Obr. 2.1 Prehľad druhov analógovej modulácie

Transcript

1 2. ZÁKLADY PRENOSU TELEKOMUNIKAČNÝCH SIGNÁLOV 2.1 Prehľad modulačných metód Základná definícia modulácie a demodulácie bola už uvedená v predchádzajúcej kapitole. Z fyzikálneho hľadiska nie je medzi moduláciou a demoduláciou rozdiel. Najčastejšie ide o súčasné pôsobenie minimálne dvoch elektrických priebehov na prvok či obvod s obecne nelineárnou charakteristikou. Pritom prvý z týchto priebehov, ktorý vyjadruje pôvodnú informáciu, určenú k prenosu, nazývame modulačným signálom. Tento signál môže mať obecne analógový alebo diskrétny charakter. Ak je druhým priebehom harmonický signál, nazývame ho nosnou vlnou a hovoríme o spojitej alebo analógovej modulácii. Ak však druhý priebeh má charakter postupnosti impulzov, nazývame ho najčastejšie taktovacím signálom a ide o impulznú moduláciu. Obr. 2.1 Prehľad druhov analógovej modulácie Základná klasifikácia analógových modulácií je zobrazená na obr Pri modulácii harmonickej nosnej sa teda na jeden vstup modulátoru privádza napätie sínusového priebehu (nosná) a na druhý vstup napätie ľubovoľného priebehu (signál). Vzájomným pôsobením týchto napätí v modulátore vzniknú modulačné produkty, ktoré sa objavia na výstupe modulátora.

2 Napätie nosnej vlny je možné vyjadriť vzťahom u N =U MN sin(ωt+φ) (2-1) kde U MN je amplitúda nosnej vlny, Ω je kruhový kmitočet nosnej vlny (Ω=2πF), pričom F je kmitočet nosnej vlny) a φ je počiatočný fázový posuv nosnej vlny. Obr. 2.2 Prehľad druhov impulznej modulácie Modulačným signálom môžeme ovplyvňovať jednak amplitúdu nosnej vlny, tým dochádza k amplitúdovej modulácii, ktorá vedie pri viacnásobnom využití prenosovej cesty k tzv. kmitočtovému triedeniu kanála (tiež frekvenčný multiplex), a jednak uhol natočenia vektora napätia nosnej vlny, kedy hovoríme obecne o uhlových moduláciách. Principiálne môžeme pôsobiť na kmitočet nosné vlny, tím vzniká kmitočtová modulácia, či na počiatočný fázový posuv nosnej vlny, čím dochádza k fázovej modulácii Základná klasifikácia impulzných modulácií je zobrazená na obr Nekvantované impulzné modulácie sú založené predovšetkým na tzv. metóde vzorkovania signálu a modulačné produkty sú vyjadrené zmenami

3 určitého parametra signálovej vzorky (amplitúdou, vzťažnou polohou alebo šírkou). Kvantované impulzné modulácie používajú naviac tzv. metódu kvantovania signálu. Impulzné modulácie vedú k viacnásobnému využitiu prenosovej cesty metódou tzv. časového triedenia kanála (tiež časový multiplex). 2.2 Impulzná modulácia Impulzné metódy modulácie a demodulácie, ktoré sa stali základom pre digitálny prenos, sú založené na princípe odoberania vzorku z pôvodného spojitého alebo číslicového signálu. Odber týchto vzoriek sa pravidelne opakuje po určitých časových intervaloch T v. Dĺžka týchto intervalov sa musí voliť tak, aby odoberané vzorky dostatočne vystihovali charakter pôvodného signálu. Na základe tejto požiadavky sa hustota odoberaných vzoriek určuje podľa tzv. Shannon-Kotelnikovovho teorému, ktorý je možno vyjadriť vzťahom (2-2) kde T v je interval medzi dvoma vzorkami, t. j. prevrátená hodnota vzorkovacej (opakovacej) frekvencie f v, f max je maximálna frekvencia signálu, alebo inak povedané - pre signál s maximálnou frekvenciou f max je nutné odobrať za dobu jeho periódy aspoň dve vzorky. Týmto spôsobom je možné analógový signál vyjadriť ako postupnosť vzoriek, a teda premeniť ho na nespojitý (diskrétny) signál. Amplitúda každej vzorky má však stále analógový charakter (môže nadobúdať nekonečné množstvo hodnôt). Tieto impulzné modulácie sa označujú ako nekvantované impulzné modulácie. Rušivé napätia v prenosovom kanále spôsobujú však u takto modulovaných signálov skreslenia, ktoré obmedzujú vernosť prenosu podobne ako u analógových typov modulácie. Preto sa v súčasnej dobe na prenos spojitých signálov omnoho častejšie používa číslicových (digitálnych) signálov, ktoré nadobúdajú iba konečný počet hodnôt. Počet prvkov signálu je zvolený podľa požiadavky na prípustné skreslenie (vernosť) prenášaného signálu pri predpokladanej priemernej hladine rušivých napätí v prenosovom kanále. Postup, kedy sa nekonečnej množine prvkov signálu priraďuje konečný počet prvkov signálu (napr. kódových skupín), sa nazýva kvantovanie a príslušné modulačné metódy potom nazývame kvantované impulzné modulácie. Vzorkovaním, kvantovaním a kódovaním sa dosiahne to, že spojitý signál takzvane digitalizujeme, čo znamená, že pôvodne analógový signál prenášame

4 pomocou číslicového signálu (prevedieme A/D prevodníkom), ktorý na prijímacej strane naspäť prevedieme na spojitý signál (D/A prevodník). Vplyvom kvantovania však dôjde k určitému skresleniu pôvodného signálu, ktoré už nie je možné na prijímacej strane odstrániť. Premena spojitého signálu na číslicový signál umožňuje prenášať spojité signály rovnako ako číslicové správy číslicovým prenosovým kanálom. Preto sa číslicové prenosové kanály postupne stávajú univerzálnymi kanálmi na prenos ľubovoľného typu signálu Nekvantované impulzné modulácie Pri amplitúdovej impulznej modulácii (PAM - pulzne amplitúdová modulácia) dochádza vlastne iba k procesu odoberania vzoriek z pôvodného analógového signálu. Z technického hľadiska musí snímanie vzorky trvať určitú, i keď krátku dobu. Vzorka potom predstavuje priebeh signálu počas tejto doby. Princíp modulácie a príslušné časové priebehy sú uvedené na obr Signálové napätie harmonického priebehu u s je spínačom s pripojované s periódou T v k výstupnej záťaži Z, z ktorej je potom odoberaný modulačný produkt u. Obr. 2.3 Princíp impulznej amplitúdovej modulácie Princíp demodulácie signálu PAM je založený na priechode tohto signálu dolnou priepusťou, ktorá má šírku pásma zhodnú s šírkou pásma pôvodného signálu. V prípade polohovej impulznej modulácie (PPM) sa veľkosťou okamžitej hodnoty signálu neovplyvňuje amplitúda impulzu, ale ich posun vzhľadom k okamihu vzorkovania signálu. Impulznú polohovú moduláciu je možné principiálne realizovať napr. porovnávaním amplitúdy signálu s amplitúdami pílovitých priebehov, ktorých začiatok je zhodný s okamihom periodického

5 vzorkovania signálu. Priesečník napätia pílovitého priebehu s priebehom napätia signálu určuje veľkosť posunu od základnej polohy pre každú odoberanú vzorku. Tento princíp je názorne ukázaný na obr Demoduláciu polohovo modulovaných signálov je možné uskutočniť napr. pomocou superpozície s napätím pílovitého priebehu (prevedenie na amplitúdovú impulznú moduláciu) a následnou demoduláciou predtým popísaným principom. Obr Princíp polohové a šíŕkové impulzní modulácie Pri šírkovej impulznej modulácii (PŠM) sa v závislosti na amplitúde signálu ovplyvňuje šírka impulzu, ako je tiež ukázané na obr Demodulácia je založená na rovnakom princípe ako je to v prípade impulznej amplitúdovej modulácie, t. j. na priechode modulovaného signálu priepusťou o šírke pásma pôvodného signálu Kvantované impulzné modulácie Najznámejšími druhmi tejto modulácie, vhodnej na realizáciu číslicových kanálov, sú delta modulácia M (niekedy DM) a pulzne kódová modulácia (PCM). Pri použití delta modulácie sa neprenáša informácia o okamžitej hodnote prenášaného signálu, ale informácia o zmenách tejto hodnoty voči hodnote v predchádzajúcom vzorkovacom okamihu. Informácia o tejto zmene sa však vyjadruje digitálne. Princíp je uvedený na obr Priebeh signálu u s je porovnávaný sa stupňovou sledovacou" funkciou sf, ktorá je vytváraná vhodnou aproximáciou pôvodnej signálovej funkcie. Porovnávanie hodnôt oboch funkcií prebieha v okamihoch odoberania vzoriek. Pokiaľ amplitúda signálu u s je v danom okamihu väčšia ako amplitúda sledovacej" funkcie sf, potom napätie sledovacej funkcie stúpne o konštantné malé napätie U (z toho

6 bol odvodený názov tejto modulácie) a na výstupe modulátora sa to prejaví ako vyslanie logického stavu 1". Ak je naopak amplitúda signálu vo vzorkovacom okamihu menšia ako hladina sledovacej funkcie, dôjde k vyslaniu logického stavu 0". Na základe tohto dvojkového kódu je možné na prijímacej strane obnoviť priebeh sledovacej funkcie a nahradiť tak s istou presnosťou pôvodný priebeh signálu u s. Presnosť záleží na veľkosti kvantizačného kroku U. Pre kvalitný prenos musí byť však vzorkovacia perióda T značne kratšia ako perióda vyplývajúca zo vzorkovacieho teorému. V praxi sa používajú i ďalšie odvodené typy, ako napr. adaptivna delta modulácia (ADM). Obr. 2.5 Princíp delta modulácie Podstatou pulzne kódovej modulácie sú tri základné operácie - vzorkovanie, kvantovanie a kódovanie. Základný princíp PCM modulácie môžeme vysledovať z obr Signálový priebeh u s je vzorkovaný obdobne ako pri impulznej amplitúdovej modulácii. Okamžité hodnoty jednotlivých vzoriek sú potom priradené k určitej kvantizačnej úrovni n (na obrázku je znázornených 8 kvantizačných úrovní 0-7). Každej úrovni je potom priradená určitá kódová kombinácia (na obrázku je 8 kombinácií v rámci troch kódových miest), ktoré predstavuje výstupný produkt tejto modulácie určený na prenos kanálom. V dôsledku nedokonalostí prenosových kanálov i prítomnosti rušivých napätí dochádza však ku skresleniu tohto digitálneho signálu. Preto je nutné tento signál na prijímacej strane najprv obnoviť (regenerovať) a až potom dekódovať. Presnosť okamžitých hodnôt jednotlivých vzoriek opäť závisí na kvantizačnom kroku (rozdielu amplitúd v intervale jedinej kvantizačnej úrovne). Okamžité hodnoty jednotlivých vzoriek sa potom demodulujú podobne ako pri amplitúdovej impulznej modulácii (PAM).

7 Obr. 2.6 Princíp PCM modulácie a demodulácie Hlavnou nevýhodou PCM modulácie je relatívne veľká šírka potrebného frekvenčného pásma. Výhodou však je odolnosť proti rušivým napätím, ak nepresiahnu určitú hodnotu. PCM modulácia sa často používa v spojení s metódou viacnásobného prenosu signálu pomocou časového multiplexu. 2.4 Digitálne signály Základné pojmy Číslicové signály vyjadrujú informáciu pomocou nespojitých signálových stavov. V minulosti sa používali hlavne v klasickej telegrafii a v technike diaľkovej signalizácie a diaľkového ovládania. Dnes sa okrem toho uplatňujú nielen v oblasti diaľkového spracovania dát, ale trend v telekomunikačnej technike smeruje k tomu, aby sa prakticky všetky druhy správ (teda napr. i telefónne, rozhlasové a televízne) prenášali pomocou číslicových (digitálnych) signálov. Preto je znalosť základu prenosu číslicových signálov nutným predpokladom na pochopenie základných technických princípov

8 moderných telekomunikačných zariadení. Prenášané správy sa skladajú z blokov, tieto sú potom vytvárané pomocou znakov. Dohodnutá množina znakov sa nazýva abecedou. Znakom rozumieme písmená, číslice, rozdeľovacie či iné znamienka, ale tiež i stav určitého objektu (prítomnosť - neprítomnosť, zapnuté - vypnuté). Znaky sa vo väčšine telekomunikačných prenosov skladajú z tzv. kódových prvkov. Skupinu kódových prvkov prislúchajúcich jednému znaku potom nazývame značkou. Značkou vo fyzikálnom zmysle potom nazývame súbor kódových prvkov vyjadrených vo forme elektrického signálu. Tieto pojmy sú názorné zhrnuté na obr. 2.7, ktorý vyjadruje písmeno B v medzinárodnej telegrafnej abecede MTA 2. Písmeno sa skladá z piatich kódových prvkov, z ktorých každý môže nadobudnúť buď logický stav 0, alebo logický stav 1. Obr. 2.7 Príklad definície základných pojmov používaných v číslicových signáloch V signále je logický stav 1 vyjadrený určitou veľkosťou jednosmerného prúdu a stav logickej 0 potom nulovým prúdom. V tomto prípade ide o tzv. binárny(dvojstavový) číslicový signál, ktorý je v praxi najčastejší. Na prenos sa však používa i viacstavových signálov, ktorých každý kódový prvok môže nadobúdať napr. 4, 8, 16 i viac fyzikálnych stavov. Paralelné prenosy sú vhodné hlavne na krátke vzdialenosti (potreba väčšieho počtu prenosových kanálov). Paralelný prenos s rozdeľovacím priradením sa používa hlavne v technike diaľkovej signalizácie a ovládania, paralelný prenos s kombinačným priradením sa tiež používa v systémoch diaľkovej signalizácie a ovládania, pri prenose dát na veľmi krátke vzdialenosti, v prípade tzv. paralelných modemov, transparentných návestných tabulí, paralelných portov počítača pre tlačiareň a pod. Naproti tomu sériový prenos blokov je typický pre prenosy signálov na väčšie vzdialenosti (stačí jeden prenosový kanál). Sériový prenos s rozdeľovacím priradením sa používa v niektorých sústavách diaľkovej signalizácie a ovládania a systému hromadného diaľkového ovládania.

9 Sériový prenos s kombinačným priradením je v praktických aplikáciách najznámejší. Používa sa v diaľnopisoch, v diaľkovom prenose dát a inde. Je treba však poznamenať, že pri niektorých konkrétnych aplikáciách sa niekedy popísané princípy prenosu kombinujú Základné typy modulácie digitálnym signálom Obr. 2.8 Základné typy modulácie digitálnym signálom a) neutrálny signál - značkové priradenie, b) neutrálny signál - medzerové priradenie, c) polárny signál (dvojpolaritný), d) amplitúdová modulácia - značkové priradenie, e) amplitúdová modulácia - medzerové priradenie, f) frekvenčná modulácia, g) fázová modulácia, h) QAM.

10 Diskrétne signály je možné fyzikálne realizovať mnohými rôznymi spôsobmi, z nich najčastejšie sú znázornené na obr. 2.8 vrátane princípu ich elektrickej realizácie. Prvé tri spôsoby ako nosič používajú jednosmerný prúd a vytvárajú tzv. číslicové signály v základnom pásme. Neutrálny signál môže mať tzv. značkové (a) alebo medzerové (b) priradenie. Polárny signál (c) priraďuje binárnemu stavu 0" kladnú polaritu a stavu 1" zápornú polaritu. Ďalšie štyri spôsoby ako nosič používajú striedavý harmonický signál a vytvárajú tzv. číslicový signál v preloženom pásme. Ide vlastne o moduláciu striedavo nosnej základným číslicovým signálom. Obr. 2.8 d), e) ukazujú prípady amplitúdovo modulovaných signálov, f) príklad frekvenčnej modulácie a g) príklad fázovej modulácie. Fázová modulácia digitálnym signálom sa tiež niekedy nazýva fázové kľúčovanie so skratkou PSK (Phase Shift Key). Fázová modulácia sa často kombinuje s amplitúdovou moduláciou do tzv. kvadraturnej amplitúdovej modulácie so skratkou QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ktorá rozširuje možnosti fázového kľúčovania o zmenu amplitúdy nosnej. Ak príklad dvojstavovej fázovej modulácie, uvedený na obrázku 2.8g, doplníme o ďalšie dva stavy fáze (4 PSK) a možnosť vyjadrenia dvoch amplitúd nosnej, vytvoríme osemstavovú kvadratúrnu amplitúdovú moduláciu 8 QAM (obr. 2.8h). Prvé štyri stavy 0 až 3 by odpovedali 4 PSK (4 hodnoty fázy po 90 ), ďalšie štyri stavy 4 až 7 sú vyjadrené tým istým fázovým posuvom, ale s inou amplitúdou U. Každému z ôsmich stavov odpovedá jeden tribit. Z princípu QAM vychádzajú ešte ďalšie typy používaných modulácií. Je to napr. modulácia CAP (Carrierless Amplitude/Phase modulation - fázovo amplitúdová modulácia s potlačenou nosnou) alebo modulácia DMT (Discrete Multitone modulation - rozdelenie pásma do subkanálov, ktoré sú samostatne modulované metódou QAM). V prípade viacstavovej modulácie sa vždy nepoužíva na rozlíšenie stavu absolútna hodnota fázového posuvu, ale rozdiel fázy medzi dvoma susednými signálovými prvkami. Takúto moduláciu potom označujeme ako rozdielovú fázovú moduláciu či diferenčné fázové kľúčovanie DPSK, ktoré sa tiež často kombinuje s amplitúdovou moduláciu. V rádiokomunikačných systémoch sa tiež používajú aj rôzne špeciálne druhy modulácií. Najdôležitejšie z nich sú odvodené z dvojstavovej frekvenčnej modulácie FSK (viď obr. 2.8f), niekedy tiež nazývanej frekvenčné kľúčovanie. Veľkou nevýhodou FSK je potreba relatívne širokého pásma (amplitúdy spektrálnych zložiek sú energeticky významné v celej šírke spektra a môžu sa prejaviť napr. Rušením v susedných pásmach), čo je spôsobené hlavné skokovou zmenou fázy pri zmene binárneho stavu. Tuto nevýhodu odstraňujú tzv. nelineárni modulácie s pamäťou. Vlastnosti tzv. modulácie MSK (Minimum Shift Keying - frekvenčné kľúčovanie s minimálnym zdvihom), pri ktorej dochádza k spojitému prechodu fáze, sú ďalej

11 vylepšené tým, že sa pred modulátor MSK predradí ešte tzv. dolná priepusť gaussovského typu (pravouhlý signál sa po priechode touto priepusťou premení na spojitý signál v tvare Gaussovskej krivky, a tým sa obmedzí šírka pásma potrebná na prenos). Tak vznikne modulácia GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying - Gaussovská modulácia s minimálnym zdvihom), ktorá sa často používa v celom rade súčasných rádiokomunikačných systémov. Menej sa používa modulácia označovaná GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying - Gaussovská modulácia s frekvenčným kľúčovaním), pri ktorej je modulátoru FSK predradená zmienená dolná priepusť gaussovského typu.