Kommunikcis rendszerek 1 A kommunikciban hasznlt fontosabb fogalmak
Kommunikációs rendszerek
1. A kommunikációban használt fontosabb fogalmak
Sávszélesség n n A legtöbb elektromos áramkör frekvenciafüggően viselkedik. Ha az áramkör bemenetére adott jel frekvenciáját változtatjuk, miközben nagysága változatlan marad, a kimenő jel gyorsan csökken, ha a bemenő jel egy bizonyos frekvencia alá, illetve valamely frekvencia fölé kerül.
Sávszélesség BW=f 2 -f 1
Sávszélesség n n A sávszélességet az f 2 -f 1 különbséggel definiáljuk, ahol f 1 az alsó és f 2 az ún. felső határfrekvancia. Ezekben a pontokban a kimenő jel a maximális érték felére esik vissza. Meghatározza az információtovábbítás sebességét
Csillapítás n n n Valamely elektronikus alkatrész, vagy adatátviteli összeköttetés kimenetén a jel amplitúdója kisebb, mint a bemenetén. Definíció szerint a csillapítás a kimenő és a bemenő teljesítmény hányadosa. A csillapítást az áramkörök belsejében levő veszteségek okozzák
A decibel-skála n n A kommunikációs rendszerekben az erősítést és a csillapítást decibelben adják meg. A decibel (d. B) definíció szerint a két teljesítmény hányadosának a logaritmusa (*10). (Az emberi érzékszerveknek megfelelő skála – antropomorf, pl. kétszer akkora hangszóró teljesítmény csak 3 d. B növekedést okoz, amit épp hogy csak érzékelünk. ) d. B=10 log 10 P 1/P 2 ; Pl: P 1/P 2 = 106 60 d. B
Zaj n n Minden olyan jelet, ami nem része az információnak a kommunikációs összeköttetésben zajnak tekintünk. A zaj forrása lehet: n n természetes eredetű (Nap, a kozmikus sugárzás), mesterséges, valamilyen emberi tevékenység, keletkezhet zaj magában a rendszerben is, pl. az ellenállások, vagy a félvezetők termikus zaja. A zaj erősen befolyásolja a kommunikációs rendszer információátvivő képességét.
Jel/zaj viszony n n A kommunikációs rendszerekben nem a zaj abszolút értéke, hanem annak a hasznos jel teljesítményéhez való viszonya a döntő tényező. Ezért hasznos definiálni a jel/zaj viszony-számot, ami a jel és a zaj teljesítményének a hányadosa Szintén decibelben fejezzük ki. Példa: Bay Zoltán, 1946 hold-echo kísérlet
Moduláció n n n A folyamatos szinuszhullám nem hordoz információt. Hogy közölhessünk vele valamit, egy információt hordozó hullámot kell rá ültetnünk. Ezt a folyamatot nevezzük modulációnak, magát a szinuszhulámot pedig vivőnek.
Miért van szükség a vivőre? n n Hogy az elektromágneses hullámokat megfelelő hatásfokkal sugározhassuk, az adó antenna mérete a hullámhossz fele, vagy negyede kell hogy legyen: pl. 3000 Hz-es hangfrekvencia esetén 25 km. Az egymáshoz közel levő rádióadóknak másmás vivőfrekvenciát kell használniuk.
Elektromágneses spektrum - szolgáltatások
2. Analóg modulációs rendszerek
Amplitúdómoduláció (AM) n A vivő amplitúdóját változtatjuk az átvinni kívánt információnak megfelelően (1906)
AM
AM A moduláló jel: m(t) = M∙cos( mt) A vivő jel: c(t) = C∙cos( ct) AM: m(t) + C, így a modulált jel: y(t) = (C+M∙cos( mt))∙cos( ct) De: cos ∙cos = ½(cos( + ) + cos( - )) y(t) = C∙cos( ct) + M/2∙(cos( c + m)t) + M/2∙(cos( c - m)t)
AM – DSB n n n A jel teljesítménye megoszlik a vivőfrekvenciás összetevő és a két oldalsáv között (Double Sideband); középhullámú rádió: 4, 5 k. Hz Csak a teljesítmény egynegyede hasznos, hordoz információt. Hatékonyság növelése n n DSSC (suppressed carrier) SSB (single sideband); pl. amatőr rádiózás
Frekvenciamoduláció n Az információt a vivő pillanatnyi frekvenciája hordozza (1935)
FM
FM Az FM jel spektrumában a vivőfrekvencia mellett végtelen számú frekvenciakomponens jelenik meg. A magasabb rendű komponensek nyugodtan elhanyagolhatók, mivel amplitúdójuk már nagyon kicsi.
FM n n n Az FM adók 100 MHz környékén működnek „high-fidelity”: 15 k. Hz felső moduláló frekvencia Nagyobb sávszélességű (0, 2 MHz) Kevésbé érzékeny a zajokra Az adó hatásfoka jobb
3. Digitális és hibrid modulációs rendszerek
Shift keying n Két (vagy több) érték közötti kapcsolgatás: „váltó billentyűzés” ASK (amplitúdó) n FSK (frekvencia) n PSK (fázis) n
Amplitude Shift Keying (ASK) n n n A legegyszerűbb formája az amplitúdó ki-be kapcsolgatása Morze szikra-távíró Ma már szinte sehol sem alkalmazzák
Frequency Shift Keying (FSK) n n n Az információt a modulált vivő pillanatnyi frekvenciája hordozza. 1962, AT&T: az első kereskedelmi forgalomba került modem (300 bit/s); hamarosan átálltak PSK-ra Egyszerű előállítani és detektálni Érzéketlen a csatornában bekövetkező amplitúdó változásokra Pl: GSM
Phase Shift Keying (PSK) n n Az információt a modulált vivő pillanatnyi fázisa hordozza. Koherens PSK: demoduláció a vevőben előállított vivővel való összehasonlítás alapján történik.
DPSK n Differenciális PSK: a fázisváltozás hordozza az információt
PSK változatok n n Bináris PSK: a két állapot akkor különböztethető meg a legjobban, ha egymáshoz képest 180°-os a fáziseltérés. Kvadratura PSK (QPSK): 4 fázis, egy fázisszög két bitet reprezentál 8 -PSK: 8 fázis, egy fázisszög három bitet reprezentál Több mint 8 fázis esetén már túl nagy lenne a hibaarány
PSK alkalmazások n n Vezeték nélküli LAN: számos különböző PSK-t használ az adatsebességtől függően Vezeték nélküli PAN Bluetooth: szintén többfélét használ, pl. 8 -DPSK n Zig. Bee (egyszerűbb, olcsóbb, mint a Bluetooth): pl. BPSK n
Pulzus modulációk n n Digitális – analóg hibrid technika Szabályos időközönként mintát veszünk a jelből
Pulse Amplitude Modulation (PAM) n n n Az analóg jel mintavételezésével impulzusok sorozatát kapjuk. A pulzusok nagysága megfelel az analóg jel mintavételezés időpontjában felvett értékének. Az analóg jel helyett ezeket az impulzusokat továbbítják Napjainkban gyakorlati alkalmazása nincs Érzékeny a zajokra
PAM
Pulse Code Modulation (PCM) n n A PAM minta amplitúdójához egy számértéket rendelünk Analóg jel digitális reprezentációja n n n Mintavételezés Kvantálás Felhasználás n n n Digitális telefonrendszerek Digitális hang Digitális videó
Mintavételezés- kvantálás
PCM – digitalizálás n n Telefon: 8 k. Hz; 8 bit 64 kbit/s (Nyquist kritérium) DPCM (differenciális): n n Két egymást követő érték különbségét kódolja. Csökken a szükséges bitek száma Akkor a legelőnyösebb, ha nagy a korreláció az egymást követő minták között (pl. kép) ADPCM (adaptív): változtatják a kvantálás finomságát (pl. Voice over IP)
PCM – a bitfolyam kódolása (alapsávi átvitelnél) n Non-return-to-zero (NRZ) n n RS-232 Számítógépen belüli jelek Return-to-zero (RZ) (szinkronizálás) Manchester kódolás (pl. Ethernet)
Egyéb pulzus modulációk n n n PWM (szélesség): a pulzusok szélessége felel meg az analóg jel amplitúdójának; felhasználás pl. teljesítmény-, feszültségszabályzás PPM (pozíció): az információt a pulzusok közötti idő kódolja; ritka, pl. járművek rádiós vezérlése PDM (sűrűség), más néven PFM: a pulzusok sűrűsége felel meg az analóg kel amplitúdójának
PCM vs analóg moduláció n n n Nagy távolságú átvitelnél az ismétlőállomásokon lehetséges a jel regenerálása Kedvezőbb kimeneti jel/zaj viszony A legváltozatosabb jelfajták átvitelére is fel lehet használni Digitális áramkörök alkalmazása: olcsóbb, megbízhatóbb Forrás kódolás: titkosítás, hibafelismerés, hibajavítás lehetséges (www. mindentudas. hu/gyorfi) Bonyolultabb
Multiplex rendszerek n Több üzenet egyidejű átvitele egy adott csatornán Frekvenciaosztásos (FDM – Frequency Division Multiplex) n Időosztásos (TDM – Time Division Multiplex) n
Frekvencia-multiplexelés Különböző frekvenciájú vivők (rádió, TV) Telefon: 1910, a mai digitális rendszerekben TDM
Idő-multiplexelés Pl: GSM A 2. Világháború során fejlesztették ki Churchill és Roosevelt közötti rádiókapcsolat titkosítására.
4. Telekommunikáció
A kommunikáció fejlődése
Rádió
Rádió története n n n Nicola Tesla 1893; Guglielmo Marconi, Alexander Popov 1895; AM, 1920 FM, 1933 Signal Hill, itt fogta Marconi az első transzatlanti üzenetet 1901 ben
AM rádió n n Hosszú, közép (530– 1620 k. Hz) és rövidhullám Nappal a föld felszínéhez közel terjedve néhány 100 km-re jutnak el Éjjel az ionoszféra visszaveri a hullámokat, így sokkal messzebbről is hallhatók. Érzékeny a légköri zavarokra
FM rádió n n VHF (URH): 100 MHz körül Sztereo n n kompatibilisnek kell lennie a mono vevőkkel M=(L+R)/2 és S=(L-R)/2 sugárzása Mono vétel: csak M; sztereo vétel: L=M+S, R=M-S, A moduláló jel a következő összetevőkből áll: n n n M, 50 Hz-15 k. Hz S ráültetve egy 38 k. Hz-es segédvivőre (AM) egy 19 k. Hz-es referenciajel a demodulálás számára
Televízió n n PAL: 625 -sor/50 Hz 50 félkép másodpercenként (interlace) Kép: negatív amplitúdó moduláció Hang: FM
Telefon n Emberi hang átvitele: 300 Hz - 3400 Hz Analóg rendszerben FDM Modem (modulátor/demodulátor) n n n számítógép felől érkező digitális információnak megfelelő analóg jelet kell előállítania, a túloldalon ezt a műveletet fordítva is el kell végeznie nem AD/DA átalakítás Fázismoduláció Digitális telefonközpontok (PCM)
Digitális előfizetői vonal - DSL n n Digital Subscriber Line (1988) Közönséges telefonvonalon lehetővé teszi a digitális kommunikációt a hangszolgáltatás zavarása nélkül (3400 Hz felett) Üzleti megfontolásból (kábel TV konkurencia) csak a 90 -es évek végétől terjedt el ADSL 2+: 20 Mbit/s, 2 km (Asymmetric)
ADSL PSTN: Public Switched Telephone Networknyilvános kapcsolt telefohálózatból n n n FDM (frekvencia multiplexelés): a két sáv további 4, 3 k. Hz-es csatornákra van osztva. Moduláció: pl. PSK. Ha valamelyik frekvenciasávban a jel/zaj viszony nem megfelelő, akkor azt nem használja, így csökken a sebesség.
Analóg telefonhálózat
ISDN n n n Integrated Services Digital Network — integrált szolgáltatású digitális hálózat Digitális bitcső, időosztásos multiplexeléssel felosztják több független csatornára Csatornák n n n n A 4 k. Hz-es analóg telefoncsatorna. B 64 kbit/s-os PCM csatorna hang és adatátviteli célokra. Csupán adattovábbításra használható. A hibajavítás a felsőbb rétegek feladata. C 8 kbit/s vagy 16 kbit/s sebességű digitális csatorna. D 16 kbit/s vagy 64 kbit/s sebességű csatorna a sávon kívüli jelzésekhez. Ezen keresztül történik meg a híváskérések üzeneteinek az elküldése. E 64 kbit/s sebességű digitális csatorna a sávon belüli jelzésekhez. H 384 kbit/s, 1536 kbit/s, illetve 1920 kbit/s sebességű digitális csatorna. Alapsebességű hálózat, amelyben kettő B és egy D csatornát alakítottak ki.
Mobilhálózat n n n n Cellás felépítésű Minden cellában a telefonokkal egy rádiófrekvenciás adóvevő antenna (bázisállomás) tartja a kapcsolatot. A cellák alakja elméletileg hatszög Az egymáshoz közeli cellákban más a vivőfrekvencia Frekvencia újrahasznosítás Mivel minden cellában több telefon tartózkodik, ezért a frekvenciasávot kisebb részekre, csatornákra osztják. Minden telefon egy csatornán keresztül képes kommunikálni a bázisállomással. A cellák közötti csatornakiosztás lehet statikus, dinamikus.
Cellák logikai felépítése
GSM - Global System for Mobile Communications n n n A legelterjedtebb mobiltelefon szabvány (2. generációs) A jelzés és a beszédcsatornák is digitálisak (FSK) Short message service n n tárol-és-továbbít elv (store-and-forward) ún. best-effort kézbesítés (nem garantált) 900 MHz: 124 vivőfrekvencia (200 k. HZ-enként), egyenként 8 beszédcsatornával (TDM) Subscriber Identity Module
GSM cellaméretek n n Makrocellák: max. 35 km Mikrocellákat: antenna az átlag tetőszint alatt (nagyvárosok központjaiban). Pikocellák: néhány 10 m, főleg épületen belül Esernyő cellák: az árnyékol, vagy lefedetlen területeket töltik ki
- Slides: 57