POSTUPCI OBRADE SIGNALA MODULACIJE I MULTIPLEKSIRANJE Dva naina

POSTUPCI OBRADE SIGNALA MODULACIJE I MULTIPLEKSIRANJE

Dva načina prenosa signala n u osnovnom (baseband) opsegu učestanosti, tj u prirodnom (originalnom) opsegu učestanosti u kojem se signal nalazi na izlazu iz pretvarača poruka-signal. n u transponovanom opsegu učestanosti – ovakav postupak prenosa podrazumeva translaciju spektra originalnog signala poruke u neko drugo (više) frekvencijsko područje, što se ostvaruje primenom nekog od postupaka modulacije.

Prenos (analognih i digitalnih) signala u osnovnom opsegu učestanosti Analogno/digitalna (A / D) konverzija signala

Prenos signala u transponovanom opsegu učestanosti n Zasniva se na primeni odgovarajućih tehnika modulacije nosioca Modulacija = proces promene nekog od značajnih parametara pomoćnog determinističkog signala (nosioca) u skladu sa promenama signala poruke (modulišućeg signala) ¨ Na taj način, pomoćni signal postaje nosilac signala kojeg je potrebno preneti (nosilac poruke). ¨ n Postupci modulacija omogućavaju translaciju spektra modulišućeg signala u oblast visokih učestanosti (u okolini učestanosti nosioca).

Prenos signala u transponovanom opsegu učestanosti n Osnovni razlog za primenu postupaka modulacije nosioca je da se signal kojeg je potrebno preneti tako obradi da bude podesan za prenos, odnosno u cilju: n prilagođenja signala na dati medijum za prenos (liniju veze), n boljeg iskorišćenja medijuma za prenos multipleksni (višekanalni) prenos, n povećanja otpornosti prenošenog signala na uticaje šumova i smetnji (interferencija), n povećanja spektralne efikasnosti, n ostvarivanja zahtevane brzine prenosa podataka

Signali u postupku modulacije n n n modulišući signal (ekvivalent poruke) nosilac - deterministički periodični signal (pomoćni signal koji ne sadrži nikakvu informaciju) modulisani signal (rezultat obrade) = modulišućim signalom modifikovani nosilac Signalom koji nosi informaciju (modulišući) moduliše se (obradi, promeni) neka od karakteristika poznatog determinističkog signala (nosioca) rezultat je modulisani signal; ta promena neke karakteristike nosioca obavlja se sklopu koji se naziva modulator.

Demodulacija n n n Proces obrade modulisanog signala u prijemniku sa ciljem da se iz njega izdvoji modulišući signal naziva se demodulacija ili detekcija. U osnovi, to je proces koji je inverzan onome u predajniku (procesu modulacije). Dobijeni signal na izlazu iz demodulatora naziva se demodulisani signal. Modulacija i demodulacija predstavljaju, dakle, dva povezana procesa obrade signala pri njihovom prenosu kroz telekomunikacioni sistem. Sklop kojim se obavlja modulacija naziva se modulator, a sklop u kome se obavlja demodulacija demodulator. Modulator + demodulator = modem.

Klasifikacija postupaka modulacija n Prema talasnom obliku nosioca ¨ Modulacije kontinualnog nosioca – nosilac je prostoperiodični deterministički signal (sin oblika), čija je učestanost mnogo puta veća od učestanosti modulišućeg signala. Sinusni signal se karakteriše svojom: amplitudom, učestanošću i faznim stavom. ¨ Modulacije impulsnog (diskretnog) nosioca – nosilac je obliku periodične povorke (uobičajeno pravougaoih) impulsa Povorka impulsa se karakteriše: amplitudom, trajanjem i periodom ponavljanja (vremenskim položajem) impulsa.

Modulacije sa kontinualnim (sin) nosiocem 1. Analogne modulacije: modulacije nosioca analognim modulišućim signalom: § § § 2. AM – amplitudska modulacija FM – frekvencijska modulacija FM – fazna modulacija Digitalne modulacije nosioca digitalnim modulišućim signalom: § § ASK (Amplitude Shift Keying) – digitalna amplitudska modulacija FSK (Frequency Shift Keying) – digitalna frekvencijska modulacija PSK (Phase Shift Keying)– digitalna fazna modulacija QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Analogne modulacije kontinualnog nosioca Tip Simbol U(t) f(t) φ(t) Zakon Amplitudska modulacija AM Uo + ΔU(t) fo ωot U(t) ~ um(t) Frekvencijska modulacija FM Uo fo+ Δf(t) ωot+ Δ φ(t) f(t) ~ um(t) Fazna modulacija ΦM Uo fo+ Δf(t) ωot+ Δ φ(t) φ (t) ~ um(t) nosilac modulisani signal Trenutna učestanost nosioca

AMPLITUDSKA MODULACIJA n Postoji više tipova AM : ¨ KAM – konvencionalna amplitudska modulacija ¨ DSB (Double-Sideband), odnosno AM-2 BO ¨ SSB (Single-Sideband), odnosno AM-1 BO ¨ VSB (Vestigial-Sideband), odnosno AM-NBO

Spektar KAM signala | Um (j w)| Modulišući signal wm 0 |U(j w)| w KAM=nosilac + AM-2 BO NBO 0 w 0 - wm VBO w 0 + wm w Modulišući signal – signal koji nosi informaciju se nalazi i u gornjem i u donjem bočnom opsegu dovoljno je preneti bilo koji od njih. Nosilac ne nosi informaciju (može se ukinuti), ali se njegovim

Spektar AM-2 BO signala (DSB) Modulišući signal Modulisani signal

SSB n AM-1 BO DSB i KAM imaju spektar širine 2 fm, gde je fm širina spektra modulišućeg signala logično je da se prenosi samo jedan od bočnih opsega (donji ili gornji), jer se poruka sadrži u svakom od njih. I Fn I Modulišući signal nosilac Baseband I Fn I frekvencija Nosilac se može i ukinuti jer ne nosi poruku Modulisani signal – AM-1 BO frekvencija Baseband

AM –NBO amplitudska modulacija sa nesimetričnim bočnim opsezima I Fn I Modulišući signal nosilac frekvencija Baseband I Fn I Modulisani signal – AM-NBO frekvencija Baseband

Klasifikacija ugaonih modulacija n na osnovu funkcionalne zavisnosti trenutne devijacije faze nosioca od modulišućeg signala, UM se mogu podeliti na: faznu i ¨ frekvencijsku ¨ ¨ Ako je trenutna devijacija faze nosioca direktno srazmerna modulišućem signalu tada se posmatrana UM naziva fazna modulacija. ¨ Ukoliko je izvod trenutne devijacije faze (kružna učestanost) nosioca direktno srazmeran(na) modulišućem signalu tada se posmatrana UM naziva frekvencijska modulacija.

FREKVENCIJSKA MODULACIJA (FM) n Promena frekvencije nosioca ¨ n proporcionalna trenutnoj amplitudi modulišućeg signala amplituda nosioca ostaje sve vreme nepromenjena U 0 - U 0 Um - Um

Primer: modulacija prostoperiodičnim (sin) signalom Prostoperiodični (sin) modulišući signal I Fn. I nosilac Modulišući signal f 0 fm I Fn. I frekvencija FM modulisani signal nosilac fm frekvencija Spektar FM signala sadrži beskonačno komponenata na učestanostima

Digitalne modulacije kontinualnog nosioca Tri osnovna tipa digitalnih modulacija: q Digitalna amplitudska modulacija (ASK, amplitude shift keying) q Digitalna frekvencijska modulacija (FSK, frequency shift keying) Različitim kombinacijama ova 3 postupka, može se dobiti veliki broj postupaka digitalnih modulacija (danas je raspoloživo preko 60 postupaka modulacija)

ASK – amplitude shift keying modulacija Najjednostavniji tip digitalnih modulacija je AM on-off keying modulacija (OOK) ili binarna ASK. napon n 5 V 1 0 1 1 0 V 0 1 vreme binarni signal OOK signal Nosilac f 0

FSK Frequency shift keying n Najstariji tip modulacije koji se primenjivao za modemski prenos u tf mreži. n Svaki bit (modulišućeg signala) reprezentuje se jednom od dve frekvencije: ¨ Binarnoj 0 odgovara frekvencija f 1 ¨ Binarnoj 1 odgovara frekvencija f 2 napon Binarni signal (modulišući) 5 V 1 0 V 1 0 1 vreme FSK signal

PSK Phase shift keying n promena faze nosioca - u slučaju binarne PSK (BPSK), faza nosioca može biti 0 ili 180. ¨ “ 1” faza nosioca ostaje nepromenjena. ¨ “ 0” faza nosioca se menja za 180.

Primene digitalnih modulacija 1. Modemi u personalnim računarima 2. Digitalne pretplatničke linije (x. DSL Digital Subscriber Lines ) 3. Digitalni mikrotalasni linkovi 4. Satelitski komunikacioni sistemi 5. Celularni sistemi. . .

Vrste impulsnih modulacija n Impulsna amplitudska modulacija (IAM) (PAM, pulse amplitude modulation) n Impulsna položajna modulacija (IPM) (PPM, pulse position modulation) n Impulsna modulacija po trajanju (ITM) ili impulsna širinska modulacija (PDM, pulse duration modulation PWM, pulse width modulation )

Impulsne modulacije se zasnivaju na diskretizaciji signala po vremenu.

IAM – impulsna amplitudska modulacija Volti vreme Diskretizacija signala po vremeu = PAM Volti Amplituda impulsa proporcionalna vrednosti odbirka signala vreme

ITM Impulsna modulacija po trajanju ili impulsna širinska modulacija Volti PAM vreme PDM / PWM Fiksna amplituda impulsa vreme max (najveća pozitivna amplituda) min (najveća negativna amplituda

IPM Impulsna položajna modulacija PAM Volti vreme PPM Fiksno trajanje i amplituda impulsa vreme max (najveća pozitivna amplituda) min (najveća negativna amplituda

Impulsna kodna modulacija – PCM (IKM) n Postupak digitalizacije signala sastoji se od 3 koraka: ¨ Odabiranje (diskretizacija) signala po vremenu (IAM) ¨ Kvantizacija (diskretizacija po amplitudi) ¨ Kodovanje kvantiziranih odbiraka (uobičajeno binarnim kodom) 29

DISKRETIZACIJA I KVANTIZACIJA SIGNALA PO VREMENU PO AMPLITUDI (kvantizacija) Stvarne vrednosti odbiraka kvantizirane vrednosti odbiraka Kvantizacioni nivoi Greška usled kvantizacije

Kodovanje (1) n n n Svakom kvantizacionom nivou q se dodeli niz impulsa prema nekom usvojenom pravilu koje se naziva kod Iz broja kvantizacionih nivoa potrebnog da se signal prenese uz zahtevani kvalitet q=2 n, određuje se potreban broj bita n za kodovanje binarnim kodom (n = log 2 q , Tb=T 0/n , /n Vb=1/Tb = f 0 n - binarni protok) Broj N u brojnom sistemu čija je osnova R može se predstaviti u obliku U binarnom brojnom sistemu (R = 2) koeficijenti ai mogu da uzmu samo jednu od dve moguće vrednosti: 0 ili 1 31

MULTIPLEKSNI PRENOS

Vrste multipleksiranja Frekvencijski multipleks (FDM, frequency division multiplexing) n Vremenski multipleks (TDM, time division multiplexing n Kodni multipleks (CDM, code division multiplexing) n Multipleks po talasnim dužinama WDM(wavelength division multiplexing) n

n FDM – Frequency Division Multiplexing ¨ SSB – Single Side Band modulacija (AM sa jednim bočnim opsegom) ¨ Svaki od više kanala moduliše nosioce na različitim frekvencijama koje su međusobno pomerene za širinu kanala, tako da nema preklapanja njihovih spektara. Na prijemu se svaki kanal izdvaja odgovarajućim filtrom i vodi na demodulator.

Frekvencijski multipleks - telefonija Vremenski domen Frekvencijski domen

Vremenski multipleks (TDM – time division multiplexing) TDM je tehnika vremenskog multipleksiranja koja se koristi za prenos više nezavisnih signala istim frekvencijama (istim komunikacionim kanalom) u različitim vremenskim slotovima (raspodelom vremena na slotove i dodelom po jednog slota za svaki prenošeni signal). vreme 0 Ts 2 Ts Vremenski odbirci iz 1. kanala vreme Ts Ts Vremenski odbirci iz 2. kanala TDM signal obrazovan od 2 kanala 4 4 4 1 Blok šema TDM sistema 2 1 3 2 3 Time TDM signal obrazovan od 4 kanala

Kodno multipleksiranje - CDM n n Napredna tehnika multipleksiranja koja omogućava svim aktivnim korisnicima da emituju signale na istim frekvencijama u isto vreme. Koristi se posebno u mobilnim komunikacijama. Prednosti: veliki kapaciteti prenosu i skalabilnost, a osnovni nedostatak kompleksnost sistema. Zasniva se na tehnikama proširenog spektra (SS-spread spectrum): ¨ Sa frekvencijskim skakanjem (FHSS – frequency hopping spread spectrum) ¨ Sa direktnom sekvencom (DSSS - Direct Sequence Spread Tehnike sa proširenim spektrom Spectrum) baziraju se na višestrukom proširenju opsega učestanosti u kojem se vrši prenos signala. Proširenje spektra ima nekoliko svojih prednosti. Ipak glavna prednost ovih tehnika predstavlja otpornost na šum i uskopojasne