Híradástechnika I. 2.ea

Híradástechnika Intézet

}

Híradástechnika I.

2.ea

Dr.Varga Péter János 2016


Spektrum ábra példa

2016

2


A kommunikációban használt fontosabb fogalmak 

A sávszélesség

A sávszélesség az a frekvenciatartomány, amelyben az áramkör használható. A sávszélességet az f2-f1 különbséggel definiáljuk, ahol f1 az alsó és f2 az ún. felső határfrekvancia. Ezekben a pontokban a kimenő jel a maximális érték felére esik vissza.

BW=f2-f1 2016

3



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.

2016

4



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. 2016

5



A decibel-skála

A csillapítást decibelben szokás megadni. A decibel-skála két teljesítmény arányának (P1/P2) logaritmikus skálán való kifejezése

Például teljesítmény viszonyok: 𝑃1 𝑎 𝑑𝐵 = 10 ∙ 𝑙𝑜𝑔10 𝑃2

2016

6



A zaj és a jel/zaj viszonyszám

Minden olyan jelet, ami nem része az információnak, a kommunikációs összeköttetésben zajnak tekintünk.

2016

7



Jel-zaj viszony (Signal to Noise Ratio, SNR) A jel/zaj viszony a jel és a zaj átlagos teljesítményeinek hányadosa:

SNR 

2016

Pjel Pzaj

SNR dB  10 log

Pjel Pzaj

[dB]

8


A kommunikációban használt fontosabb fogalmak

2016

9


Feladatok

2016

10


2016

11


2016

12


2016

13


2016

14


2016

15


2016

16


Modulációk

2016

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

2016

18


Miért van szükség modulációra? 

több felhasználó közötti megosztás (többszörös hozzáférés)



az átviendő jel és a közvetítő közeg fizikai jellemzőinek összeegyeztetése

2016

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

2016

20


Mi az eszköze?

2016



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 

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

2016

22


A moduláció fajtái  Két

alapvető fajtát használunk:

 analóg

moduláció

 digitális

moduláció

Forrás

Modulátor

sm(t)

fv

s(t)

Demodulátor

Csatorna N0 n(t)

r(t)

Nyelő sd(t)

Zaj sm(t) – moduláló jel (információ) fv – vivőfrekvencia s(t) – modulált jel r(t) – modulált jel és a csatorna zaja sd(t) – demodulált jel 2016

23


Modulációs technikák 

Analóg modulációs technikák  amplitúdómoduláció 

(AM)

egy oldalsávos moduláció (SSB, vagy SSBAM), módosított változata az egy oldalsávos,

elnyomott vivőjű moduláció (SSB-SC)  szögmoduláció

2016



fázismoduláció (PM)



frekvenciamoduláció (FM) 24


A vezeték nélküli átvitel blokkvázlata

2016

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

2016

26


Amplitúdómoduláció 

Az elnevezés is utal arra, hogy ezeknél az eljárásoknál az amplitúdó hordozza az információt



A modulált jel fAM(t) pillanatnyi amplitúdója a moduláló jel m(t) pillanatnyi értékétől függ

f AM (t )  m(t ) cos(v t ) 3

Uv+Um

2

Uv

1 0 -1 -2 -3

2016

0

200

400

600

800

1000

1200

27


AM-jel fajtái 

2016

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)

2016

29


AM-DSB/SC

(elnyomott vivőjű két-oldalsávos a.m.)

2016


AM-SSB/SC

(elnyomott vivőjű egy-oldalsávos a.m.) 

2016

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

2016

32


AM-SSB/USB és AM-SSB/LSB

2016

33


AM jelek demodulálása

=0-nál 2016

Szűrővel leválasztható! 34


AM-DSB demodulálása egyszerű áramkörrel 

2016

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

2016

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.

2016

37


Frekvenciamoduláció

2016

38


FM jel demodulálása 

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 SFM(t)

2016

FM DEM.

Sdem(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

2016

40


FM adó DIY

2016

41


FM az autóban

2016

42


Digitális jelek előállítása

2016

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.

2016

44


Digitális jelek előállítása Analóg jel: 

Időben folytonos



Halmazon folytonos

Vagyis az analóg jel értelmezési tartománya (ÉT) és értékkészlete (ÉK) időben történő reprezentáció esetén folytonos.

2016

45


Digitális jelek előállítása Analóg jelek a: - tárolás - feldolgozás - továbbítás esetén sérülnek, torzulnak. Cél: Olyan reprezentációs forma kialakítása, mely a fenti hátrányokat: - megszünteti - kézben tartja 2016

46



Mintavételezési frekvencia: 2016

47



2016

48


Digitális jelek előállítása 

Mintavételezési frekvencia Veszteségmentes jel visszaállítás, a jel mintákból akkor lehetséges, ha

fm ≥ 2fmax feltétel teljesül. Vagyis a mintavételi frekvencia nagyobb vagy egyenlő mint az analóg jelben előforduló legnagyobb frekvenciájú komponens (fmax) kétszerese. 2016

49


Digitális jelek előállítása Az fm ≥ 2fmax teljesülését Shannon mintavételi tételének, vagy Nyquist kritériumnak szoktuk nevezni. Shannon mintavételi tétel betartása esetén a jel mintákból az analóg jel veszteségmentesen reprodukálható!

2016

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.

f (Hz)

600 Hz 12 dB

3,1 kHz 300 Hz

2016

oktáv

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

2016

52



2016

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.

2016

54


Digitális jelek előállítása X Alapsávi jel spektruma

Alsó oldalsáv

Nyquist X frekvencia

Alapsávi jel spektruma

Átlapolódó spektrum 2016

Felső oldalsáv fm

f

Alsó oldalsáv

Felső oldalsáv fm

f

55


2016

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

2016

57


Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás

2016

58


Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás X(t) Ábrázolandó A jel a továbbiakban csakis az ábrázolandó pontok minták t

halmazában lesz értelmezett, vagyis értékkészlete véges

„n” bitszám esetén 2n db érték értelmezhető

2016

59


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

2016

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.

2016

61


Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás A kvantálásból eredő zaj végérvényesen a

jelen marad, az onnan a későbbiekben nem távolítható el!

2016

62


Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 

Lineáris kvantálás •



Nemlineáris kvantálás •

2016

Ekkor az ábrázolási tartományt lineárisan osztjuk 2n részre

Általában logaritmikus, vagy logaritmikus görbe töréspontos közelítése 63


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

2016

Helyreállító szűrő

Analóg jel 64


Analóg jel visszaállítása a digitális jelből Helyreállító szűrő:

Aluláteresztő szűrő

2016

Amplitúdó korrektor

65


Teljes digitális lánc PCM

A

Átviteli lánc

PCM

D fm

D A

Tárolás Jelfeldolgozás

Veszteség mentes

Hibák, torzítások helyei:  Sávkorlátozó szűrő (analóg)  Kvantálási hiba [additív zaj]  Helyreállító szűrő (analóg) 2016

66


2016

67


Digitális lánc és a zaj

2016

68


Digitális modulációs technikák 

Az amplitúdóeltolás-billentyűzés (ASK, AmplitudeShift Keying) véges számú amplitúdót használ, és nagyon hasonlít az impulzus-kód modulációhoz.



A frekvenciaeltolás-billentyűzés (FSK, frequencyShift Keying) véges számú frekvenciát használ.



A fáziseltolás-billentyűzés (PSK, phase-shift keying) véges számú fázist használ.

2016

69


Vivőfrekvenciás digitális modulációs rendszerek ASK

FSK

PSK AM-DSB A moduláló jel alapsávi Impulzus formálás után 2016

70


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. uASK(t) = A * sin (2 *  * f + )

2016

71


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 (fp) változtatja, például a logikai ’0’-hoz f0, míg a logikai ’1’hez f1 tartozik. uFSK(t) = A * sin (2 *  * fp + ),

ahol A az FSK jel amplitúdója, fp a vivő jel pillanatnyi frekvenciája (f0 vagy f1),  pedig a vivőjel kezdőfázisa.

2016

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. uPSK(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).

2016

73


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

2016

74


Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) Scatter plot 1 10 0.8

Zajos csatornán továbbított jel konstellációs ábrája 2

0.6 1.5 1

0.2 01

00

0

0.5

Quadrature

Quadrature

0.4

-0.2 -0.4

-0.5

-0.6

-1

-0.8

-1.5

11

-1 -1

2016

0

-0.5

0 In-Phase

0.5

1

-2 -2

-1

0 In-Phase

1

2

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 2016

76


Digitális modulációk

2016

77


4 – 1024 QAM

2016

78


DVB-C beállítása

2016

79


A jelátvitel fizikai közegei

2016

80


Történelem 

A hálózatok fejlődésének kezdetén különféle célorientált hálózatok jöttek létre: 

távközlő hálózatok



műsorelosztó hálózatok



adathálózatok Fejlődés  integrált hálózatok létrejötte



2016

Megvalósult: 

eszközök szintjén



hálózatok szintjén 81


2016

82


T

M

2016

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

2016

84


A jelátvitel fizikai közegei

2016

85


A telekommunikáció elektromágneses spektruma

2016

86


Réz alapú kábelek

2016

87


Rézalapú kábelek előnyei 

Egyszerűbb szerelési technológia



Alacsonyabb telepítési költségek



Olcsó aktív eszközök



Szennyeződésre kevésbé érzékeny csatlakozások



Helyes telepítés után megbízható, sokoldalú, költséghatékony

2016

88


Rézalapú kábelek hátrányai 

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

2016

89


Vezetékes átvitel koaxiális kábelen  



2016

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

Műanyag szigetelő

Központi ér

Árnyékoló harisnya

Szigetelő műanyag (gyakran műanyag hab, vagy magas frekvenciás esetben teflon)

2016

Fonott réz AL fólia

91


Vezetékes átvitel koaxiális kábelen Zaj, Zavar

Z0

Z0 Z0

  

2016

Homogén hullámimpedancia Egyszerű meghajtó/vevő áramkör Mechanikai sérülésekre érzékeny (pl. megtörés  Z0 megváltozik) 92


Koaxiális kábelek típusai 

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 

2016

93


Koaxiális kábelek típusai

2016

94


Koaxiális kábel csatlakozók

2016

95


Csavart érpáras átviteli közeg (TP – Twisted Pair) Zaj, Zavar Z0/2

Z0/2 Z0/2



Z0

A zavarvédelmet az érpárok összecsavarása jelenti, valamint a szimmetrikus meghajtás



UTP – Unshilded Twisted Pair 

2016

Árnyékolatlan csavart érpár 96


Csavart érpáras átviteli közeg (TP – Twisted Pair) 

2016

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


2016

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)

2016

99

Híradástechnika I. 2.ea

Recommend Documents