Hírközléstechnika 2.ea

Átírás

1 } Hírközléstechnika 2.ea Dr.Varga Péter János

2 Modulációk 2

3 Miért van szükség modulációra? hullámokat megfelelő hatásfokkal sugározhassuk ha minden adó ugyanazon a frekvencián sugározna, az eredmény az lenne, mintha több száz ember beszélne egyszerre, ugyanabba a teremben 3

4 Miért van szükség modulációra? több felhasználó közötti megosztás (többszörös hozzáférés) az átviendő jel és a közvetítő közeg fizikai jellemzőinek összeegyeztetése 4

5 Mi a moduláció? A hírközlésben a vivőhullám valamely jellemzőjének változtatását nevezik modulációnak A szinuszos jel három fő paraméterét, az amplitúdóját, a fázisát vagy a frekvenciáját módosíthatja a modulációs eljárás, azért, hogy a vivő információt hordozhasson 5

6 Mi az eszköze? A berendezés, amely végrehajtja a modulációt: modulátor A berendezés, ami a visszaállításhoz szükséges inverz műveletet hajtja végre: demodulátor A mindkét művelet végrehajtására képes eszköz (a két kifejezés összevonásából): modem 6

7 A modulációval szemben a következő követelményeket támasztják Híradástechnika Intézet egyszerűség (kis veszteség, kis szóródás), a jel elektromágneses hullámként való továbbítása multiplexálhatóság, egy adott átviteli közegen keresztül több jelfolyam is átvihető legyen egy időben a vevő oldalon könnyen kezelhető legyen 7

8 A moduláció fajtái Híradástechnika Intézet Két alapvető fajtát használunk: analóg moduláció digitális moduláció Forrás s m (t) Modulátor f v s(t) Csatorna N 0 n(t) Zaj r(t) Demodulátor s d (t) Nyelő s m (t) moduláló jel (információ) f v vivőfrekvencia s(t) modulált jel r(t) modulált jel és a csatorna zaja s d (t) demodulált jel 8

9 Modulációs technikák Híradástechnika Intézet Analóg modulációs technikák amplitúdómoduláció (AM) egy oldalsávos moduláció (SSB, vagy SSB- AM), módosított változata az egy oldalsávos, elnyomott vivőjű moduláció (SSB-SC) szögmoduláció fázismoduláció (PM) frekvenciamoduláció (FM) 9

10 A vezeték nélküli átvitel blokkvázlata 10

11 Analóg moduláció Az analóg moduláció esetén a vivőjel változása folyamatos, és a vivőjel valamilyen jellemzőjének folyamatos megváltoztatásával történik az információ(k) továbbítása Általában a modulációval szemben a következő követelményeket támasztják: A vivőjel általában nagyfrekvenciájú elektromágneses hullám 11

12 Amplitúdómoduláció Híradástechnika Intézet Az elnevezés is utal arra, hogy ezeknél az eljárásoknál az amplitúdó hordozza az információt A modulált jel f AM (t) pillanatnyi amplitúdója a moduláló jel m(t) pillanatnyi értékétől függ f AM ( t) m( t)cos( t) v U +U v m U v

13 AM összefoglalás Viszonylag kis sávszélességet igénylő eljárás Zajjal szembe nem vagy csak alig mutat védettséget Lineáris torzításra érzékeny 13

14 Szögmodulációk Szögmoduláción olyan modulációs eljárásokat értünk, amelyeknél a szinuszos vivő fázisa hordozza az információt, amplitúdója konstans Amikor a modulált jel fázisa arányos a moduláló jellel, fázismodulációról (PM) beszélünk. Ha a modulált jel (kör)frekvenciája - a fázis idő szerinti deriváltja - arányos a moduláló jellel, frekvenciamodulációval (FM) van dolgunk. 14

15 Frekvenciamoduláció Híradástechnika Intézet 15

16 FM összefoglalás Nagy sávszélességet igénylő eljárás Zajjal szemben jelentős védettséget mutat Lineáris torzításokra, különösen a fázistorzításra érzékeny rendszer Mivel az FM nemlineáris rendszer, a lineáris torzítás hatására nemlineáris torzítási komponensek léphetnek fel a kimeneten 16

17 FM adó DIY Híradástechnika Intézet 17

18 FM az autóban Híradástechnika Intézet 18

19 Digitális jelek előállítása 19

20 Digitális modulációk A digitális moduláció célja a lehető legtöbb információ átvitele a legkisebb sávszélesség felhasználásával, a legkisebb hibavalószínűséggel. Ellentétben az analóg modulációs eljárásokkal, itt nem feltétel a jelek alakhű átvitele, a digitális üzenet hibaaránya minősíti az átviteli rendszert. 20

21 Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet Analóg jel: Időben folytonos Halmazon folytonos Vagyis az analóg jel értelmezési tartománya (ÉT) és értékkészlete (ÉK) időben történő reprezentáció esetén folytonos. 21

22 Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet Analóg jelek a: - tárolás - feldolgozás - továbbítás esetén sérülnek, torzulnak. Cél: Olyan reprezentációs forma kialakítása, mely a fenti hátrányokat: - megszünteti - kézben tartja 22

23 Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet Mintavételezési frekvencia: 23

24 Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet 24

25 Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet Mintavételezési frekvencia Veszteségmentes jel visszaállítás, a jel mintákból akkor lehetséges, ha f m 2 f max feltétel teljesül. Vagyis a mintavételi frekvencia nagyobb vagy egyenlő mint az analóg jelben előforduló legnagyobb frekvenciájú komponens (f max ) kétszerese. 25

26 Digitális jelek előállítása Az f m 2 f max teljesülését Shannon mintavételi tételének, vagy Nyquist kritériumnak szoktuk nevezni. Shannon mintavételi tétel betartása esetén a jel mintákból az analóg jel veszteségmentesen reprodukálható! 26

27 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Második lépés: A mintavételezett jel (PAM) értékkészletét (É.K.) is diszkrétté tesszük, így előáll a digitális jel. Az analóg jel digitalizálását modulációnak is felfoghatjuk, innen ered az elnevezés: PCM Pulse Code Modulation 27

28 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 28

29 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás X(t) Ábrázolandó minták t A jel a továbbiakban csakis az ábrázolandó pontok halmazában lesz értelmezett, vagyis értékkészlete véges n bitszám esetén 2 n db érték értelmezhető 29

30 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Kvantálás esetén minden mintára nagyságú zaj ül. Ha a kvantálást matematikai kerekítéssel végezzük, akkor: 30

31 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás A kvantálásból eredő hiba zajként jelentkezik, ezért azt kvantálási zajnak nevezzük. A értéke egyenletes eloszlású (0 és a lépcső fél tartományban) a rendszerben fehérzajként jelentkezik. 31

32 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás A kvantálásból eredő zaj végérvényesen a jelen marad, az onnan a későbbiekben nem távolítható el! 32

33 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Lineáris kvantálás Ekkor az ábrázolási tartományt lineárisan osztjuk 2 n részre Nemlineáris kvantálás Általában logaritmikus, vagy logaritmikus görbe töréspontos közelítése 33

34 Analóg jel visszaállítása a digitális jelből Híradástechnika Intézet A D/A konverter a mintavételi frekvencia ütemében érkező mintával arányos feszültséget (áramot) állít elő és azt kitartja a következő mintáig. D A Helyreállító szűrő Analóg jel 34

35 Analóg jel visszaállítása a digitális jelből Helyreállító szűrő: Híradástechnika Intézet Aluláteresztő szűrő Amplitúdó korrektor 35

36 Teljes digitális lánc A D PCM Átviteli lánc PCM D A f m Tárolás Jelfeldolgozás Veszteség mentes Hibák, torzítások helyei: Sávkorlátozó szűrő (analóg) Kvantálási hiba [additív zaj] Helyreállító szűrő (analóg) 36

37 Digitális lánc és a zaj Híradástechnika Intézet 37

38 Digitális modulációs technikák Az amplitúdóeltolás-billentyűzés (ASK, Amplitude- Shift Keying) véges számú amplitúdót használ, és nagyon hasonlít az impulzus-kód modulációhoz. A frekvenciaeltolás-billentyűzés (FSK, frequency- Shift Keying) véges számú frekvenciát használ. A fáziseltolás-billentyűzés (PSK, phase-shift keying) véges számú fázist használ. 38

39 Vivőfrekvenciás digitális modulációs rendszerek ASK FSK PSK AM-DSB A moduláló jel alapsávi Impulzus formálás után 39

40 Amplitúdó billentyűzés ASK (Amplitude Shift Keying) Híradástechnika Intézet Amplitúdó billentyűzés esetén a vivő jel szinuszos, a moduláló jel pedig digitális (értékkészlete 0 vagy 1 ). A moduláló jel jelen esetben a vivő jel amplitúdóját változtatja ( kapcsolgatja ). Az így előállított jel (modulált jel) teljesítményszintje folyamatosan ingadozó, mivel a logikai 0 -hoz A0, a logikai 1 -hez pedig A1 amplitudó tartozik. u ASK (t) = A * sin (2 * * f + ) 40

41 Frekvencia billentyűzés FSK (Frequency Shift Keying) Híradástechnika Intézet Frekvencia billentyűzés esetén a vivő jel szinuszos, a moduláló jel pedig digitális (értékkészlete 0 vagy 1 ). A moduláló jel jelen esetben a vivő jel frekvenciáját (f p ) változtatja, például a logikai 0 -hoz f 0, míg a logikai 1 - hez f 1 tartozik. u FSK (t) = A * sin (2 * * f p + ), ahol A az FSK jel amplitúdója, f p a vivő jel pillanatnyi frekvenciája (f 0 vagy f 1 ), pedig a vivőjel kezdőfázisa. 41

42 Fázis billentyűzés PSK (Phase Shift Keying) Fázis billentyűzés esetén a vivő jel szinuszos, a moduláló jel pedig digitális (értékkészlete 0 vagy 1 ). A moduláló jel jelen esetben a vivő jel fázisát változtatja. u PSK (t) = A * sin (2 * * fp + ) ahol az A a PSK jel amplitúdója, az f a vivő jel frekvenciája, a pedig a vivőjel pillanatnyi fázisa ( 0 vagy 1... n ). 42

43 Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) Híradástechnika Intézet 8 fázisú jellel 3 bit kódolható Jel és zaj elválasztás a 8 fázisú PSK esetén 43

44 Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) Scatter plot Híradástechnika Intézet Zajos csatornán továbbított jel konstellációs ábrája Quadrature Quadrature In-Phase In-Phase 44

45 Digitális modulációk QAM (quadratura amplitudo modulation) A PSK továbbfejlesztésének tekinthető, bár a jel előállítása és detektálása eltérően történik. 16 állapotú QAM: Fázis és amplitúdó is változik 45

46 Digitális modulációk Híradástechnika Intézet 46

47 QAM Híradástechnika Intézet 47

48 DVB-C beállítása Híradástechnika Intézet 48

49 A jelátvitel fizikai közegei 49

50 Történelem A hálózatok fejlődésének kezdetén különféle célorientált hálózatok jöttek létre: távközlő hálózatok műsorelosztó hálózatok adathálózatok Fejlődés integrált hálózatok létrejötte Megvalósult: eszközök szintjén hálózatok szintjén 50

51 51

52 T M A 52

53 Az átviteli rendszer tervezésekor a legfontosabb szempontok a kívánt adatátviteli sebesség elérése megfelelő távolság áthidalása reflexiómentesség (visszaverődés nélküli rendszer) Minden esetben igyekszünk a reflexió mértékét az egész átviteli frekvenciasávban a lehető legalacsonyabban tartani 53

54 A jelátvitel fizikai közegei Híradástechnika Intézet 54

55 A telekommunikáció elektromágneses spektruma Híradástechnika Intézet 55

56 Réz alapú kábelek Híradástechnika Intézet 56

57 Rézalapú kábelek előnyei Híradástechnika Intézet Egyszerűbb szerelési technológia Alacsonyabb telepítési költségek Olcsó aktív eszközök Szennyeződésre kevésbé érzékeny csatlakozások Helyes telepítés után megbízható, sokoldalú, költséghatékony 57

58 Rézalapú kábelek hátrányai Híradástechnika Intézet Elektrosztatikus zavarokra érzékeny Mechanikai sérülésekre érzékeny A telepített infrastruktúra gátolhatja a jövőbeni fejlesztési törekvéseinket Hosszú telepítési idő Legnagyobb sebességek csak optimális feltételek mellett érhetők el 58

59 Vezetékes átvitel koaxiális kábelen Híradástechnika Intézet Elektromosan árnyékolt, kevésbé érzékeny az elektromos zajokra Alapsávú 10Base2 50 ohm, Mbps, 200 m 10Base5 75 ohm, Mbps, 500 m Széles sávú Kábel TV, 75 ohm, digitális átvitelnél 150 Mbps egy kábelen több csatorna, többféle kommunikáció 59

60 Vezetékes átvitel koaxiális kábelen Híradástechnika Intézet Műanyag szigetelő Központi ér Szigetelő műanyag (gyakran műanyag hab, vagy magas frekvenciás esetben teflon) Árnyékoló harisnya Fonott réz AL fólia 60

61 Vezetékes átvitel koaxiális kábelen Zaj, Zavar Híradástechnika Intézet Z 0 Z 0 Z 0 Homogén hullámimpedancia Egyszerű meghajtó/vevő áramkör Mechanikai sérülésekre érzékeny (pl. megtörés Z 0 megváltozik) 61

62 Koaxiális kábelek típusai Híradástechnika Intézet RG 6 szélessávú TV-s átvitel RG 8, RG 11, RG 58 vékony ethernet RG 58/V a központi ér szilárd részből RG 58 A/V a központi ér fonott részből RG 59 szélessávú TV-s átvitel RG 59 szélessávú

63 Koaxiális kábelek típusai Híradástechnika Intézet 63

64 Koaxiális kábel csatlakozók Híradástechnika Intézet 64

65 Csavart érpáras átviteli közeg (TP Twisted Pair) Zaj, Zavar Z 0 /2 Z 0 /2 Z 0 /2 Z 0 A zavarvédelmet az érpárok összecsavarása jelenti, valamint a szimmetrikus meghajtás UTP Unshilded Twisted Pair Árnyékolatlan csavart érpár 65

66 Híradástechnika Intézet Csavart érpáras átviteli közeg (TP Twisted Pair) CAT - A rendszer komponensek elektronika jellemzőit meghatározó osztályrendszer. A nagyobb kategória jobb jellemzőket jelent CAT 1 - hang átvitel, telefon CAT 2-4 Mbps CAT 3-10 Mbps (10BaseT Ethernet) CAT 4 20 Mbps CAT Mbps (100BaseT - Fast Ethernet) CAT 5E - 1 Gbps (1000BaseT - Gigabit Ethernet) CAT 6 1 Gbps nagyobb távolságra, kisebb távolságban 10 Gbps CAT 6a - 100m-ig 10 Gbps CAT Gbps, 70 méterig (1200mhz) 66

67 67

68 Csavart érpáras átviteli közeg (STP Shilded Twisted Pair) Z 0 /2 Z 0 /2 Z 0 /2 Árnyékoló harisnya A zavarvédelmet az árnyékolás és az érpárok összecsavarása jelenti. STP Shilded Twisted Pair (Árnyékolt csavart érpár) 68

69 69

70 Kábel csatlakozások, csatlakozók 70

71 Kábelek fizikai osztályozása Híradástechnika Intézet Fali (Solid) kábel Fix telepítésre tervezték Rézvezetők tömörek Merev szerkezetű Sokkal jobb elektronikai paraméterek A teljes csatornában maximum 100m hosszban telepíthető 71

72 Kábelek fizikai osztályozása Híradástechnika Intézet Patch (Strainded) kábel Mobil használatra Jobban ellenáll a hajlító igénybevételnek Rézvezetők elemi szálakból sodrottak Gyakori csatlakoztatásra kifejlesztett elemek Puhább, könnyebb Maximum 10m hosszan telepíthető a csatornába 72

73 Üvegszál alapú kábelek Híradástechnika Intézet 73

74 Üvegszál alapú kábelek előnyei Magas fokú zavarvédettség Jövőálló Magas végpont sűrűségben telepíthető Csekély fizikai méret és súly 74

75 Optikai kábel ötlete Az optikai szál egy olyan hengeres, szigetelt, könnyen hajlítható szál, amely fényt továbbít az üvegmag belsejében, a teljes fényvisszaverődés elve alapján. Az üvegmagos optikai szálakat majdnem mindig szilíciumdioxidból készíti Ahhoz, hogy az optikai jel teljes fényvisszaverődéssel a magban terjedjen tovább, a mag törésmutatójának nagyobbnak kell lennie, mint a héjnak 75

76 76

77 Optikai kábel szerkezete Híradástechnika Intézet A mag/köpeny viszonya: multimodusú szálban 50/125 μm, 62.5/125 μm, 100/140 μm monomódusú szálban 9 or 10 / 125 μm 77

78 Kábel típusok Híradástechnika Intézet SM (Single Mode) MM (Multi Mode) 78

79 Optikai szál gyártása előforma készítése szál szerkezetének előállítása külső kémiai gőzlecsapatás belső kémiai gőzlecsapatás növesztéses eljárás szálhúzás szál átmérő primer védelem (esetleg festés) kábelgyártás több szál összefogása különböző védelmek kialakítása 79

80 Előforma készítése Belső kémiai gőzlecsapatás tisztítás hordozócső készítés mag növesztése (lecsapatása) zsugorítás 80

81 Szálhúzás Híradástechnika Intézet 81

82 82

83 Kábelgyártás Híradástechnika Intézet 83

84 84

85 LAN optikai kábelek fajtái Híradástechnika Intézet 1. Single 2. Zipcord 3. Tight-buffered 4. Unitube glass armoured 5. Unitube standard with spl 6. Multitube glass armoured 85

86 Optikai kábel csatlakozók Híradástechnika Intézet 86

87 Forrás Lukács-Mágel-Wührl: Híradástechnika I. (prezentáció) Lukács-Wührl: Híradástechnika I. (könyv) 87