Kommunikációs rendszerek

1. Kommunikációs rendszerek

2. 1. A kommunikációban használt fontosabb fogalmak

3. Sávszélesség • A legtöbb elektromos áramkör frekvencia-függően viselkedik. • Ha az áramkör bemenetére adott jel frek-venciáját változtatjuk, miközben nagysága változatlan marad, a kimenő jel gyorsan csökken, ha a bemenő jel egy bizonyos frekvencia alá, illetve valamely frekvencia fölé kerül.

4. Sávszélesség BW=f2-f1

5. Sávszélesség • A sávszélességet az f2-f1 különbséggel definiáljuk, ahol f1 az alsó és f2 az ún. felső határfrekvancia. Ezekben a pontokban a kimenő jel a maximális érték felére esik vissza. • Meghatározza az információtovábbítás sebességét

6. Csillapítás • 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

7. A decibel-skála • A kommunikációs rendszerekben az erősítést és a csillapítást decibelben adják meg. • A decibel (dB) definíció szerint a két teljesítmény hányadosának a logaritmusa (*10). • (Az emberi érzékszerveknek megfelelő skála – antropomorf, pl. kétszer akkora hangszóró teljesítmény csak 3dB növekedést okoz, amit épp hogy csak érzékelünk.) • dB=10log10P1/P2 ; Pl: P1/P2 = 106 60 dB

8. Zaj • Minden olyan jelet, ami nem része az információ-nak a kommunikációs összeköttetésben zajnak tekintünk. • A zaj forrása lehet: • 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 rend-szer információátvivő képességét.

9. Jel/zaj viszony • 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

10. Moduláció • A folyamatos szinuszhullám nem hordoz információt. • Hogy közölhessünk vele valamit, egy infor-mációt hordozó hullámot kell rá ültetnünk. • Ezt a folyamatot nevezzük modulációnak, magát a szinuszhulámot pedig vivőnek.

11. Miért van szükség a vivőre? • Hogy az elektromágneses hullámokat megfelelő hatásfokkal sugározhassuk, az adó antenna mérete a hullámhossz fele, vagy negyede kell hogy legyen: pl. 3000Hz-es hangfrekvencia esetén 25 km. • Az egymáshoz közel levő rádióadóknak más-más vivőfrekvenciát kell használniuk.

12. Elektromágneses spektrum - szolgáltatások

13. 2. Analóg modulációs rendszerek

14. Amplitúdómoduláció (AM) • A vivő amplitúdóját változtatjuk az átvinni kívánt információnak megfelelően (1906)

15. AM

16. 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)

17. AM – DSB • A jel teljesítménye megoszlik a vivőfrekvenciás összetevő és a két oldalsáv között (Double Sideband); középhullámú rádió: 4,5kHz • Csak a teljesítmény egynegyede hasznos, hordoz infor-mációt. • Hatékonyság növelése • DSSC (suppressed carrier) • SSB (single sideband); pl. amatőr rádiózás

18. Frekvenciamoduláció • Az információt a vivő pillanatnyi frekven-ciája hordozza (1935)

19. FM

20. FM Az FM jel spektrumában a vivőfrekvencia mellett végtelen számú frekvenciakomponens jelenik meg. A magasabb rendű komponensek nyugodtan elhanyagol-hatók, mivel amplitúdójuk már nagyon kicsi.

21. FM • Az FM adók 100MHz környékén működnek • „high-fidelity”: 15 kHz felső moduláló frekvencia • Nagyobb sávszélességű (0,2MHz) • Kevésbé érzékeny a zajokra • Az adó hatásfoka jobb

22. 3. Digitális és hibrid modulációs rendszerek

23. Shift keying • Két (vagy több) érték közötti kapcsolga-tás: „váltó billentyűzés” • ASK (amplitúdó) • FSK (frekvencia) • PSK (fázis)

24. Amplitude Shift Keying (ASK) • A legegyszerűbb formája az amplitúdó ki-be kapcsolgatása • Morze szikra-távíró • Ma már szinte sehol sem alkalmazzák

25. Frequency Shift Keying (FSK) • 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

26. Phase Shift Keying (PSK) • Az információt a modulált vivő pillanatnyi fázisa hordozza. • Koherens PSK: demoduláció a vevőben előállított vivővel való összehasonlítás alapján történik.

27. DPSK • Differenciális PSK: a fázisváltozás hordoz-za az információt

28. PSK változatok • 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 repre-zentál • Több mint 8 fázis esetén már túl nagy lenne a hibaarány

29. PSK alkalmazások • Vezeték nélküli LAN: számos különböző PSK-t használ az adatsebességtől függően • Vezeték nélküli PAN • Bluetooth: szintén többfélét használ, pl. 8-DPSK • ZigBee (egyszerűbb, olcsóbb, mint a Bluetooth): pl. BPSK

30. Pulzus modulációk • Digitális – analóg hibrid technika • Szabályos időközönként mintát veszünk a jelből

31. Pulse Amplitude Modulation (PAM) • 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

32. PAM

33. Pulse Code Modulation (PCM) • A PAM minta amplitúdójához egy számértéket rendelünk • Analóg jel digitális reprezentációja • Mintavételezés • Kvantálás • Felhasználás • Digitális telefonrendszerek • Digitális hang • Digitális videó

34. Mintavételezés- kvantálás

35. PCM – digitalizálás • Telefon: 8kHz; 8 bit  64 kbit/s (Nyquist kritérium) • DPCM (differenciális): • 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)

36. PCM – a bitfolyam kódolása (alapsávi átvitelnél) • Non-return-to-zero (NRZ) • RS-232 • Számítógépen belüli jelek • Return-to-zero (RZ) (szinkronizálás) • Manchester kódolás (pl. Ethernet)

37. Egyéb pulzus modulációk • PWM (szélesség): a pulzusok szélessége felel meg az analóg jel amplitúdójának; felhasználás pl. teljesítmény-, feszültség-szabályzás • 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

38. PCM vs analóg moduláció • 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, meg-bízhatóbb • Forrás kódolás: titkosítás, hibafelismerés, hiba-javítás lehetséges (www.mindentudas.hu/gyorfi) • Bonyolultabb

39. Multiplex rendszerek • Több üzenet egyidejű átvitele egy adott csatornán • Frekvenciaosztásos (FDM – Frequency Division Multiplex) • Időosztásos (TDM – Time Division Multiplex)

40. Frekvencia-multiplexelés Különböző frekvenciájú vivők (rádió, TV) Telefon: 1910, a mai digitális rendszerekben TDM

41. Idő-multiplexelés Pl: GSM A 2. Világháború során fejlesztették ki Churchill és Roosevelt közötti rádiókapcsolat titkosítására.

42. 4. Telekommunikáció

43. A kommunikáció fejlődése

44. Rádió

45. Rádió története • Nicola Tesla 1893; Guglielmo Marconi, Alexander Popov 1895; • AM, 1920 • FM, 1933 Signal Hill, itt fogta Marconi az első transz-atlanti üzenetet 1901-ben

46. AM rádió • Hosszú, közép (530–1620 kHz) és rövidhullám • Nappal a föld felszínéhez közel terjedve néhány 100km-re jutnak el • Éjjel az ionoszféra visszaveri a hullámokat, így sokkal messzebbről is hallhatók. • Érzékeny a légköri zavarokra

47. FM rádió • VHF (URH): 100 MHz körül • Sztereo • 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: • M, 50Hz-15kHz • S ráültetve egy 38kHz-es segédvivőre (AM) • egy 19kHz-es referenciajel a demodulálás számára

48. Televízió • PAL: 625-sor/50Hz • 50 félkép másodpercenként (interlace) • Kép: negatív amplitúdó moduláció • Hang: FM

49. Telefon • Emberi hang átvitele: 300Hz - 3400Hz • Analóg rendszerben FDM • Modem (modulátor/demodulátor) • 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)

50. Digitális előfizetői vonal - DSL • Digital Subscriber Line (1988) • Közönséges telefonvonalon lehetővé teszi a digitális kommunikációt a hangszolgáltatás zavarása nélkül (3400Hz felett) • Üzleti megfontolásból (kábel TV konkurencia) csak a 90-es évek végétől terjedt el • ADSL2+: 20 Mbit/s, 2km (Asymmetric)