onve rsion:  sinc e   the  pr oduce d  f il te red   sig nals  are  in  a nalo g  f or m at ,  an  anal og  to  dig it al   (A /D )  c onve rt or   is   us e d  t o  ge ner at e  t he  digi ta l  sign al .  Ze r o  order  hold   c ircuit   f ollow e d  by  a  c om par at or   is  us e d  f or this  pur pose.    Step3 :   Parall el  to  ser ia l  C onve rsion:  the   I n - phase  a nd Q ua drat ur e  d at a  are  co m bin ed  t og e ther  us i ng  a   par al le l t o seri al  co nve rtor to   pro du ce  ser ia l  data.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Perf orma nce A na ly sis  of  IEE E 80 2.15.4 Tr anscei ver  Syste m under   Ad apti ve Whit e   ...   ( E khlas  Ka dhum)   4189   Step4 :  De spre adin g  proces s:  si m i la rly ,  as  perform ed  with  the  tran sm i tter  side,  the  re su lt ant  serial   data  is  des pr ea ded   us i ng   t he  sam e  PN   sequence  a nd   c hip   rate  sp eci fie d  by  the  sta nda r d.   T o  ov e rc ome   the   delay   that  m igh t  occ ur ,  a  delay   el e m ent  co uld   be   ad ded   a fter  the  P N  se qu e nce  to  e nsu re   it s  synchro ni zat ion   with that   at  the  tran sm it te r  side.       4.   CHAN NEL  MO DEL   In   order   t o  a naly ze  syst e m   perform ance  against  the  re al - tim e  env iro nm ents,  a  co m m un ic at ion   channel  has  be en  e qu i pped   betwee n  t he  tr ansm itter  an d  receiver   m od el .  I n  t his  re sear ch,   A dap ti ve  Wh it e   Gau s sia n  No is e  (AWGN )  c ha nn el   m od el   is  us e d.   A WGN  cha nnel   is  c onsidere d  t o  be  the  sim plest  no ise   m od el  u sed  by v ari ou s c ommun ic at io n  cha nnel s and h as r a ndom  p ro cesse s b eha vior that exists i n  nature  [ 23 ] .  Fo r  AWG N , the  tran sm it te d  sign al   sub j ect ed t o  noise  e ff ect   r ( t )   can  be  e xpres s ed  as:     r ( t ) = s ( t ) + n ( t )   (16 )     wh e re  s ( t )   is  the  m od ulate d  tra ns m itted  sign a l,  and   n ( t )   is  th e  no ise   a dded  by   A WG N  c ha nn el .   I n  this  researc h,   as  s how n  in  Fig ur e  4,   A WGN  cha nn el   is  ad de d  betwee n  the  tr ansm itter  and   receiver  m od el s  with           a v a riable  rang e of S NR  value s.       T r a n s m i t t e r   m o d e l T r a n s m i t t e r   m o d e l R e c e i v e r   M o d e l R e c e i v e r   M o d e l A W G N   C h a n n e l I n p u t   S i g n a l R e c e i v e d   S i g n a l   Figure  4 .  The   pro po se d  t ran s cei ver  syst em  w it h A WGN c hannel       5.   RESU LT S  AND SI MU L A TION  A NA L YS IS   Zigb ee   tra ns ce iver  syst em   has  bee n  im plem ented  based  on  IE EE  802. 15.4  s pecifica ti on s   f or  2.4   GH Z   f re qu e nc y  band  assum ing  the   in pu t  si gn al   is   in  a   bina ry  f or m at .  Fig ur e   5  sho ws  t he   ge ner al   struc ture  of  syst e m  i m ple mentat ion ,  whic h  incl ud e s the  tran sm it te r,  r ec ei ver ,  and BER  calc ulator .             Figure  5 .  Ge ne ral str uctur e  of  the pr opos e d  tr ansceive r  syst e m       An   i nput  bit  stream   has  been  pro du ce d  by  a   Ra ndom   In te ge r  Ge nerat or   bl ock   with  data  rate  of  25 0  kbps ; i .e . s am pling  ti m e is   4 e − 6   s,  a nd as s how n  i n Fi gure  6.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4184   -   4196   4190       Figure  6. I nput  d at a stream     The  tra ns m it ter   a nd  recei ver   m od el s  hav e   be en  im ple m ent ed  us in g  fun da m ental   com po nen ts   with i n  MATLAB/Si m ulink   to  s how  the  possibil it y  i n  desig ning  ra dio   tran sm i tt er  and   receive r  s yst e m   with  com plex  m od ulati on   te c hn i qu e   an d  wi th  ap pro pr ia te   pu lse   sh a ping  m et ho d  i n  reli able  an d  c os t - eff ect ive  way.   Af te r   gen e rati ng  the  input  seq ue nce ,  it   has  bee n  m ulti plied  by  a  P N  se qu e nce  of  32  chi ps   a nd   c hip   rate  of  2M bp s   to  pro du ce  a  DSSS  sig nal.  Si gn al   wav e f orm s   of   in pu t  s equ e nce  a nd   PN   se qu e nce  Gen e rato r  afte r  NR Z   conve rsion  are   dep ic te d  in  Figure  7  an d  Figure  8  res pecti vely ,  w hile  Figure  9  s hows  the  final  si gn a l  afte r   sp rea ding.           Figure  7. Bi po l ar inp ut seque nc e           Figure  8. P N  S equ e nce  Ge nerat or   O utput Si gn al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Perf orma nce A na ly sis  of  IEE E 80 2.15.4 Tr anscei ver  Syste m under   Ad apti ve Whit e   ...   ( E khlas  Ka dhum)   4191       Figure  9. I nput  seque nce af te r  apply ing   DSS S tech nique           The  res ulted  s ign al   has  be en  div ide d  i nto   e ve n  an d  odd  pa r t  to  pro du c e  th e  In - phase  a nd  Qu a drat ur e   data  us in g  se ri al - to - par al le l  c onve rtor.  T he   serial   to  pa rall el   co nv e rto r  ha s  bee n  co ns tr uc te d  us in g  a   J - K  flip  flo p  a nd  tw o  D  flip  flo ps   w it h  cl oc k  f re quen cy   of  16  M HZ.  since   the  OQPS K  m od ul at ion   sc hem e  i m plies  that  the  Q uadr at ur e  data  ha ve   to  be  s hifted   by  one  bit  pe r iod ,  a n  e xtra  D  flip  flo p  ha s   been   us e d  as  a  delay   el e m ent.  Figu r e  10   sho ws  the   odd  and   e ven   cl ock   pulse s  pr oduce d  by  J - K   flip  flop ,  wh il e  the   final  In - phase  and Qua dr at ure data a re shown  in Fi gure  11.         Figure  10. Clo ck pu lse s  of e ve n  a nd od d data           Figure  11. In - P hase a nd  qu a drat ur e  data   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4184   -   4196   4192     The  outp ut  data  fr om   In - phas e  and   Q uadrat ur e  cha nnel   ha ve  bee n  co nv e rted  into  NRZ  form at  and  then  m ulti plied  by  a  half - sine  wav e  at   2  MH Z  wh ic h  ha s  be en  pr oduce d  by  m ult iply ing   0.5  MHZ  pulse   wave   by  a   sin e  w av e  of  0. 5  MHZ .   Fig ur e s   12  a nd  13   sho w  the   ge ner at io n  of  half   - si ne  pu l ses  an d  t he  re su lt ant   ou t pu t  of eac h chan nel.           Figure  12. Hal f  sine si gn al   wa vefor m           Figure  13.  I n - ph a se a nd qua dr at ur e  data a fter  half  si ne pu l se sh a ping       Nex t,  acc ordi ng  to  e qu at io n  10,  m od ulati on  process  has  be en  pe rfor m ed  by  m ult iply ing   the  In - ph ase   data  by  sine  wav e  ca rr ie r  f reque ncy  of   2.4  GH z ,  w hile  the  data  of   Qu a drat ur e  ha s  bee n  m ulti pl ie d  by   or t hogonal  c osi ne  wa ve  at   th e  sa m e  fr eq ue ncy.  T he  final   m od ulate d  sign al   has  bee n  produce d  by  si m ply   add i ng the  res ul ta nt I - c ha nn el   and Q - c hannel  data an d  a s s hown in Fi gure   14 a nd Fig ure  15.            Figure  14. In - phase a nd  qu a drat ur e  data a fter  m od ulati on pr ocess   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Perf orma nce A na ly sis  of  IEE E 80 2.15.4 Tr anscei ver  Syste m under   Ad apti ve Whit e   ...   ( E khlas  Ka dhum)   4193       Figure  15. Res ultant t ra ns m itt ed  si gn al       At  the  receive r   side,  the  first  ste p  was  to  c onve rt  the  recei ved   RF  si gn al   into  a  base ba nd  wa vefo r m   by  firstly   per f orm ing   dem od ul at ion   process  t hro ugh  m ulti pl yi ng   the  In - phase  data  by  sine  wav e  car rier  sign al   and   t he  Q ua drat ur e  data  by  cosine  wa ve  c arr ie r  si gn al   at   2.4  G HZ .  Th en,   half  si ne  pulse   sh a ping  ha s  bee n  perform ed,   sim il arly   as  done  with  the   tra nsm itter  side,   by m ul ti plyi ng   th e  ge ner at e d  de m od ulate d  da ta   by h al f   si ne  wa ve  of   1  MHZ.  Fi nally ,  an  8 th   ord er  a nalo g  Butt er w or t h  lo w  pa ss  filt er  at   16   M HZ  has  be en  use d  to   recover  t he  or i gin al   data .  I n  sam pling   and   thres ho l ding  proces s,  a  ci rc ui t  con sist s  of  a  zero   orde r  hold  at   sam pling   tim e  of   6.2 5 − 8   s  an d  a  com par at or  has  been  use d  to  im ple m ent  AD C  f un ct io n.  The n,   i n  orde r  to   des pr ea d  t he  f inal  di gital   sig nal,  t he  I n - pha se  an d  Q uadra ture  data  was  firstly   com bin ed  to get her  thr ou gh   par al le l - to - seri al   conver si on   process ,  an d  this  was  done   us in g  a  swit ch   at   cl ock   f r equ e ncy  of  2  MHZ.   Eve ntu al ly ,  de sp rea ding  proc ess  has   bee n  pe rfor m ed  by  m ulti plyi ng   P N  seq uen ce   ge ne rator  of  2Mbp s  chi p  rate  by  the   la st  serial   sig nal.  Fo r   sync hro nizat ion   pur po se ,  a  suffici ent  am ount  of   delay   has  been  ad de d  afte r   the  P N  se qu e n ce  at   the  recei ver   side.    Fig ures  16   t o  20   dem on strat e  si gnal   wa vefo rm s   at   diff e re nt  sta ges  of  the  pro posed  r ecei ver   m od el ,   and   w hen   t he  transceive r  sys tem   passed   th r ough  A WGN  channel  m od el .  Data  has bee n  s ucce ssfu ll y rec over ed  as  sho wn in  Fig ur e  21.           Figure  16. A W GN cha nnel  m od el   receive d s ign al           Figure  17. De m od ulate d  I n - phase  receive d data   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.