HÍRADÁSTECHNIKA I. 2. Dr.Varga Péter János
2 Modulációk
Miért van szükség modulációra? 3 hullámokat megfelelő hatásfokkal sugározhassuk ha minden adó ugyanazon a frekvencián sugározna, az eredmény az lenne, mintha több száz ember beszélne egyszerre, ugyanabba a teremben
Miért van szükség modulációra? 4 több felhasználó közötti megosztás (többszörös hozzáférés) az átviendő jel és a közvetítő közeg fizikai jellemzőinek összeegyeztetése
Mi a moduláció? 5 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
Mi az eszköze? 6 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
7 A modulációval szemben a következő követelményeket támasztják 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
A moduláció fajtái 8 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 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 s d (t) Nyelő
Modulációs technikák 9 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)
Elektromágneses hullámok 10 VLF- Very Low Frequency VHF Very High Frequency LF Low Frequency UHF Ultra High Frequency MF- Medium Frequency SHF Super High Frequency HF High Frequency EHF Extra High Frequency λ = c /f c = 3*10 8 m/s
11 A vezeték nélküli átvitel blokkvázlata
Analóg moduláció 12 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
Amplitúdómoduláció 13 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) 3 2 U +U v m v 1 U v 0-1 -2-3 0 200 400 600 800 1000 1200
14 AM-DSB (kétoldalsávos amplitúdó moduláció) Sávszélesség: f BW =2f max Modulációs mélység: m a m U U m v
15 AM-DSB/SC (elnyomott vivőjű kétoldalsávos a.m.) Az adóteljesítmény csökkentése érdekében a vivőfrekvenciás komponenst kiszűrik, vagy már eleve 0 középértékű modulálót használnak. Ez teljesítmény szempontjából kedvező, azonban megnehezíti a vivő visszaállítását
16 AM-SSB/SC (elnyomott vivőjű egyoldalsávos a.m.) Ebben az esetben a két oldalsáv egyikét a sávszélesség és az adóteljesítmény csökkentése érdekében még sugárzás előtt kiszűrik. Két változata használatos: Felső oldalsávos (Upper Sideband): Ez az oldalsáv a moduláló spektrumának pozitív frekvenciájú összetevőjének eltoltja, ezért nem fordít spektrumot. Alsó oldalsávos (Lower Sideband: Spektrumot fordít, mivel a negatív frekvenciájú félspektrum eltoltja, ami a moduláló pozitív frekvenciájú spektrumkomponensének tükörképe.
17 AM-DSB és AM-DSB/SC
18 AM-SSB/USB és AM-SSB/LSB
AM jelek demodulálása 19 A szorzó demoduláció minden AM típusra alkalmazható S AM (t) S d (t) S v (t) S d (t) S AM a(t) 2 (t) cos( cos =0-nál v t ) a(t) 2 a(t) 2 cos(2 a(t) cos( v t ) v t) cos( v t ) Szűrővel leválasztható!
20 AM-DSB demodulálása egyszerű áramkörrel Az R-C szűr tag időállandóját úgy kell megválasztani, hogy a vivőt kiszűrje, de a modulációs tartalmat ne torzítsa
AM összefoglalás 21 Viszonylag kis sávszélességet igénylő eljárás Zajjal szembe nem vagy csak alig mutat védettséget Lineáris torzításra érzékeny
Szögmodulációk 22 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.
23 Frekvenciamoduláció
FM jel demodulálása 24 Olyan áramkör szükséges amelynek kimenetén a bemenetre adott jel pillanatnyi frekvenciájával arányos feszültség jelenik meg: Frekvenciadiszkriminátor Gyakorlatban: differenciáló áramkör, majd burkolódetektorral szedhető le az eredeti moduláló jel S FM (t) FM DEM. S dem (t)
FM összefoglalás 25 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
26 FM adó DIY
27 FM az autóban
28 Digitális jelek előállítása
Digitális modulációk 29 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.
Digitális jelek előállítása 30 Analóg jel: Időben folytonos Halmazon folytonos Vagyis az analóg jel értelmezési tartománya (ÉT) és értékkészlete (ÉK) időben történő reprezentáció esetén folytonos.
Digitális jelek előállítása 31 Analóg jelek a: - tárolás - feldolgozás - továbbítás esetén sérülnek, torzulnak. Cél: Olyan reprezentációs forma kialakítása, mely a fenti hátrányokat: - megszünteti - kézben tartja
Digitális jelek előállítása 32 Első lépés: Mintavételezés Az időben folytonos analóg jelet, időben diszkrétté tesszük. Előáll a Pulzus Amplitúdó Modulált (PAM) jel. X(t) t Tm Mintavételezési frekvencia: f m 1 T m
33 Digitális jelek előállítása
Digitális jelek előállítása 34 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.
Digitális jelek előállítása 35 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!
Mintavételi frekvencia 36 Zenei felvételek esetén a 20 khz-es maximális frekvencia figyelembevételével a mintavételezési frekvenciát a CD szabvány 44,1 khz-nek írja elő. Telefon átvitel esetén a beszéd jel maximális frekvenciája a digitalizáláshoz 3,4 khz, a szabványok itt 8 khz-es mintavételezési frekvenciát írnak elő.
Digitális jelek előállítása 37 Mintavételi tétel betartása a gyakorlatban: Az analóg jelben szereplő maximális frekvencia komponens gyakran nem definiálható, például azért, mert a hasznos jelre zajok, zavarok, nemkívánatos komponensek ülnek additív módon. Megoldás: Sávkorlátozás
Digitális jelek előállítása 38 Sávkorlátozás: A sávkorlátozás szűréssel történik (általában aluláteresztő szűrő alkalmazásával). Analóg jel Sávkorlátozott Analóg jel Mintavételező áramkör PAM f m
Digitális jelek előállítása 39 PAM jel: - időben diszkrét - halmazon folytonos Ha a PAM jelet a Shannon mintavételi tétel betartásával állítottuk elő, akkor az analóg jel veszteségmentesen visszaállítható. Ellenkező esetben átlapolódás (Aliasing) jelenség lép fel.
Digitális jelek előállítása 40 Aliasing jelenség (vizsgálata a frekvencia tartományban) X Ha az alapsávi jelben előforduló maximális frekvencia nagyobb mint a Nyquist frekvencia, akkor az alsó oldalsáv és az alapsáv átlapolódik. X Alapsávi jel spektruma Nyquist frekvencia Alapsávi jel spektruma Alsó oldalsáv f m Alsó oldalsáv Felső oldalsáv Felső oldalsáv f Átlapolódó spektrum f m f
41
Digitális jelek előállítása 42 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
43 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Példa: 0 mv 80 mv, bitek száma n=3, 2 n állapot Digitális szám Ábrázolt feszültség érték 000 0-10 mv 001 10-20 mv 010 20-30 mv 011 30-40 mv 100 40-50 mv 101 50-60 mv 110 60-70 mv 111 70-80 mv 33,5 mv Hiba: 1,5 mv
44 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
Digitális jelek előállítása 45 Kvantálás és kódolás X Kvantálás esetén minden mintára nagyságú zaj ül. Ha a kvantálást matematikai kerekítéssel végezzük, akkor: max két szomszédos min ta közti 2 Lépcsöfél távolság PAM minta t
46 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.
47 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás A kvantálásból eredő zaj végérvényesen a jelen marad, az onnan a későbbiekben nem távolítható el!
48 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
49 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Lineáris kvantálás Ábrázolt jel Ábrázolandó jel
50 Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Logaritmikus görbe töréspontos közelítése Ábrázolt jel Ábrázolandó jel
51 Analóg jel visszaállítása a digitális jelből 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
52 Analóg jel visszaállítása a digitális jelből Helyreállító szűrő: Aluláteresztő szűrő Amplitúdó korrektor
Teljes digitális lánc 53 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)
54 Digitális lánc és a zaj
Digitális modulációs technikák 55 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.
56 Vivőfrekvenciás digitális modulációs rendszerek ASK FSK PSK AM-DSB A moduláló jel alapsávi Impulzus formálás után
57 Amplitúdó billentyűzés ASK (Amplitude Shift Keying) 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 + )
58 Frekvencia billentyűzés FSK (Frequency Shift Keying) 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.
59 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 ).
Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) 60 PSK egyfrekvenciás hordozó 2 n fázishelyzetbe kódolják. Pl.: n=2 8 fázisú jellel 3 bit kódolható 00 01 10 11 2 bit értékpárjai 4 fázisú PSK Jel és zaj elválasztása 8 fázisú PSK esetén Tovább nem növelhető így, mert nehéz a fázishelyzetek megállapítása a zaj miatt. Referencia jel szükséges, amihez a pillanatnyi fázishelyzetet viszonyítják.
Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) 61 Scatter plot 1 0.8 10 0.6 0.4 2 Zajos csatornán továbbított jel konstellációs ábrája Quadrature 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 01 11 00 Quadrature 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1-0.5 0 0.5 1 In-Phase -1.5-2 -2-1 0 1 2 In-Phase
Digitális modulációk 62 QAM (quadratura amplitudo modulation) A PSK továbbfejlesztésének tekinthető, bár a jel előállítása és detektálása eltérően történik. 16 állapotú QAM: Fázis és amplitúdó is változik
63 Digitális modulációk
64 4 1024 QAM
65 DVB-C beállítása
66 A jelátvitel fizikai közegei
Történelem 67 A hálózatok fejlődésének kezdetén különféle célorientált hálózatok jöttek létre: távközlő hálózatok műsorelosztó hálózatok adathálózatok Fejlődés integrált hálózatok létrejötte Megvalósult: eszközök szintjén hálózatok szintjén
68
69 T M A
Az átviteli rendszer tervezésekor a 70 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
71 A jelátvitel fizikai közegei
72 A telekommunikáció elektromágneses spektruma Frekvencia (Hertz) 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Energia, telefon Forgó generátorok Telefon Zenei berendezések Mikrofonok Csavart érpár Rádió Rádió, televízió Elektroncsövek Integrált áramkörök Koaxiális kábel Mikrohullám Radar Mikrohullámú antennák Magnetronok Infravörös Lézerek Irányított rakéták Látható fény Optikai szál AM rádió FM rádió és TV Földi és műholdas mikrohullámú átvitel
73 Réz alapú kábelek
Rézalapú kábelek előnyei 74 Egyszerűbb szerelési technológia Alacsonyabb telepítési költségek Olcsó aktív eszközök Szennyeződésre kevésbé érzékeny csatlakozások Helyes telepítés után megbízható, sokoldalú, költséghatékony
Rézalapú kábelek hátrányai 75 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
Vezetékes átvitel koaxiális kábelen 76 Elektromosan árnyékolt, kevésbé érzékeny az elektromos zajokra Alapsávú 10Base2 50 ohm, 10-100 Mbps, 200 m 10Base5 75 ohm, 10-100 Mbps, 500 m Széles sávú Kábel TV, 75 ohm, digitális átvitelnél 150 Mbps egy kábelen több csatorna, többféle kommunikáció Számítástechnikában ma már új hálózatok építésénél nem alkalmazzák!
Vezetékes átvitel koaxiális kábelen 77 Műanyag szigetelő Központi ér Szigetelő műanyag (gyakran műanyag hab, vagy magas frekvenciás esetben teflon) Árnyékoló harisnya Fonott réz AL fólia
Vezetékes átvitel koaxiális kábelen 78 Zaj, Zavar Z 0 Z 0 Z 0 Homogén hullámimpedancia Egyszerű meghajtó/vevő áramkör Mechanikai sérülésekre érzékeny (pl. megtörés Z 0 megváltozik)
Koaxiális kábelek típusai 79 RG 6 szélessávú TV-s átvitel 75 RG 8, RG 11, RG 58 vékony ethernet 50 RG 58/V a központi ér szilárd részből 50 RG 58 A/V a központi ér fonott részből 50 RG 59 szélessávú TV-s átvitel 75 RG 59 szélessávú 50
80 Koaxiális kábelek típusai
81 Koaxiális kábel csatlakozók
82 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
83 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 5-100 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 7-100 Gbps, 70 méterig (1200mhz)
84
85 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)
86
87 Kábel csatlakozások, csatlakozók
Kábelek fizikai osztályozása 88 Fali (Solid) kábel Fix telepítésre tervezték Rézvezetők tömörek Merev szerkezetű Sokkal jobb elektronikai paraméterek A teljes csatornában maximum 100m hosszban telepíthető
Kábelek fizikai osztályozása 89 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
90
91