Základy rádiové digitální komunikace Doc. Dr. Ing. Pavel Kovář Katedra radioelektroniky K13137
(Shannonovo) Schéma digitálního komunikačního řetězce Modeluje zpracování informace v digitálních komunikačních
systémech diskrétní sdělovací kanál spojitý sdělovací kanál
zdroj zpráv
kodér zdroje
kodér kanálu
modulátor
místo určení
dekodér zdroje
dekodér kanálu
demodulátor
DVB-T – příklad digitálního komunikačního systému MPEG 2(4)
Kodér kanálu
MPEG 2(4)
Dekodér kanálu
Řetězový kód 1.
vnější kodér – Reed Solomonův kód RS (204,188)
2.
vnější bytový prokladač
3.
vnitřní kodér – knovoluční kód s kódovou rychlostí 1/2 s možností punktování na 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
4.
vnitřní bitové prokládání
OFDM modulátor
OFDM demodulátor
Vysílač
DTV tuner
OFDM – ortogonální frekvenční multiplex Data se vysílají na velkém množství nosných vln volených tak, aby byly navzájem ortogonální
Zdroj zpráv Zařízení, které generuje číslicové zprávy (data), která je třeba přenést
na místo určení • • • •
Počítačová data Řečový signál digitalizovaný A/D převodníkem Digitalizovaný video signál …
Důležité parametry zdroje zpráv •
•
•
Bitová rychlost - objem dat vygenerovaných za jednotku času [bit/s] (bit – binary digit) Informační rychlost - množství informace vygenerovaných za jednotku času [bit/s] (bit – binary unit) Redundance – nadbytečná informace = rozdílu mezi velikostí dat [bit] a množství informace v těchto datech obsažené [bit]
Kodér zdroje •
Zmenšuje (komprimuje) objem dat generovaných zdrojem zpráv
Způsoby kódování kanálu
Bezeztrátové kódování – odstranění redundantní informace, (redundantní informaci není nutno přenášet, lze ji při dekódování do zprávy znovu doplnit)
Dekódovaná data jsou identická s kódovanými daty! •
počítačová data
Ztrátové kódování – odstraňuje se redundantní a irelavantní informace Dekódovaná data nejsou identická s kódovanými daty, ale je zajištěno, že vjem zůstane zachovaný! •
obrázky, řeč, hudba, video …
Irelevantní informace – nepodstatné složka, není důležitá z hlediska vjemu a interpretace dat
Příklad redundance Ve videosignálu můžeme rozeznat dva druhy redundance: 1.
2.
Prostorovou redundanci - dva blízké body mají podobný (korelovaný jas) Časová redundance – po sobě jdoucí snímky jsou většinou velmi silně korelované
Příklad irelevantní informace Psychovizuální vlastnosti lidského oka: • • •
Maskovací efekt lidského oka (omezená schopnost vnímání jemných detailů obrazu) Omezená citlivost na detaily v blízkosti rozhraní dílčích objektů Omezené vnímání detailů rychle se měnících partií obrazu
Zdrojové kódování jakostního audio signálu L
R
A/D
Nekódovaný signál CD kvalita 2x16x48000= 1,536 Mbit/s Kodér MPEG1 192kByte/s
Layer 3 (MP3)
16 bit fs = 48 kHz
Redukce objemu dat v poměru 1:7,7 (DVB-T)
Signály nejsou stejné ! => ztrátové kódování
L
R
199 kbit/s (DVB-T)
D/A
1,536 Mbit/s
Dekodér MP3
199 kbit/s
Příklady kódování multimediálních dat
Nekódováno Audio Statický obrázek Video
Bezeztrátová komprese
CD 192kByte/s BMP
Ztrátová komprese MP3
GIF TIF
JPEG MPEG 2 MPEG 4
Kódování kanálu
Detekce a oprava chyb při přenosu
Do přenášených dat se definovaným způsobem přidá informace, která na straně přijímače slouží 1.
Rozpoznání chybně přenesených dat - detekční kódy
2.
parita, kontrolní součet, CRC …
Opravě chybně přenesených dat - korekční kódy FEC (Forward Error Correction)
lineární blokové kódy konvoluční kódy řetězové kódy turbo kódy
Lineární blokové kódy Zdrojová slova se kódují nezávisle
Zdrojové slovo k -tice
Zdrojová data Kódová data Kódové slovo n -tice
Paritní slovo
Kódy s pamětí Konvoluční kódy Turbo kódy … k -tice
n -tice
Zdrojová data Sekvenční obvod
Kódová data
Data jsou kódována průběžně. Do kodéru vstupuje k-tice zdrojových symbolů. Ta je v kodéru zakódována do n-tice kódových symbolů. Kodér má paměť => zdrojové k-tice nejsou kódovány nezávisle.
Rychlost kódování
rc =
k n
0 ≤ rc ≤ 1
Modulátor
Číslicová data – signál diskrétní v čase a v amplitudě (posloupnost symbolů; ze spočetné množiny prvků (abecedy))
Rádiový kanál – spojité přenosové médium (umožňuje přenášet spojitý signál)
=> Signál diskrétní v čase a v amplitudě je třeba převést na analogový signál patřičných vlastností. Proces se nazývá modulace.
Digitální modulace - představa Úloha – přenést binární posloupnost ck rádiovým kanálem, ck ∈ {0,1} Řešení – ci=1 zaklíčuji vysílač na dobu Ts (doba trvání symbolu) ci=0 nebudu vysílat po dobu Ts ck
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
1
0
Klíčovací signál Ts
2Ts
3Ts
4Ts
5Ts
6Ts
7Ts
8Ts
9Ts
10Ts 11Ts 12Ts
t
Vysílaný signál t Ts
2Ts
3Ts
4Ts
5Ts
6Ts
7Ts
8Ts
= modulace OOK (On Off Keying)
9Ts
10Ts 11Ts 12Ts
Kapacita kanálu
Kanál s AWGN vstupní signál
sin ( t )
sdělovací kanál
výstupní signál
sout ( t ) = sin ( t ) + n ( t )
Spektrální výkonová hustota bílého šumu S (ω ) N0 2
n (t ) ω
AWGN – aditivní bílý gaussovský šum aditivní - šum se přičítá bílý - konstantní spektrální výkonová hustota gaussovský - normální rozložení amplitudy SNR – odstup výkonu signálu PS od výkonu šumu PN
SNR =
PS PS = PN 2 B. N 0 2
B – šumová šířka pásma přijímače
Kapacita kanálu Maximální množství informace, které lze přenést daným kanálem za jednotku času
P C = B log 2 1 + = B log 2 (1 + SNR ) N0 B B - šířka pásma přenášeného signálu P - výkon přenášeného signálu N0/2 - oboustranná spektrální výkonová hustota aditivního bílého šumu o normálním rozložení SNR - odstup signálu od šumu ve smyslu poměru výkonů Kapacita kanálu závisí na výkonu přenášeného signálu, spektrální výkonové hustotě šumu, ale také na modulační šířce pásma přenášených signálů. Maximální kapacitu Cmax pro daný výkon a spektrální výkonovou hustotu šumu dosáhneme pro B→∞.
Cmax =
P 1 N 0 ln ( 2 )
Závislost kapacity kanálu na šířce pásma l
ln ( 2 )
N C 0 P
B
N0 P
Příklad Kapacita kanálu systému DVB-T pro SNR = 20 dB (šířka pásma 7,5 MHz) 20 C = B.log 2 (1 + SNR ) = 7,5.10 log 2 1 + 10 10 = 49,9Mbit / s 6
Pro SNR 20 dB lze zvolit přenosovou rychlost kolem 20 Mbit/s, což je asi 40% maximální kapacity.
Šíření rádiových vln
Způsoby šíření rádiových vln Elektromagnetické vlny vyzařované vysílací anténou mohou dosáhnout přijímací anténu několika způsoby, záleží na okolním prostředí, vlnové dálce apod.
Přímá vlna – izotropní a homogenní prostředí, šíří se přímočaře Přízemní vlna – šíří se v blízkosti zemského povrchu na rozhraní polovodivého povrchu a vzduchu
a) Přímá vlna ohybová (h/λ)<1/2, kopíruje zemský povrch, tlumení závisí na ε a σ zemského povrchu b) Přízemní a přízemní odražená vlna (h/λ)>1/2
Ionosférická vlna – jeden nebo vícenásobný odraz od ionosférické vrstvy Troposférická vlna – příjem rozptýlené vlny v troposféře
Způsoby šíření rádiových vln
no io
ká
a
přízemní přímá
vl n
o sf é ri c
á ick ér sf
tro p
vl n a
vlna
á vlna n e ž a í odr n m e z vá vlna pří přízemní ohybo
Rádiové kmitočty a způsoby šíření Kmitočty
Malé vzdálenosti
ELF 3mHz- 3kHz
VLF 3 - 30 kHz
Velká vzdálenost
Poznámka
den
noc
povrchová, ionosférická
ionosférická
ionosférická
šíření v zemi i mořské vodě
povrchová, ionosférická
ionosférická
ionosférická
malý útlum a únik, extrémně stabilní fáze a kmitočet, velké antény
povrchová, ionosférická
ionosférická
ionosférická
velký atmosférický šum, slabý únik
MF 300 - 3000 kHz
povrchová,
povrchová
ionosférická
znatelný únik, spojení spolehlivé
HF 3 - 30 MHz
povrchová,
ionosférická
ionosférická
vícecestné šíření, únik
VHF 30 - 300 MHz
přízemní přímá a odražená
přízemní přímá a odražená troposférická
přízemní přímá a odražená troposférická
vícecestné šíření, únik, rozptyl
UHF 300 - 3000 MHz
přízemní přímá a odražená
přízemní přímá a odražená troposférická
přízemní přímá a odražená troposférická
SHF 3 - 30 GHz
přízemní přímá a odražená
přízemní přímá a odražená troposférická
přízemní přímá a odražená troposférická
EHF 30 - 300 GHz
přímá
přímá
přímá
LF
30 - 300 kHz
absorpce ve vodní páře a některých plynech
Radiokomunikační rovnice Vztah mezi dosažitelným přijímaným výkonem Pdp a vysílaným
výkonem Pv
λ Pdp = Pv Gv G p 4π R
2
Gv Gp λ R
zisk vysílací antény zisk přijímací antény vlnová délka vzdálenost
Zisk antény – vyjadřuje, kolikrát více výkonu anténa vyzařuje do daného směru vzhledem k izotropnímu zářiči.
Vyzařování izotropního zářiče
Vyzařování směrové antény
Radiokomunikační rovnice Vyzařování izotropního zářiče • rádiová anténa vyzařuje kulovou vlnu • izotropní zářič vyzařuje do všech směrů rovnoměrně • směrová anténa vyzařuje do určitého směru Gv krát více než izotropní zářič ( Gv - zisk antény) • hustota výkonu S ve vzdálenosti R od antény o zisku Gv
S=
Pv Gv 4π R 2
• dosažitelný výkon na zátěži přijímací antény ve volném prostoru Pv GvG p λ Ppd = SAe = Pv Gv G p = LR 4π R 2
Ae
- efektivní plocha přijímací antény
4π R = LR λ 2
- útlum volného prostoru - závisí jednak na vzdálenosti a jednak na vlnové délce
• dosažitelný výkon na přijímací anténě ve ztrátovém prostředí, přízemní vlnou, přímou a odraženou vlnou od země ... Pdp =
F
- činitel tlumení
Pv Gv G p LR
F
2
Vyzařování směrové antény
