Billentyűzés Alapfogalmak Egyen -és váltakozóáramú billentyűzés A billentyűzés igen egyszerű módja a modulálásnak. Ismert dolog, hogy már egy fénysugár beés kikapcsolásával is lehet üzenetet átvinni. Ilyen jellegű elektromos modulációs eljárásoknál billentyűzésről beszélünk. Átvihetünk egy vezetéken kapcsolgatott egyenáramot, hogya túlsó végen pl. egy jelfogót működtessünk. Ilyenkor egyenáramú billentyűzésről beszélünk. A távírónál használatos az egyszeres áramú üzem, amelynél az egyenáramot csak ki-, ill. bekapcsolják, és a kettős áramú üzem, amelynél a két állapot átviteléhez az áram polaritását váltják. Ha az információ hordozójául váltakozófeszültséget használnak, amelyre a hírt ki- és bekapcsolással modulálják rá, akkor váltakozó áramú billentyűzésről van szó. A vivőfrekvencia eshet a hang-, vagy akár a nagyfrekvenciás tartományba. Aszerint, hogy a váltakozóáramú billentyűzésnél az amplitúdó, frekvencia vagy fázis jelparamétert billentyűzik, beszélnek amplitúdó-, frekvencia- vagy fázisbillentyűzésről (1. ábra). Magától értetődik, hogy es ak digitális formában rendelkezésre álló információkkal, tehát pl. morse-jelekkel vagy binárisan kódolt távírójelekkel, ill. adatokkal lehet modulálni. A billentyűzést néha shift-elésnek is nevezik (az angolszász irodalomban: to shift = váltani, átugrani). ~legkülönböztethető: ASK amplitude shift keying amplitúdóbillentyűzés FSK frequency shift keying frekvenciabillentyűzés PSK phase shift keying fázisbillentyűzés
1. ábra Távírójelek a) kettős áramú. b) egyszeres áramú. c) amplitúdó. d) frekvencia-, e) fázisbillentyűzés
Kódolás Az információt digitális alakra kell hozni. Eleinte a Morse-ABC-t használták, amelynél az egyes jelek, rövid és hosszú impulzusok (pontok és vonások) különböző kombinációiból állnak. Ezzel kapcsolatban megállapodtak abban, hogy a sűrűn előforduló jelek lehetőleg kevés impulzusból álljanak. Így különböző időtartamú jelek jöttek létre. A modern ABC-knél, pl. a 2. sz. nemzetközi távíró ABC-nél (a CCITT = Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique ajánlása) minden jel egyforma időtartamú. Minden jel meghatározott számú elemi jelre tagolódik, amelyek a 0 vagy 1 bináris állapotot vehetik fel. Ha eltekintünk a start- és stop-jeltől, akkor a tiszta jelkódolás céljára öt elemi jel marad, amelyekből 25=32 jelkombináció állítható össze. Ez a mennyiség a betűkhöz és számjegyekhez, valamint egyéb jelekhez nem elegendő ugyan, de egy átkapcsolási parancs segítségével megoldható a betűkről számjegyekre, ill. egyéb jelekre való áttérés. A számítástechnikában elterjedt a 8 elemi jelet tartalmazó ÁBC ahol az összes lehetséges kódkombinációk száma 256 így alkalmas az összes kis és nagybetű számok és írásjelet megjelenítésére. Az amerikában szabványosított kódrendszer az ASCII elnevezéssel közismert, de hasonló tulajdonságú rendszer több is létezik mint pl.: EBCDIC.
Definiciók, meghatározások A jelen belüli elemi jelek időtartama egyforma. Ezt a legrövidebb időtartamot bitnek nevezik [bit (angol) = binary digit rövidítése]. A jelsebesség meghatározza a másodpercenként átvihető maximális jelszámot. Minél rövidebb lehet a legrövidebb impulzus, annál nagyobb a maximális átviteli sebesség. Feladat: Egy 150 ms időtartamú jelnél a start- és stopidő levonása után az öt elemi jelhez még 100 ms idő, tehát, jelenként 20 ms áll rendelkezésre. a) Hány jel vihető át másodpercenként? b) Maximálisan hány elemi jel (bit) vihe tő át másodpercenként? Megoldás: a) A jelek száma: 1s/150 ms = 6 2/3 jel másodpercenként. b) Az elemi jelek száma másodpercenként: 1 s/20 ms = 50 bit/másodperc.
Jelsebesség A távíró vagy adatátviteli rendszerre jellemző a másodpercenkénti elemi jelek száma az ún. jelsebesség: vj. Ha a legrövidebb jel hossza τ, akkor a jelsebesség, vonali jelzési sebesség.
vj = 1
τ
1. Egyenlet
Egysége az 1 Baud = 1 Bd = 1/s (Baudot nyomán, aki a betűírós gyorstávíró feltalálója volt.) Távírótechnikában és lassú adatátvitelnél a jelsebességek (CCITT ajánlás szerint): 50, 100, 200, 300, és 600 Baud. Mint azt majd kimutatjuk, a sebesség függ a sávszélességtől, és elegendően nagy sávszélesség mellett a fenti értékeknél jóval nagyobb is lehet.
Adatátviteli sebesség Az adatátviteli sebesség (bit/s-ban) nemcsak a sávszélességtől függ, hanem a jelállapotok n számától is. Bináris kódnál n = 2, vagyis a digitális jel két állapotot vehet fel: a van áram -nincs áram; vagy 1. frekvencia -2. frekvencia; vagy 1. fázis -2. fázis állapotokat. Ilyenkor az adatátviteli sebesség megegyezik a jelsebességgel. Vannak azonban kettőnél több értékű modulációs eljárások is: a ternér eljárásnál n = 3, vagyis 1., 2. és 3. frekvencia vagy 1., 2. és 3. fázis létezik. Az n=4 esete az ún. kvaternér eljárás négy jelállapottal stb. Magas sebességű modemek esetén n=15 is lehet, ebben az esetben egy vonali jelzés ideje alatt 32768 különböző frekvencia és/vagy fázis jelenik meg a kimeneten. Mivel magasabb értékszámú eljárásokkal ugyanannyi idő alatt több döntés vihető át, nő a va adatátviteli sebesség. Fennáll a következő összefüggés (lb = kettes alapú logaritmus): va = lbn ⋅ v j
2. Egyenlet
Egysége a bit/sec.
Pontfrekvencia Az elemijel-idővel függ össze az fp pontfrekvencia, amelyet súlyponti, jel- vagy Nyquistfrekvenciának is neveznek. A pontfrekvencia nem más, mint egy 1:1-es impulzussorozat alapfrekvenciája, ahol az impulzusidő, ill. impulzusszünet a (lehető legrövidebb) τ jelidővel egyenlő. Mivel ennek az impulzussorozatnak a periódusideje Tp = 2τ a pontfrekvencia: fp = 1
2τ
3. Egyenlet
Így 50 Bd (20 ms) jelsebesség tp = 25 Hz-et, 100 Bd (10 ms) 50 Hz-et ad stb. Gyakran elegendő egyszerűen a pontfrekvencia viselkedését figyelembe venni. Ahhoz, hogy az átviteli csatorna viselkedésére következtethessünk.
Folyamatok egyenáramú billentyűzésnél Kísérlet: Egy billentyűzött egyenfeszültséget kapcsoljunk egy hosszú (csavart) kéteres vezetékre. Végezzük a billentyűzést egyre rövidebb impulzusokkal. Figyeljük a vezeték bemeneti és kimeneti feszültségét oszcilloszkópon. Megfigyelés: A bemeneti négyszög alakú impulzusok a kimeneten gömbölyödve jelennek meg, vagyis az impulzusoldalak ferdén futnak fel, ill. le. Egy meghatározott billentyűzési frekvencia fölött a kimeneti impulzusok a szűk felfutási idő miatt már el sem érik teljes amplitúdójukat. Következtetés: A vezeték befolyásolja a négyszögrezgésben levő frekvenciaösszetevőket. Nyilván aluláteresztő tulajdonságokkal rendelkezik, és a rezgés nagy frekvenciáit csillapítja először. Végül nagyon rövid impulzusoknál a négyszögrezgés alapfrekvenciája is csillapodik, és így a rezgés amplitúdója is csökken.
2. ábra A (veszteségmentes) vezeték helyettesítő képe
Egy vezeték aluláteresztő karakterisztikával rendelkező elosztott paraméterű rendszer koncentrált paraméterű helyettesítő képe 2. ábra. Az ilyen rendszer, mint minden L és C elemekből álló rezgőképes áramkör, berezgési idővel rendelkezik. Ilyen áramkörnek a bemeneti feszültségugrásra adott válaszfüggvénye véges átmeneti idejű feszültségugrás. Ha az átmenetet egy érintővel idealizáljuk, akkor a berezgési időt az érintőnek a válaszfüggvény 0%-os és 100%os értékével való metszéspontjai közötti távolságként kapjuk meg.
Az aluláteresztő rezgési ideje Egyaluláteresztő τb berezgési ideje az aluláteresztő fh határfrekvenciájától függ (ez az a frekvencia, amelynél a kimeneti feszültség 2 -ször kisebb, mint az f=0-nál fellépő kimeneti feszültség). Fennáll a következő összefüggés:
τ p = 12 f h
4. Egyenlet
Torzítások Amíg a berezgési idő nem túlságosan nagy, addig a legömbölyített impulzusokból egy a vevőben levő komparátor kapcsolás segítségével ismét előállíthatók a négyszögimpulzusok. E célból egyszeres áramú billentyűzésnél a trigger-küszöbnek az impulzus fél amplitúdójára kell esnie, kettős áramú billentyűzésnél a nullátmenetekre (1. ábra). Mindenesetre a berezgési idő növekedésekor jeltorzulások keletkeznek, amelyek az impulzusok kieséséhez vezethetnek. Ez a veszély elsősorban a legrövidebb impulzusokat fenyegeti. Torzításról akkor beszélünk, ha egy vagy több jel hossza eltér a névlegestől. Ennek mértéke a torzítási tényező. A jelképzés módjától függően megkülönböztetünk izokron és start-stop torzítási tényezőt. Az izokron torzítási fok a tényleges jelhossznak a névleges jelhossztól való legnagyobb eltérésére vonatkozik. A start-stop torzítási fok az elemi jelek megérkezésének a start jel megérkezésétől számított legnagyobb eltérését jelenti, a névleges jelhosszhoz viszonyítva.
Sávszélesség egyenáramú billentyűzésnél Annak érdekében, hogy a torzítási tényezőt kis értéken tarthassuk, a berezgési időnek kicsinek kell maradnia, és ez minél nagyobb sávszélességet követel. Mindenesetre a sávszélességnek olyan nagynak kell lennie, hogy a pontfrekvencia még csillapítatlanul haladjon át. Ha azt kívánjuk, hogy a jeltorzulás ne legyen több néhány százaléknál, akkor olyan B aluláteresztő sávszélességet kell választani, amely legalább B = 1,6 f p
5. Egyenlet
Példa: 50 Bd-os távírónál tp = 25 Hz. Ehhez B = 1,6*25 Hz = 40 Hz sávszélesség szükséges (aluláteresztő sávszélesség!). Az egyenáramú billentyűzésnek a váltakozóáramú billentyűzéssel ellentétben nincs nagy jelentősége az átvitel szempontjából (kevés kivételtől eltekintve). Csak mint készülékbeli és készülékek közötti közbenső fokozat fordul elő. A torzításokkal, sávszélességgel és berezgési idővel kapcsolatban mondottak azonban a váltakozó áramú billentyűzésnél is érvényesek.
Kemény és lágy billentyűzés A négyszögletes távirójelnél, amelynél a be-ki, ill. ellenkező irányú átmenetek hirtelen zajlanak le, kemény billentyűzésről beszélünk. A négyszögrezgések bővelkednek felharmonikusokban, és ezért sok zavart okoznak a szomszédos csatornákban, ill. készülékekben. Célszerű ezeket a felharmonikusokat már az adóban minél előbb eltávolítani. Mivel frekvenciagazdálkodási okokból egyébként is korlátozni kell a sávszélességet, gyakran érdemes a távíró-, ill. adat jelet egy aluláteresztővel már eleve a fent megadott sávszélességre korlátozni. Ezáltal a négyszögimpulzusok ellaposodnak és trapézszerű vagy szinuszjellegű alakot nyernek. Az átmenetek folyamatosak. Ilyenkor lágy billentyűzésről beszélünk. Az alkalmazott aluláteresztő átviteli függvényének ügyes megválasztásával a kedvező spektráleloszlás mellett még minimális torzítási tényező is elérhető.
