} Híradástechnika I. 2.ea Dr.Varga Péter János
Spektrum ábra példa Híradástechnika Intézet 2
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak A sávszélesség A sávszélesség az a frekvenciatartomány, amelyben az áramkör használható. A sávszélességet az f 2 -f 1 különbséggel definiáljuk, ahol f 1 az alsó és f 2 az ún. felső határfrekvancia. Ezekben a pontokban a kimenő jel a maximális érték felére esik vissza. BW=f 2 -f 1 3
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak A csillapítás Ha valamely elektronikus alkatrész, vagy adatátviteli összeköttetés kimenetén a jel amplitúdója kisebb, mint a bemenetére adott jelé, azt mondjuk, hogy csillapítás lépett fel. 4
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak A csillapítás és erősítés Definíció szerint a csillapítás a bemenő és a kimenő jel teljesítmény hányadosa. Ha ez a hányados nagyobb, mint 1, akkor a kimeneten a jelszint kisebb mint a bemeneten. Az erősítés a csillapítás reciproka. A csillapítást és az erősítést gyakran db-ben fejezzük ki. 5
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak A decibel-skála A csillapítást decibelben szokás megadni. A decibel-skála két teljesítmény arányának (P 1 /P 2 ) logaritmikus skálán való kifejezése Például teljesítmény viszonyok: a db = 10 log10 P 1 P 2 6
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak A zaj és a jel/zaj viszonyszám Minden olyan jelet, ami nem része az információnak, a kommunikációs összeköttetésben zajnak tekintünk. 7
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak Jel-zaj viszony (Signal to Noise Ratio, SNR) A jel/zaj viszony a jel és a zaj átlagos teljesítményeinek hányadosa: SNR P P jel zaj SNR db 10log P P jel zaj [db] 8
A kommunikációban használt fontosabb fogalmak 9
Feladatok Híradástechnika Intézet 10
11
12
13
14
15
16
Modulációk 17
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 18
Miért van szükség modulációra? több felhasználó közötti megosztás (többszörös hozzáférés) az átviendő jel és a közvetítő közeg fizikai jellemzőinek összeegyeztetése 19
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 20
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 21
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 22
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 23
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) 24
A vezeték nélküli átvitel blokkvázlata 25
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 26
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 3 2 1 0-1 -2 U +U v m U v -3 0 200 400 600 800 1000 1200 27
AM-jel fajtái Attól függően, hogy a modulációs termékek közül melyeket használjuk fel különböző amplitúdó modulációs eljárásokról beszélünk. A különböző eljárásoknak különböző a kimeneti spektruma és ezen keresztül különböző sávszélesség igénnyel rendelkeznek. A két-oldalsávos vivővel elállított amplitúdómoduláció az AM-DSB A két-oldalsávos vivő nélkül elállított amplitúdómoduláció az AM-DSB/SC jel elállítása A egy-oldalsávos vivő nélkül elállított amplitúdómoduláció az AM-SSB/SC jel elállítása AM-VSB Csonkaoldalsávos Amplitúdó moduláció vivővel 28
AM-DSB (két-oldalsávos amplitúdó moduláció) 29
AM-DSB/SC (elnyomott vivőjű két-oldalsávos a.m.)
AM-SSB/SC (elnyomott vivőjű egy-oldalsávos a.m.) Híradástechnika Intézet 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. 31
AM-DSB és AM-DSB/SC Híradástechnika Intézet 32
AM-SSB/USB és AM-SSB/LSB Híradástechnika Intézet 33
AM jelek demodulálása Híradástechnika Intézet =0-nál Szűrővel leválasztható! 34
AM-DSB demodulálása egyszerű áramkörrel Az R-C szűr tag időállandóját úgy kell megválasztani, hogy a vivőt kiszűrje, de a modulációs tartalmat ne torzítsa 35
AM összefoglalás Viszonylag kis sávszélességet igénylő eljárás Zajjal szembe nem vagy csak alig mutat védettséget Lineáris torzításra érzékeny 36
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. 37
Frekvenciamoduláció Híradástechnika Intézet 38
FM jel demodulálása Híradástechnika Intézet 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) 39
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 40
FM adó DIY Híradástechnika Intézet 41
FM az autóban Híradástechnika Intézet 42
Digitális jelek előállítása 43
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. 44
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. 45
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 46
Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet Mintavételezési frekvencia: 47
Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet 48
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. 49
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! 50
Mintavételi frekvencia 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. 600 Hz 3,1 khz 12 db oktáv f (Hz) 300 Hz 3400 Hz 51
Digitális jelek előállítása 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 52
Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet 53
Digitális jelek előállítása 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. 54
Digitális jelek előállítása Híradástechnika Intézet X Alapsávi jel spektruma Alsó oldalsáv Felső oldalsáv X Nyquist frekvencia f m f Alapsávi jel spektruma Alsó oldalsáv Felső oldalsáv Átlapolódó spektrum f m f 55
56
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 57
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 58
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 59
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás Kvantálás esetén minden mintára nagyságú zaj ül. Ha a kvantálást matematikai kerekítéssel végezzük, akkor: 60
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. 61
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás A kvantálásból eredő zaj végérvényesen a jelen marad, az onnan a későbbiekben nem távolítható el! 62
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 63
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 64
Analóg jel visszaállítása a digitális jelből Helyreállító szűrő: Híradástechnika Intézet Aluláteresztő szűrő Amplitúdó korrektor 65
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) 66
67
Digitális lánc és a zaj Híradástechnika Intézet 68
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. 69
Vivőfrekvenciás digitális modulációs rendszerek ASK FSK PSK AM-DSB A moduláló jel alapsávi Impulzus formálás után 70
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 + ) 71
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. 72
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 ). 73
Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) Híradástechnika Intézet 8 fázisú jellel 3 bit kódolható Jel és zaj elválasztás a 8 fázisú PSK esetén 74
Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) Scatter plot Híradástechnika Intézet 1 0.8 0.6 10 2 Zajos csatornán továbbított jel konstellációs ábrája 0.4 1.5 Quadrature 0.2 0-0.2-0.4 01 00 Quadrature 1 0.5 0-0.5-0.6-1 -0.8-1 11-1 -0.5 0 0.5 1 In-Phase -1.5-2 -2-1 0 1 2 In-Phase 75
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 76
Digitális modulációk Híradástechnika Intézet 77
4 1024 QAM Híradástechnika Intézet 78
DVB-C beállítása Híradástechnika Intézet 79
A jelátvitel fizikai közegei 80
Történelem A hálózatok fejlődésének kezdetén különféle célorientált hálózatok jöttek létre: távközlő hálózatok műsorelosztó hálózatok adathálózatok Fejlődés integrált hálózatok létrejötte Megvalósult: eszközök szintjén hálózatok szintjén 81
82
T M A 83
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 84
A jelátvitel fizikai közegei Híradástechnika Intézet 85
A telekommunikáció elektromágneses spektruma Híradástechnika Intézet 86
Réz alapú kábelek Híradástechnika Intézet 87
Rézalapú kábelek előnyei Híradástechnika Intézet Egyszerűbb szerelési technológia Alacsonyabb telepítési költségek Olcsó aktív eszközök Szennyeződésre kevésbé érzékeny csatlakozások Helyes telepítés után megbízható, sokoldalú, költséghatékony 88
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 89
Vezetékes átvitel koaxiális kábelen Híradástechnika Intézet 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 90
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 91
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) 92
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 75 50 50 50 75 50 93
Koaxiális kábelek típusai Híradástechnika Intézet 94
Koaxiális kábel csatlakozók Híradástechnika Intézet 95
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 96
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 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) 97
98
Forrás Lukács-Mágel-Wührl: Híradástechnika I. (prezentáció) Lukács-Wührl: Híradástechnika I. (könyv) Pletl Szilveszter-Magyar Attila: Jelek és rendszerek példatár Távközlő hálózatok és informatikai szolgáltatások online könyv ANTAL Margit: Jelfeldolgozas - 5. előadás (2007) 99