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
A modulációval szemben a következő követelményeket támasztják 7
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
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
Modulációs technikák 9
Analóg modulációs technikák amplitúdómoduláció egy
(AM)
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*108 m/s
A vezeték nélküli átvitel blokkvázlata 11
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 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
0
200
400
600
800
1000
1200
AM-DSB (kétoldalsávos amplitúdó moduláció) 14
Sávszélesség: fBW=2fmax Um Modulációs mélység: ma m Uv
AM-DSB/SC (elnyomott vivőjű kétoldalsávos a.m.) 15
Az adóteljesítmény csökkentése érdekében a vivőfrekvenciás komponenst kiszűrik, vagy már eleve 0 középértékű modulálót használnak. Ez teljesítmény szempontjából kedvező, azonban megnehezíti a vivő visszaállítását
AM-SSB/SC (elnyomott vivőjű egyoldalsávos a.m.) 16
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.
AM-DSB és AM-DSB/SC 17
AM-SSB/USB és AM-SSB/LSB 18
AM jelek demodulálása 19
A szorzó demoduláció minden AM típusra alkalmazható SAM(t) Sd(t)
Sv(t)
Sd ( t ) SAM ( t ) cos(v t ) a ( t ) cos(v t ) cos(v t ) a(t) a (t ) cos cos(2v t ) 2 2
=0-nál
a (t) 2
Szűrővel leválasztható!
AM-DSB demodulálása egyszerű áramkörrel 20
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.
Frekvenciamoduláció 23
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 SFM(t)
FM DEM.
Sdem(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
FM adó DIY 26
FM az autóban 27
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:
1 fm Tm
Digitális jelek előállítása 33
Digitális jelek előállítása 34
Mintavételezési frekvencia Veszteségmentes jel visszaállítás, a jel mintákból akkor lehetséges, ha
fm ≥ 2fmax feltétel teljesül. Vagyis a mintavételi frekvencia nagyobb vagy egyenlő mint az analóg jelben előforduló legnagyobb frekvenciájú komponens (fmax) kétszerese.
Digitális jelek előállítása 35
Az fm ≥ 2fmax 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
Mintavételező áramkör Sávkorlátozott Analóg jel fm
PAM
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 X tartományban)
Ha az alapsávi jelben előforduló maximális frekvencia nagyobb mint a Nyquist frekvencia, akkor az alsó oldalsáv X és az alapsáv átlapolódik.
Alapsávi jel spektruma
Alsó oldalsáv
Nyquist frekvencia
Alapsávi jel spektruma
Átlapolódó spektrum
Felső oldalsáv fm
f
Alsó oldalsáv
Felső oldalsáv fm
f
41
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 42
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
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 43
Példa: 0 mV – 80 mV, bitek száma n=3, 2n állapot Digitális szám
Ábrázolt feszültség érték
000 001 010
0-10 mV 10-20 mV 20-30 mV
011 100
30-40 mV 40-50 mV
101 110 111
50-60 mV 60-70 mV 70-80 mV
33,5 mV Hiba: 1,5 mV
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 44
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
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 45
X
Kvantálás esetén minden mintára nagyságú zaj ül.
Ha a kvantálást matematikai kerekítéssel végezzük, akkor: max
két szomszédos min ta közti távolság 2
„Lépcsöfél”
PAM minta
t
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 46
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.
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 47
A kvantálásból eredő zaj végérvényesen a jelen marad, az onnan a későbbiekben nem távolítható el!
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 48
Lineáris kvantálás •
Ekkor az ábrázolási tartományt lineárisan osztjuk 2n részre
Nemlineáris kvantálás •
Általában logaritmikus, vagy logaritmikus görbe töréspontos közelítése
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 49
Lineáris kvantálás Ábrázolt jel
Ábrázolandó jel
Digitális jelek előállítása Kvantálás és kódolás 50
Logaritmikus görbe töréspontos közelítése
Ábrázolt jel
Ábrázolandó jel
Analóg jel visszaállítása a digitális jelből 51
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
Analóg jel visszaállítása a digitális jelből 52
Helyreállító szűrő:
Aluláteresztő szűrő
Amplitúdó korrektor
Teljes digitális lánc 53
PCM
A
Átviteli lánc
PCM
D fm
Tárolás Jelfeldolgozás
Veszteség mentes
Hibák, torzítások helyei: Sávkorlátozó szűrő (analóg) Kvantálási hiba [additív zaj] Helyreállító szűrő (analóg)
D A
Digitális lánc és a zaj 54
Digitális modulációs technikák 55
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.
Vivőfrekvenciás digitális modulációs rendszerek 56
ASK
FSK
PSK AM-DSB A moduláló jel alapsávi Impulzus formálás után
Amplitúdó billentyűzés ASK (Amplitude Shift Keying) 57
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 + )
Frekvencia billentyűzés FSK (Frequency Shift Keying) 58
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.
Fázis billentyűzés PSK (Phase Shift Keying) 59
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).
Többszintű fázis billentyűzés (QPSK) 60
PSK – egyfrekvenciás hordozó 2n fázishelyzetbe kódolják. Pl.: n=2 8 fázisú jellel 3 bit kódolható 00 4 fázisú PSK 01
10
11 2 bit értékpárjai
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 10 0.8 0.6 Zajos csatornán továbbított jel konstellációs ábrája 2
0.2 1.5
01
00
0
1
-0.2 0.5
Quadrature
Quadrature
0.4
-0.4 -0.6
0 -0.5
-0.8
11 -1
-1 -1
-0.5
0 In-Phase
0.5
1
-1.5 -2 -2
-1
0 In-Phase
1
2
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
Digitális modulációk 63
4 – 1024 QAM 64
DVB-C beállítása 65
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 legfontosabb szempontok 70
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
A jelátvitel fizikai közegei 71
A telekommunikáció elektromágneses spektruma 72
Frekvencia (Hertz)
102
103
104
105
106
107
108
ELF
VF
VLF
LF
MF
HF
VHF UHF
Energia, telefon Forgó generátorok Telefon Zenei berendezések Mikrofonok
Rádió Rádió, televízió Elektroncsövek Integrált áramkörök
109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
SHF
EHF
Mikrohullám Radar Mikrohullámú antennák Magnetronok
Infravörös Lézerek Irányított rakéták
Látható fény
Csavart érpár Optikai szál
Koaxiális kábel AM rádió
FM rádió Földi és műholdas és TV mikrohullámú átvitel
Réz alapú kábelek 73
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
Árnyékoló harisnya
Szigetelő műanyag (gyakran műanyag hab, vagy magas frekvenciás esetben teflon)
Fonott réz AL fólia
Vezetékes átvitel koaxiális kábelen 78
Zaj, Zavar Z0
Z0 Z0
Homogén hullámimpedancia Egyszerű meghajtó/vevő áramkör Mechanikai sérülésekre érzékeny (pl. megtörés Z0 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
Koaxiális kábelek típusai 80
Koaxiális kábel csatlakozók 81
Csavart érpáras átviteli közeg (TP – Twisted Pair) 82
Zaj, Zavar Z0/2
Z0/2 Z0/2
A zavarvédelmet az érpárok összecsavarása jelenti, valamint a szimmetrikus meghajtás
Z0
UTP – Unshilded Twisted Pair
Árnyékolatlan csavart érpár
Csavart érpáras átviteli közeg (TP – Twisted Pair) 83
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
Csavart érpáras átviteli közeg (STP – Shilded Twisted Pair) 85
Z0/2
Z0/2 Z0/2
Árnyékoló harisnya
A zavarvédelmet az árnyékolás és az érpárok összecsavarása jelenti. STP – Shilded Twisted Pair (Árnyékolt csavart érpár)
86
Kábel csatlakozások, csatlakozók 87
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
