Orbis pictus 21. století

1. Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

2. Orbis pictus 21. století Modulace pro přenos digitálního TV vysílání Přednáška č.1 Obor: ElektriářRočník:3.Vypracoval:Ing. Ladislav Polák, doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. OB21-OP-EL-ELZ-KRAT-U-3-007 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

3. OBSAH • Co je to modulace ? • Základy digitální modulace • 2-PSK (Phase Shift Keying) • QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) • QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

4. Co je to modulace ? Modulace je nelineární proces, kterým se mění charakter vhodného nosného signálu pomocí modulujícího signálu. Nejběžnějšími příklady zařízení spotřební elektroniky využívajících modulaci jsou například rozhlasový a televizní přijímač, mobilní telefon, různé typy modemů, satelitní přijímače atd. Opakem modulace je demodulace. Typy modulací se dají rozdělit do dvou velkých skupin: analogová a digitální. Základní pojmy • modulační signál – signál, který chceme modulovat na nosný signál • nosný signál – signál, který modelujeme modulačním signálem • modulovaný signál – výsledný signál při procesu modulace

5. Základy digitální modulace Pomocí binárního modulačního signálu lze modulovat amplitudu, kmitočet a fázi nosné vlny. U dvojstavových modulací se modulovaný parametr této vlny mění pouze mezi dvěma diskrétními stavy, a to binární 0 a 1. Tyto diskrétní stavy nosné vlny se označují jako signálové prvky nebo symboly. Proto se podle okamžité hodnoty digitálního modulačního signálu mění parametry nosné vlny skokově. Pro uvažované digitální modulace se používá termín klíčování. Existují 3 základní typy digitálních modulací: • modulace ASK - modulace s klíčováním amplitudy (klíčování amplitudovým posuvem), • modulace FSK – modulace s klíčováním kmitočtu (klíčování kmitočtovým posuvem), • modulace PSK – modulace s klíčováním fáze (klíčování fázovým posuvem).

6. Časové průběhy modulovaných signálů

7. 2-PSK (Phase Shift Keying) U modulací PSK, tj. u modulací s klíčováním fázovým posuvem, datový binární signál ovlivňuje fázi nosné vlny, přičemž její amplituda zůstává konstantní. U nejjednodušší dvojstavové modulace BPSK (2PSK) pravoúhlými polárními modulačními impulzy o době trvání bitové periody nabývá fáze dva diskrétní stavy, a to 0° a 180° . Jedná se tedy o digitální signál, jehož napěťová úroveň se mění pouze mezi dvěma stavy: 0 a A. Při změně hodnoty z 0 na A a naopak tedy dochází ke skokové změně fáze nosné vlny o 180°. Aby k tomu došlo, je nutné přivést na vstup signál v bipolárním tvaru, kde hodnota 0 představuje amplitudu –A nosné vlny a hodnota A pak přísluší amplitudě +A nosné vlny. Pokud se tedy signál nosné vlny vynásobí takovýmto signálem, získá se fázově modulovaný signál. Konstelační diagram Modulátor BPSK

8. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 1/2 Modulace QPSK náleží mezi nejdůležitější kategorie vícestavových modulací PSK, neboť v řade aplikací představuje optimální kompromis mezi dobrou spektrální a výkonovou účinností. Tohoto je dosaženo tím, že vstupní bitová posloupnost se rozdělí v multiplexeru na dvě složky I a Q. Jeden a jeden bit I a Q složky společně vytvoří jeden symbol tj. dibit. Doba trvání jednoho bitu je dvojnásobná, což bude mít za následek poloviční symbolovou rychlost. Výsledné bitové toky, každý s poloviční přenosovou rychlostí, jsou vedeny přes dolní propusti na součinové modulátory DSBSC, které se chovají jako násobičky. Nosné vlny obou modulátorů mají stejný kmitočet, jsou však vzájemně fázově posunuty o 90°. Oba fázově modulované signály jsou pak sečteny v součtovém členu, za nímž následuje pásmová propust, na jejímž výstupu je vytvořený QPSK signál.

9. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 2/2 QPSK signál nabývá čtyř různých stavů, což vyplývá z konstelačního diagramu. Současným výskytem obou dibitů jsou to 4 kombinace: stav (11) poskytuje fázový úhel 45°, stav (10) odpovídá úhlu 135°, podobně se vytváří i poloha 225° hodnotami (00)a 315° při stavu (01). Při demodulaci je opět nutné nejprve obnovit nosnou frekvenci. Zapojení demodulátoru pak představuje inverzní postup vůči modulátoru.

10. QAM (Quadrature Amplitude Modulation ) 1/2 Modulace QAM je vlastně kombinací fázové klíčování (PSK) a víceúrovňového amplitudového klíčování (ASK). Právě proto se při modulaci modulačním signálem ovlivňuje nejen amplituda, ale i fázové nosné vlny. Používají se především ve variantách s více stavy, tedy v aplikacích, kde se požaduje velká spektrální účinnost. Jejich výhodou je také vyšší přenosová rychlost, nevýhodou větší bitová chybovost při reálném přenosu, což vyžaduje větší poměr signálu k šumu. U M-stavových modulací QAM se sdružují dva nebo více modulačních bitů don-bitových kódových skupin, tj. symbolů. Pomocí počtu stavů M je pak možné určit počet bitů přenesených během jednoho symbolu. Například když je použitá modulace 16-QAM, tak zde je M=16, tedy n=4.

11. QAM (Quadrature Amplitude Modulation ) 2/2 Vstupní datový tok je nyní nutné pomocí mapovacího blokurozdělit do čtyř cest a na základě konstelačního diagramu je zde vytvořena dvojice symbolů I složky a Q složky. Výsledná amplituda obou složek se pak mění mezi těmito stavy: Ak = 2k-1-(M)1/2, kde k = 1, 2 až (M)1/2. Pro M=16 jsou to úrovně: -3, -1, 1 a 3. Obě složky jsou nyní přivedeny do kvadraturního modulátoru, jako u QPSK. Obdobným způsobem je možné vytvořit i vícestavové modulace, např.: 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM, které se nejvíce používají v systému DVB.

13. Použitá literatura • Vít, V. Televizní technika – přenosové barevné soustavy. BEN – technická literatura, Praha, 1997. • Fischer, W. Digital Video and Audio Broadcasting Technology. A practical Engineering Guide. Springer, 2009. • Reimers, U. DVB. The Family of International Standards for Digital Video Broadcasting.Springer, 2005. • www.tvfreak.cz – informační server ze světa digitální video a audio techniky • www. wikipedia.org – internetová encyklopedie

14. Děkujeme Vám za pozornost Ladislav Polák, Tomáš Kratochvíl Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky