2. Perusteoriaa signaaleista

Transkriptio

1 2. Perusteoriaa signaaleista 14 Sähköisen signaalin esitys aikatasossa: JPR Signaalin sisältämät taajuudet: 15 Vain puhdas sinisignaali sisältää yhden taajuuden Sakara-aallon muodostuminen Sakara-aalto muodostuu lukemattomasta määrästä harmonisia siniaaltoja 1 sin(2πft) 1 1 sin(2π 3 ft) sin(2πft ) + sin(2π 3 ft) 1 3 k = 1 k = pariton 1 sin(2πkft) k JPR

2 Aikaesitys vs. spektri 16 Ihmisen ymmärtämä muoto: jännite vs. aika -esitys Järjestelmien näkemä muoto: teho vs. taajuus -esitys = tehotiheysspektri U sinisignaali P U kanttiaalto t P f t f JPR Spektrianalyysi 17 JPR

3 Spektrianalyysi 18 Miksi mitata taajuustasossa? JPR Spektrianalyysaattori 19 Oskilloskooppi mittaa signaalia aika-alueessa. Vastaava taajuusaluetyökalu on spektrianalysaattori. Spektrianalysaattori on mittalaite, joka Mittaa signaalin tehollisarvoa/amplitudia taajuuden funktiona Esittää graafisesti signaalin tehollisarvoan/amplitudin taajuuden funktiona JPR

4 Logaritminen asteikko ja db (desibel) 20 Spektrianalyysissä i dynaaminen alue (signaalitasojen erot) on tyypillisesti suuri logaritmiasteikko Logaritmisen asteikon käytön keksi Alexander Graham Bell JPR Logaritminen asteikko ja db (desibel) 21 db on logaritmoitu suhdeluku joka lähtökohtaisesti kuvaa kahden tehon suhdetta: P 1 [ ] = 10lg P2 P db Sillä voidaan kuvata myös jännitteiden suhdetta: U U U [ ] = = 1 1 = 10lg R 10lg 20lg 2 2 U 2 U 2 U 2 P db 2 1 R 2 JPR

5 Logaritminen asteikko ja db (desibel) 22 On määritelty tiettyjä suhdelukuja, esim tehon ja jännitteen ilmoittamiseen: dbm: dbv: P1 10lg 1mW U1 20lg 1V JPR Kaistanleveys: 23 Kaistanleveydellä tarkoitetaan jonkin siirrettävän signaalin sisältämän taajuusalueen leveyttä JPR

6 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House JPR Vahvistus 25 P G[ db ] = 10lg out Pin P in G P out Vahvistus ilmoitetaan yleensä desibeleinä (kyseessä on vaimennus, jos luku on negatiivinen) Pitkällä matkalla signaali vaimenee eli amplitudi pienenee Eri taajuudet t vaimenevat eri tavalla riippuen käytetystä t tä siirtotiestä ti tä Koska kaikki taajuuskomponentit eivät käyttäydy samalla tavalla, syntyy vaimennusvääristymää eli signaali muuttaa muotoaan JPR

7 Kohina 26 kohina on hyötysignaaliin summautunutta epätoivottua, hyödytöntä signaalia signaali-kohinasuhde (S/N) kertoo yhteyden laadusta S/N ilmaistaan yleensä tehojen suhteena puhdas suhdeluku epäkäytännöllinen S/N ilmaistaan desibeleinä P S [ ] = 10 lg PN S/N db missä P S = signaalin teho ja P N = kohinan teho JPR Analoginen signaali vs. digitaalinen signaali 27 Analoginen signaali esim. ihmisen puhe signaalilla ääretön määrä mahdollisia tiloja taajuuskaista rajallinen häiriöherkkä Digitaalinen signaali esim. tietokoneen data signaalilla minimissään kaksi mahdollista tilaa 0 ja 1 (äärellinen määrä tiloja) kanttiaaltoa, joka sisältää suuria taajuuskomponentteja JPR

8 Vaimentuneen signaalin kunnostaminen 28 Analoginen signaali voidaan vahvistaa Myös signaaliin summautunut kohina vahvistuu Peräkkäiset vahvistamiset heikentävät signaalin laatua koko ajan Digitaalinen signaali voidaan toistaa eli regeneroida Signaaliin summautunut kohina saadaan eliminoitua pois Peräkkäiset toistamiset eivät heikennä signaalin laatua JPR

9 Siirtojärjestelmän osat ovat lähetin, lähetyskanava, vastaanotin. Lähetin (transmitter) muuntaa syötesignaalin lähetyskanavalle. Useimmiten mukana enkoodaus ja modulointi. Multipleksointi (kanavointi) mahdollistaa saman taajuusalueen käytön useaan lähetykseen. Lähetyskanava on sähköinen siirtotie. Kanavassa signaali vaimenee tai osa siitä katoaa. Vastaanotin muuntaa siirretyn signaalin viestiksi. Tarvittaessa mukana vahvistus, demodulointi ja dekoodaus sekä suodatus. Lähetyskanavan tuottamia virheitä ovat vaimeneminen (signaalin voimakkuus pienenee), vääristyminen (järjestelmä vääristää signaalia, kanavan vaste on väärä), kohina (satunnainen, ennustamaton häiriö) sekä interferenssi (ulkopuolisten lähteiden tuottamat häiriöt signaaliin). Digitaalisessa kanavassa myös symbolien välillä voi olla interferenssiä. Järjestelmissä käytettävät siirtotavat voidaan jakaa: simplex: yhdensuuntainen half-duplex: kahdensuuntainen eriaikaisesti full-duplex: kahdensuuntainen samanaikaisesti 29

10 Esimerkiksi puhe on analogista signaalia, mutta siirtojärjestelmät nykyisin digitaalisia, jolloin tarvitaan AD- ja DA-muunnoksia AD-muunnos Analogisesta signaalista otetaan tasaisin aikavälein näytteitä, jotka muutetaan digitaalisanoiksi => näytteenottotaajuus. Näytteiden arvot muutetaan binäärisiksi (kvantisoidaan eli pyöristetään lähimpään käytettävissä olevaan arvoon) ja siirretään sopivalla tavalla koodattuina säännöllisin välein digitaalisen siirtotien läpi. DA-muunnos Siirtokanavan toisessa päässä näytteiden numeeristen arvojen avulla muodostetaan näytteet uudelleen. Peräkkäisistä näytteistä tehdään mahdollisimman tarkoin alkuperäinen analoginen signaali alipäästösuodattamalla. Käytännön järjestelmissä menetelmät on standardoitu yksityiskohtaisesti, jotta yhteydet eri puolilta maailmaa on saatu toimimaan. Perinteisessä puhelinverkossa käytetään PCM- tekniikkaa (pulssikoodimodulaatio) muuttamaan analoginen puhesignaali digitaaliseksi siirtoa varten. 30

11 PCM-perusprosessit: Tarkoituksena on muuttaa analoginen signaali lähetyspäässä digitaaliseksi PCM-signaaliksi siirtoa varten. Käytännön järjestelmissä 30 PCM-koodattua signaalia kanavoidaan yhteen 2 Mbit/s signaaliksi, mikä voidaan siirtää siirtokanavassa vastaanottajalle. Ensimmäiseksi tarvitaan laskostumisenestosuodin rajoittamaan suurinta siirrettävää signaalitaajuutta. Televerkkojen PCM-järjestelmissä siirtokaista on Hz. Tulosignaalista otetaan 8 khz taajuudella näytteitä (laskostumista ei pääse tapahtumaan). Tällöin näytteiden väli on 125 ms. Näytteenoton t avulla saadaan PAM-pulssijono. Otetut näytteet kvantisoidaan epälineaarisesti käyttämällä 256 eri tasoa. Jokainen näyte koodataan 8 bitillä. Näytteiden välillä kanavointilaitteessa voidaan siirtää muiden kanavien näytteitä (aikajakoinen kanavointi) Saatu binäärisanajono johtokoodataan, jotta signaali saadaan sovitetuksi siirtotielle mahdollisimman hyvin. Siirtotiellä digitaalinen johtokoodattu PCM-signaali regeneroidaan sopivin välein, jotta signaali saadaan pidetyksi mahdollisimman paljon alkuperäisen kaltaisena. 31

12 32

13 Nyqvistin kriteeri: Näytteenottotaajuuden on oltava vähintään kaksinkertainen kuvattavan signaalin maksimitaajuuteen verrattuna. Esimerkiksi perinteisessä puhelinverkossa siirrettävä puhesignaalin kaistanleveys on Hz, jolloin näytteenottotaajuuden pitää olla vähintään 6800 Hz. Käytännön järjestelmissä on näytteenottotaajuudeksi sovittu 8 khz. 33

14 Nyqvistin laki antaa toivon suurista nopeuksista: kuta suuremmaksi signaalin esitystasojen määrää nostetaan, sitä suuremmaksi saadaan siirtonopeus. Signaalin tasomuutosten lukumäärää sekunnissa sanotaan baudiksi (baud). Se ei tarkoita samaa, kuin siirtotiellä läpikulkevan bittivuon määrä (bps) muuta kuin eräässä harvinaisessa poikkeustapauksessa. Baudista käytetään usein myös nimitystä modulointinopeus tai symbolinopeus ja varsinaisesta kanavakapasiteetista bps nimitystä siirtonopeus. Teoreettisesti suurimman symbolinopeuden r s ja kaistanleveyden välillä pätee r s 2B Todellinen siirtonopeus on aina paljon Nyqvistin lauseen antamaa arvoa pienempi. Se johtuu siitä, ettei ideaalista puhdasta siirtotietä ole, vaan siirtolinjoilla on aina kohinaa, säröä ja vaimennusta, joka sotkee signaalin komponentteja. Yhteisesti tavallista kohinaa, säröä ja vaimennusta nimitetään kohinaksi ja kohinan suhteellista suuruutta mitataan signaalikohinasuhteilla. Kohisevan linjan kapasiteettia säätelee Shannon-Hartley laki. 34

15 Esim. mikä on puhelinyhteyden teoreettinen siirtokapasiteetti signaalikohinasuhteella 37 db? Kanavan kapasiteetille ei ole teoreettista ylärajaa, vaan kaistaleveyden tai signaalikohinasuhteen kasvaessa kasvaa myös kapasiteetti rajattomasti. Käytännössä kuitenkin kohina rajoittaa kanavan siirtonopeutta tt Puhelinlinjoilla kohina vaihtelee voimakkaasti riippuen ihan siitä, millaisen linjan sattuu saamaan. Hyvän puhelinlinjan kohinataso on noin 30dB, jolloin S/N-suhteeksi saadaan: 30 db = 10 log10 (S/N) => log10 (S/N) = 3 - eli kantaluku 10 on ollut korotettu potenssiin 3 => S/N = 1000 Siten, jos tällä linjalla ei voi kulkea enempää kuin C < B log2 (1 + S/N) = 3100 Hz log2 ( ) = 3100 x 9,96 = bps Tulos kertoo, että olkoonpa Nyqvistin lain V millainen tahansa, tämä on yläraja-arvo tällä linjalla. Matalilla V-arvoilla Nyqvistin laki on yleensä rajoittava tekijä, mutta korkeilla V-arvoilla ja matalilla S/N-suhteilla Shannon-Hartley -laki rajoittaa. Näitä lakeja on aina tarkasteltava rinnakkain: liikenne ei voi ylittää kummankaan lain antamaa raja-arvoa. Siten fysikaalisista suureista laskettaessa siirtonopeuden yläraja-arvo on laskettava miniminä Nyqvistin lain ja Shannonin lain muodostamasta joukosta: C = min { 2 B log 2 V, B log 2 ( 1 + S /N) } 35

16 Modulaatiomenetelmällä tarkoitetaan yleensä menetelmää, jolla suurtaajuisen signaalin eli kantoaallon jotakin ominaisuutta (amplitudi, taajuus tai vaihe) vaihdellaan pientaajuisen (=kantataajuisen) signaalin eli viestisignaalin tahdissa. Tällöin viestisignaalin sisältämä informaatio siirtyy kantoaaltotaajuudelle. Kantoaallon ympäriltä tarvitaan alkuperäisen signaalin verran tai enemmän kaistaa riippuen modulointimenetelmästä ja modulaation voimakkuudesta (ts. kuinka voimakkaasti viestisignaali muuttaa kantoaaltoa). Modulointi tehdään lähettimessä tehokkaan ja luotettavan tiedonsiirron aikaansaamiseksi. Vastaanottimessa moduloitu signaali muutetaan takaisin alkuperäiseen muotoon demodulaattorilla eli ilmaisimella (kantoaallon poisto palauttaa signaalin). Tavoitteena on käyttää kaistaa säästäviä modulointimenetelmiä, jolloin kanavakohtaiset kaistanleveydet saadaan mahdollisimman kapeiksi. Modulaatiota käytetään useimmissa tietoliikennejärjestelmissä; mm. radiolinkeissä, matkapuhelinverkoissa, kiinteiden televerkkojen siirtoyhteyksillä (kuidut, kaapelit ja radiotiet), modeemeissa jne. 36

17 Lähettimen tehtävä on kytkeä lähetettävä viesti kanavaan. Helpoimmin tämä tapahtuu ns. kantataajuudella. t Tällöin viesti kulkee kanavassa omalla taajuudellaan ja lähettimen tehtäviksi i jäävät vahvistus ja suodatus. Tällä tavoin tuhlataan kanavan kaistanleveyttä. Useimpien viestisignaalien (kuten puheen) spektri ulottuu pienille taajuuksille lähelle DC:tä. Kantataajuisessa siirrossa voi kanavassa tällöin kulkea vain yksi viesti kerrallaan taajuusalueen yläpään jäädessä käyttämättä (muutoin useat lähetetyt viestit sotkisivat toisiaan). Nämä ongelmat voidaan välttää sopivan modulaation avulla. Tällöin siirretään kantataajuinen informaatio jollekin toiselle taajuudelle ennen kytkemistä kanavaan. Nyt voidaan siirtää useita viestejä yhtä aikaa ja kanavan kaistanleveys tulee paremmin hyödynnettyä. Toinen tärkeä peruste modulaation käyttämiselle on, että useinkaan kantataajuinen viesti ei parhaalla tavalla (jos ollenkaan) sovi käytettävässä kanavassa siirrettäväksi. Esim. radiojärjestelmissä kanavalle on varattu tietyt taajuudet tietyiltä taajuusalueilta (esim. FMularadio MHz). Tällöin modulaation avulla muutetaan paitsi viestin taajuutta myös muokataan viesti kanavan kannalta sopivaan muotoon. Toinen radiotekniikassa tärkeä näkökohta on, että kantataajuinen siirto vaatisi valtavan suuria antenneja, jotka ovat hyötysuhteeltaan huonoja. 37

18 tehokas tiedonsiirto sähkömagneettisena aaltona esim. antenni vähintään 1/10 signaalin aallonpituudesta 100 Hz => 300 km antenni 100 MHz => 1 m antenni laitteistorajoitusten voittaminen absoluuttinen kaistanleveys/keskitaajuus n % korkea tietosisältö => korkea modulointitaajuus tuloksena uusia teknologioita tiedonsiirrossa, esim. valokaapeli interferenssin ja kohinan välttäminen signaalin tehon nosto vähentää häiriöitä kapasiteetti C mahdollistuu B:n ja S/N:n painotuksella taajuuskaistan valinta samalla alueella voidaan lähettää useita signaaleita esim. radio- ja TV-lähetysten kanavavalinta kantoaallon perusteella multipleksointi usean signaalin yhdistäminen välitystä varten samalle siirtotielle FDM: eri kantoaallot käytössä eri signaaleille TDM: signaalien pulssimodulointi l i erillisiin ii aikajaksoihin k ihi siis samaa taajuuskaistaa voi käyttää useampi samanaikainen käyttäjä 38

19 Menetelmät voidaan jakaa analogisiin ja digitaalisiin menetelmiin. Analogisia modulaatiomenetelmiä käytetään analogisen viestisignaalin siirtoon esim. radiokanavassa. Tärkeimpiä menetelmiä ovat: amplitudimodulaatio (AM), taajuusmodulaatio (FM) ja vaihemodulaatio (PM). Em. päätyypeillä on lisäksi useita variaatioita. Esimerkiksi AM-modulaation alalajeja ovat ns. tukahdutetun kantoaallon menetelmät DSB: lähetetään vain molemmat sivukaistat (ei kantoaaltoa) SSB: lähetetään vain toinen sivukaista VSB: lähetetään toinen sivukaista ja osa toisesta (sekä kantoaallosta); käytetään esim. analogisten TV-kanavien siirrossa Digitaalisia menetelmiä käytetään digitaalisen viestisignaalin siirrossa. Tarkasti ottaen tämä tarkoittaa sitä, että modulaattorin tulosignaali on digitaalinen. Alkuperäinen informaatio on usein luonteeltaan analogista. Tällöin sille on tehty A/D-muunnos ennen modulaattoria. Kehitys on johtanut t digitaalisten it t modulaatiomenetelmien soveltamiseen uusissa tietoliikennejärjestelmissä. 39

20 ASK PSK FSK (jatkuvavaiheinen) 40

21 Kantoaallon amplitudia muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa (kantoaalto ja moduloiva signaali kerrotaan keskenään). k Moduloidun signaalin taajuus on sama kuin kantoaallolla ja amplitudi vaihtelee moduloivan signaalin amplitudin mukaan. Tällöin viestisignaalin informaatio siirtyy kantoaaltotaajuuden molemmille puolille. Sen kaistaleveystarve B=2*f max. AM on yksinkertaisin modulaatiomenetelmä ja sitä käytetään edelleen AMradiolähetyksissä. AM-modulaation alalajeja ovat ns. tukahdutetun kantoaallon menetelmät DSB: lähetetään vain molemmat sivukaistat (ei kantoaaltoa), käytetään mm. stereoäänen muodostuksessa FM-radiossa SSB: lähetetään vain toinen sivukaista, käytetty aiemmin mm. analogisten siirtojärjestelmien kanavointilaitteissa. VSB: lähetetään toinen sivukaista ja osa toisesta (sekä kantoaallosta); käytetään esim. analogisten TV-kanavien siirrossa 41

22 Kantoaallon taajuutta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio. Deviaatiolla kuvataan modulaation voimakkuutta eli kuinka k paljon kantoaallon taajuutta poikkeutetaan alkuperäisestä taajuudesta. Taajuusmodulaatiota käytetään esim. ULA-lähetyksissä. FM-signaali ei ole kovin herkkä häiriöille (kuten AM), koska kantoaallon amplitudi ei sisällä informaatiota. FM-signaalin spektri on huomattavasti mutkikkaampi kuin AM:n spektri. FM:ssa viestisignaalin spektri ei siirry sellaisenaan kantotaajuuden molemmille puolille, vaan spektriin syntyy teoriassa ääretön määrä sivukaistojen spektripiikkejä, jotka ottavat tehonsa kantoaallosta (jolloin myös kantoaaltoa vastaavan spektripiikin amplitudi vaihtelee). Jos moduloiva signaali on sinisignaali, ovat sivukaistojen spektripiikit modu-loivan taajuuden päässä toisistaan. FM tarvitsee isomman kaistanleveyden kuin AM (esim. 15 khz viestisignaalin kaista vaatii tyypillisesti 200 khz kaistanleveyden siirrossa). 42

23 Kantoaallon vaihetta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio. Yo. kuvassa kantoaallon vaihe kasvaa, kun viestisignaalin amplitudi kasvaa. Kun viestin amplitudi palaa nopeasti nollaan, muuttuu kantoaallon vaihe myös äkillisesti. 43

24 Modulaatiotavan valinnassa on yleensä kyse: käytettävissä ttä ä oleva kaistanleveys vs. kapasiteettitarve ttit tehonkulutus kohinavaikutus kustannukset Digitaalimodulaation käytön etuja ovat: suurempi siirtokapasiteetti yhteensopivuus datapalveluiden kanssa parempi tietoturva parempi siirron laatu nopeampi järjestelmien kehitysaika Viime vuosien aikana digitaaliset modulaatiomenetelmät ovat voimakkaasti tulleet analogisten menetelmien (AM, FM ja PM) tilalle. Esimerkkejä digitaalisista modulaatiomenetelmistä ovat mm. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) FSK (Frequency Shift Keying) MSK (Minimum Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 44

25 Jos viestisignaali on digitaalinen, kyseessä on ASK-modulaatio. Binäärisissä menetelmissä kantoaaltoa moduloidaan joko ykköseksi tai nollaksi (tai, kuten yo. kuvassa kahdeksi eri amplitudiarvoksi ASK:n tapauksessa). Käytössä on myös useita erilaisia useampitasoisia digitaalisia AM-menetelmiä ja sekamenetelmiä, joissa käytetään esim. digitaalisia AM- ja PM-menetelmiä samanaikaisesti. 45

26 Digitaalisessa FM:ssa kullekin digitaaliselle symbolille on varattu oma kantoaaltotaajuutensa esim. binäärisessä i äfsk:ssa tilaa 1 vastaa yksi taajuus ja tilaa 0 toinen Jatkuvavaiheisessa FSK:ssa (CPFSK) taajuudet valittu siten, ettei symbolien rajoilla tapahdu vaihehyppyjä. FSK-menetelmää käytetään esimerkiksi DECT:ssa ja FSK:n muunnosta (GMSK) käytetään GSM:ssä. 46

27 Binäärinen PSK (BPSK) on yksinkertaisin digitaalinen vaihemodulaatiomenetelmä. Tarvitaan kaksi eri kantoaallon vaihetta, jotka ovat 180º vaihe-erossa toisiinsa nähden. 4-tilaisessa QPSK:ssa käytetään 4 eri kantoaallon vaihetta (jokainen vaihe edustaa kahta bittiä). Monitilaisista menetelmistä on lisää seuraavilla sivuilla. QPSK-menetelmää käytetään mm. UMTS:ssa. 47

28 Yksinkertaisissa järjestelmissä vain yhtä kolmesta muuttujasta (amplitudi, taajuus tai vaihe) muutetaan viestisignaalin muutosten tahdissa ja muut pysyvät vakioina. Monimutkaisimmissa järjestelmissä käytetään muuttujalle useampaa kuin kahta tasoa (esim. QPSK eli 4PSK) ja lisäksi voidaan muuttaa useampaa kuin yhtä muuttujaa kerralla. Tällöin päästään suurempiin siirtonopeuksiin ja parempaan kaistanleveystehokkuuteen. Esimerkiksi QPSK:n datanopeutta voidaan edelleen kasvattaa 8PSK:lla, jossa käytetään 8 eri vaihetta. 8PSK on käytössä Edge-teknologiassa (EGPRS). Kasvanut datanopeus merkitsee toisaalta heikompaa kohinansietoa, koska signaalitilat ovat lähempänä toisiaan. Yleensä ei ole järkevää käyttää useampia vaiheita kuin 8PSK. Sen sijaan AM:n ja PM:n yhdistämisellä saadaan parempi suorituskyky. Menetelmää kutsutaan QAM:ksi (quadrature amplitude modulation). QAM-menetelmiä käytetään monissa digitaalisissa järjestelmissä. Esimerkiksi DVB-T (maanpäällinen digi-tv standardi käyttää 64 QAM:a). 48

29 Hajaspektritekniikan perusideana on levittää viestisignaali siirron ajaksi paljon leveämmälle äll taajuusalueelle ll kuin itse viestin kaistanleveys on, jollin myös signaalin teho leviää laajalle kaistalle. Vastaanotossa signaali taas palautetaan alkuperäiseksi. Hajaspektritekniikan kaksi yleisintä toteutusperiaatetta ovat taajuushyppelyperiaate (FH- SS) ja suorasekvenssitekniikka (DS-SS). Kummassakin menetelmässä vaaditaan lähettäjän ja vastaanottajan synkronointia ja sovittua menettelyä vastaanoton purkamiseksi. Suorasekvenssitekniikassa käyttäjän informaatiobitit levitetään laajalle kaistalle kertomalla käyttäjädata näennäissatunnaisella bittikuviolla (Spreading Signal). Radiotiellä oleva häiriö levitetään vastaanotossa koko signaalin kaistalle, jolloin sen vaikutus jää pieneksi. Hajaspektritekniikalla saavutetaan seuraavia etuja: tunteettomuus kapeakaistaiselle häiriölle hankala salakuunnella kanavien välinen ylikuuluminen vähäistä periaatetta voidaan käyttää koodijakoisessa monikäyttötekniikassa (CDMA) tukee kahden pisteen välimatkan mittausta voidaan käyttää hyväksi yhteyksiä parantavia diversiteettitekniikoita (monitie-, taajuus- ja aikadiversiteetti) 49

30 DS-SS: Siirrettävä data käsitellään (=xor-operaatio) levityskoodilla, jolloin saadaan varsinaista modulointia varten nopea signaali. Esimerkiksi UMTS:ssa moduloiva signaali on nopeudeltaan 3,84 Mcps (million chips per second). Edellä bittiä kutsutaan tässä vaiheessa chipiksi. Tämän jälkeen UMTS:ssa varsinainen modulointi tehdään QPSK-menetelmällä. Alkuperäinen kapeakaistainen signaali Lähetettävä laajakaistainen signaali (esim. UMTS:ssa 3,84 Mcps) 50

31 FH-SS: Käytettävissä oleva taajuuskaista jaetaan alitaajuuskaistoihin, joita vaihdellaan lähetyksen edetessä ennalta sovitun järjestyksen mukaisesti. Lähetetyn bittivirran joutuminen "vieraisiin" käsiin on epätodennäköistä, koska vain vastaanottaja tietää taajuuskanavien hyppyjärjestyksen. Tekniikkaa käytetään mm. Bluetoothissa (myös WLAN:ssa aiemmin hitaammilla nopeuksilla). 51

32 Kanavointitekniikat 52 Kanavointitekniikat sisältävät monikäyttötekniikat ja kanavoinnin Kanavointi (Multiplexing) tarkoittaa siirtojärjestelmissä käytettyjä menetelmiä, joilla saadaan suuri joukko yhteyksiä kanavoitua samalle siirtotielle (kaapeli, valokaapeli, radiotie ) Monikäyttö (multiple access) tarkoittaa erilaisia langattomissa järjestelmissä käytettyjä menetelmiä, joilla useat käyttäjät voivat jakaa samanaikaisesti rajallisia radiotaajuusalueita Tavoitteena molemmissa on saavuttaa mahdollisimman suuri kapasiteetti ilman järjestelmän tarjoaman laadun huononemista Digitaalisen tiedonsiirron perusteet / RR

33 Taajuusjakokanavointi Taajuusjakokanavoinnissa signaalit erotetaan taajuuksien perusteella ja aikajakokanavoinnissa vastaavasti ajan perusteella. Taajuusjakoisesta kanavoinnista on myös kehitetty muunnelma eli OFDM. FDM:ssä kanavoitavilla signaaleilla moduloidaan eritaajuisia kantoaaltoja. Signaalit on ennen FDM:ää muodostettu jollakin edellä käsitellyistä kantoaaltomodulaatiomenetelmistä. Moduloidut signaalit summataan ja saatu summasignaali siirretään tiedonsiirtokanavaa pitkin. Vastaanottopäässä signaalit erotetaan kaistanpäästösuotimilla ja alkuperäinen informaatio ilomaistaan alkuperäistä kantoaaltomodulaatiomenetelmää vastaavalla ilmaisimella. FDM-järjestelmissä suurimpana ongelmana on ylikuuluminen alikanavasta toiseen. Tämä voi aiheutua signaalien kaistaa rajoittavien suodattimien epäideaalisuudesta (signaalin spektri ulottuu muiden alikanavien alueelle) tai siirtokanavan epäideaalisuudesta (mm. epälineaarisuus). Tämän vuoksi tarvittava kokonaiskaistanleveys on yleensä suurempi kuin yksittäisten signaalien spektrien leveyksien summa. FDM:n tärkeimpiä sovelluksia ovat kantoaaltojärjestelmät puhelinverkoissa sekä stereoyleisradiojärjestelmä. Puhelinverkossa puheen spektri rajoitetaan välille Hz ja puhekanavat moduloidaan 4 khz:n välein. Suurissa järjestelmissä modulointi suoritetaan moniportaisesti. Uusia tällaisia järjestelmiä ei enää rakenneta. Stereoyleisradiojärjestelmässä vasemman (L) ja oikean (R) kanavan signaaleista muodostetaan summa- (L+R) ja erotussignaalit (L-R), jotka siirretään eri taajuuskanavilla. Näiden kanavien välissä lähetetään vielä vastaanottimen synkronoimiseksi 19 khz:n pilottitaajuus. 53

34 OFDM:ää nimitetään myös diskreetiksi monikantoaaltomodulaatioksi (Discrete Multi-tone Modulation), koska yhden kantoaallon moduloinnin sijasta siinä käytetään suurta määrää tasaisin kanavavälein sijoiteltuja alikantoaaltoja. Kapeakaistaisia alikantoaaltoja moduloidaan esim. jollakin monitilaisella QAM-modulointitavalla. OFDM on laajakaistainen tekniikka, joka kasvattaa datansiirron tehokkuutta lisäämällä siirrettävää datanopeutta kantoaaltojen suuren määrän avulla. Lisäksi menetelmässä monitie-etenemisen etenemisen aiheuttamat ongelmat voidaan minimoida valitsemalla käytettävät alikantoaallot niiden joukosta, joilla syntyy vähiten bittivirheitä. Huonot alikantoaallot eli ne joilla syntyy virheitä, voidaan jättää käyttämättä. OFDM-tekniikkaa käytetään monissa laajasti käytetyissä sovelluksissa, esim. digitaalisen TV-jakelun standardeissa (DVB-T, ja DVB-H), digitaalisessa yleisradiotekniikassa, useissa WLAN-standardeissa ja langallisissa verkoissa esim. ADSL-laajakaistaliittymissä. OFDM:n toiminta Nykyisin käytössä olevat OFDM-menetelmät perustuvat diskreettiin Fourierkäänteismuunnokseen (IDFT, Inverse Discrete Fourier Transform). Taajuuskanavien määrä ja kussakin kanavassa kerralla siirrettävien bittien määrä vaihtelee. Kanavia on yleensä useita kymmeniä, joskus useita tuhansia. Esimerkiksi 16-QAM- modulaatiota käytettäessä ä ä erilaisia vaiheen ja voimakkuuden arvoja on 4x4, jolloin yhden taajuuskanavan sisällä voidaan siirtää kerralla log 2 (4 * 4) = 4 bittiä. Eri kanavilla voi käyttää erilaisia modulaatiotapoja. 54

35 TDM (lyhenne sanoista Time Division Multiplexing) eli aikajakokanavointi on muun muassa PCM- tekniikassa käytetty tt kanavointitekniikka. k iikk Se perustuu eri signaalien viipalointiin i eli aikajakoon, k jossa jokainen lähetys jaetaan palasiin (kehys) ja palaset lähetetään tietyin väliajoin. Sitä käyttämällä voidaan siirtää ääntä ja dataa (mahdollistaa muun muassa multimediaviestien lähetyksen). Siirtokapasiteetin lisääminen on suhteellisen helppoa ja taloudellista. TDM jaetaan kahteen osaan, synkroninen ja tilastollinen TDM. Synkroninen TDM Synkronisessa TDM:ssa siirtotietä käytetään koko ajan. Silloin ei ohjausinformaatiota eikä vuonohjausta tarvita (linkkiprotokolla). Kahden pään välinen kehystahdistus kuitenkin tarvitaan. Lähteet voivat varata itselleen useampia aikaviipaleita kehyksestä ja sitä kautta nopeuttaa kommunikointiaan. Eri nopeuksilla toimivia lähteitä voidaan yhdistää, kun niiden käyttöön varataan tarvittava määrä aikaviipaleita. Synkronisessa aikajakokanavoinnissa datan on oltava digitaalista, mutta signaali voi olla alun perin digitaalinen tai analoginen. Huonona puolena TDM:ssa on, että siinä hukataan kapasiteettia: jokaiselle linjalle varataan tietty aikajakso, vaikka linjalla ei olisikaan liikennettä. Tilastollinen TDM Synkronisesta TDM:sta poiketen tilastollisessa TDM:ssa siirtotiellä ei ole vakioaikavälejä, joten tarvitaan keino (osoite) kertomaan, minkä linjan dataa aikavälissä siirretään. Jokaisen kehyksen alkuun lisätään osoite kertomaan, mille linjalle kehys kuuluu. Aikavälit varataan dynaamisesti tarpeen mukaan. Huonona puolena on, että osoitetietojen välittäminen hukkaa jonkin verran kapasiteettia. Yhdistävän linjan nopeus voi olla pienempi kuin sisääntulolinjojen nopeuksien summa, joten suurilla käyttöasteilla saattaa seurata ruuhkaa. 55

36 Aallonpituusjakoinen kanavointi (WDM): samassa valokuidussa välitetään useita kanavia erivärisillä valoilla eli eri valon aallonpituuksilla - vrt. taajuusjakoinen kanavointi. WDM moninkertaistaa esim. Atlantin ylittävien valokuitujen siirtokapasiteetin ilman uusien kaapeleiden vetoa 56

37 Monikäyttötekniikat 57 Monikäyttö (multiple access) tarkoittaa erilaisia menetelmiä, joilla useat käyttäjät voivat jakaa samanaikaisesti rajallisia radiotaajuusalueita Tavoitteena on saavuttaa mahdollisimman suuri kapasiteetti ilman järjestelmän tarjoaman laadun huononemista Monikäyttötekniikat sisältävät varsinaisen monikäytön sekä dupleksoinnin, mikä tarkoittaa eri siirtosuuntien käyttöä Digitaalisen tiedonsiirron perusteet / RR Dupleksointi (duplexing) 58 Langattomissa järjestelmissä yleensä pystytään sekä lähettämään ää että vastaanottamaan tt samanaikaisesti. i Tätä kutsutaan dupleksoinniksi FDD: esim. NMT kanavaa (25 khz) duplex-väli 10 MHz TDD f DL UL DL t Duplex-väli Suoja-aika Digitaalisen tiedonsiirron perusteet / RR

38 FDMA on monikäyttötekniikoista vanhin ja yksinkertaisin. Laitekustannuksiltaan se on kuitenkin yleensä kalliimpi, koska jokaiselle käyttäjälle tarvitaan oma kanavayksikkö. Useimmiten käytetään FDMA:n yhteydessä analogista taajuusmodulointia eli FM:aa. Kullakin kanavalla voi olla vain yksi puhelu kerrallaan käynnissä. Yleensä käytetään n. 30 khz kaistaa käyttäjää kohti. FDMA:ta käyttäviä järjestelmiä ovat esim. AMPS (30 khz/käyttäjä) ja NMT (25 khz/käyttäjä). FDMA/FDD: yksi kanava käytössä tukiasemalta puhelimeen ja toinen kanava puhelimesta tukiasemalle. FDMA:ssa saattaa syntyä keskeismodulaation aiheuttamaa häiriötä: epälineaarisissa komponenteissa syntyy epätoivottuja harmonisia taajuuksia, jotka häiritsevät muita kanavia tai muita järjestelmiä. Kanavien määrä FDMA-järjestelmässä: N = (B t 2B guard ) / B c, missä Bt = koko käytettävissä oleva kaista Bguard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissä Bc = yhden kanavan kaistanleveys 59

39 TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä. TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Aikavälien määrä radiokanavalla riippuu modulaatiotekniikasta ja saatavilla olevasta kaistasta. TDMA/TDD: puolet aikaväleistä toiseen suuntaan ja puolet toiseen suuntaan samalla radiokanavalla. TDMA/FDD: kantoaallot erikseen molemmille suunnille. Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä on käytössä useita taajuuksia, joita käytetään aikajakoisesti vuorotellen. Etuja: datan siirto tapahtuu purskeina, mikä säästää varsinkin puhelimen paristoja käytetään eri aikavälejä lähetykseen ja vastaanottoon, joten duplex-suodatin ei ole välttämätön laitetekniikka hinnaltaan edullisempaa kuin FDMA:ssa TDMA:n yhteydessä vaaditaan hyvää synkronisointia, etteivät purskeet mene vääriin aikaväleihin. Tehokkuutta laskee myös kehysrakenteissa tarvittavien ylimääräisten bittien käyttö. Kanavien määrä TDMA-järjestelmässä: N = m(b tot 2B guard ) / B c, missä B tot = koko käytettävissä oleva kaista B guard = suojakaista taajuuskaistan molemmissa päissä B c = yhden kanavan kaistanleveys m= aikavälien määrä radiokanavaa kohti 60

40 SSMA: Näennäiskohinasekvenssin (pseudo-noise) avulla kapeakaistainen signaali muutetaan kohinaa muistuttavaksi ennen lähetystä. Signaali siis levitetään laajemmalle kaistalle. SSMA-tekniikoiden kaistankäyttö ei ole kovin tehokasta, jos tarkastellaan vain yhtä käyttäjää. Samaa kaistaa voi kuitenkin käyttää yhtäaikaisesti suuri joukko käyttäjiä häiritsemättä toisiaan. Näin ajatellen tehokkuus on suuri. Ensimmäisenä hajaspektritekniikoita on käytetty militäärisovelluksissa korkean turvallisuustasonsa vuoksi. 61

41 FHMA: Data on pätkitty tietyn pituisiin purskeisiin, jotka lähetetään eri taajuuksilla. Hetkellinen kaistanleveys yhdelle yhteydelle on pieni. Hetkellisesti FHMA muistuttaa FDMA:ta. FHMA eroaa FDMA:sta siinä, että lähetystaajuus vaihtuu nopeasti. Turvallinen menetelmä, koska käyttäjän yhteys siirtyy eri taajuuksille valesatunnaisen sekvenssin mukaan. Jotta yhteyttä voisi salakuunnella, täytyisi tietää tämä sekvenssi. Taajuushyppely vaatii tarkkaa synkronointia, jota lähetin ja vastaanotin käyttävät joka hetki samaa taajuuskanavaa. FHMA on epäherkempi häipymiselle kuin TDMA ja FDMA, koska taajuus vaihtuu nopeasti. Taajuushyppelyä käytetäänkin diversiteettitekniikkana radioyhteyden laadun parantamiseksi. Käytössä esim. Bluetooth-yhteyksillä. Myös GSM:ssä on optiona taajuushyppely, jossa sitä käytetään lähinnä häiriönkeston parantamiseen. 62

42 Levityssignaali sisältää näennäiskohinaa muistuttavan sekvenssin, jonka symbolinopeus on hyvin paljon suurempi kuin alkuperäisen signaalin nopeus. Tätä sekvenssiä kutsutaan levityskoodiksi. Käyttäjät käyttävät samaa kanavaa samanaikaisesti ja heidät erotellaan koodin perusteella. Jokaisella käyttäjällä on oma näennäissatunnainen koodi, jolla signaali on koodattu. Vastaanottimessa ilmaisuun tarvitaan tämä oma koodisana. Tällöin muilla koodeilla koodatut signaalit näyttäytyvät kohinana. CDMA:n yhteydessä käytetään sekä FDD:tä että TDD:tä. Pehmeä kapasiteetti: käyttäjien määrän noustessa kapasiteetti ei lopu yhtäkkiä, vaan järjestelmän häiriötaso nousee ja palvelun laatu huononee vähitellen. Kun tietty häiriökynnys ylitetään, ei enää oteta lisää käyttäjiä. Monitie-eteneminen vähenee, koska käytetään laajaa kaistaa. Myös häiriönkesto paranee, koska laajakaistainen lähete on tunteeton kapeakaistaiselle häiriölle. CDMA-järjestelmissä käytetään usein RAKE-vastaanotinta (harava), joka parantaa signaalin laatua keräämällä viivästyneitä signaalikomponentteja. Kaikilla soluilla voi olla sama taajuus. Tätä voidaan hyödyntää ns. pehmeässä puhelunsiirrossa (soft handover). Siinä puhelin on yhteydessä verkkoon yhtäaikaa kahden solun kautta. Tässä tilassa pysytään kunnes ollaan siirrytty riittävän syvälle toisen solun alueelle. 63

43 Kuvassa esitetään CDMA-lähettimessä suoritettava koodaus ja vastaanottimessa tehtävä dekoodaus. Seuraavan sivun kuva esittää muiden signaalien kuin halutun signaalin vaikutuksen vastaanottimessa. Muut signaalit näkyvät kohinana ja summautuvat yhteen. Tehonsäätö on CDMA-järjestelmissä tärkeää. Käyttäjien tehot säädetään sopivalle tasolle, muuten lähellä tukiasemaa olevat käyttäjät dominoivat ja häiritsevät muiden käyttäjien liikennöintiä. Tätä kutsutaan lähi-kauko ongelmaksi (near-far-problem). 64

44 65

45 OFDM sallii vain yhden käyttäjän yhdelle kanavalle yhtäaikaisesti. Jotta saadaan useita käyttäjiä samalle kaistalle samanaikaisesti, joudutaan yhdistämään OFDM-tekniikka joko TDMA:han tai FDMA:han. TDMA:n tapauksessa käytetään kullekin käyttäjälle omia aikavälejä ja FDMA:n tapauksessa kullekin käyttäjälle omia alikantoaaltoja. OFDMA on useamman käyttäjän OFDM, joka sallii monikäytön samalla kaistalla (kaistalla tarkoitetaan tässä alikantoaaltojen ryhmää). OFDMA jakaa alikantoaaltoja käyttäjien kesken siten että käyttäjät voivat lähettää ja vastaanottaa samaan aikaan kantoaaltojen ryhmässä. 66

46 Alikantoaaltoja voidaan sovittaa kullekin käyttäjälle siten, että käyttäjä käyttää niitä kanavia jotka tarjoavat hänelle parhaan laadun (yo. kuva). Kukin käyttäjä siis käyttää niitä kantoaaltoja, jotka sillä ajanhetkellä tarjoavat hänelle parhaat etenemisolosuhteet ja pienimmän bittivirhesuhteen. Nämä riippuvat tietenkin käyttäjän sijainnista ja muista olosuhteista. Kanavien tilaa seurataan pilottialikantoaaltojen avulla (kuva ed. sivulla) OFDM:ää käytetään esim. Wimax-tekniikassa kiinteän palvelun toteuttamisessa ja OFDMA:ta mobiilin Wimax-palvelun monikäyttötekniikkana. OFDMA on standardoitu myös 3G-verkon LTE-kehitysversioon (Long Term Evolution, suuremmat siirtonopeudet). Ortogonaalisuus alikantoaaltojen valinnassa tarkoittaa kantoaaltojen keskinäistä riippumattomuutta. Kantoaaltojen parametrit on valittu siten, että kantoaallon teho on nolla viereisen kantoaallon keskitaajuudella, jolloin vierekkäiset kanavat häiritsevät toisiaan mahdollisimman vähän. 67

47 Hybridi FDMA/CDMA kaista on jaettu pienempiin osiin, joista kukin toimii omana kapeakaistaisena systeeminään esim. Cdmaone käyttää tätä Hybridi DS/FHMA DS-järjestelmä, jonka keskitaajuus vaihtuu tietyn satunnaisen kaavan mukaan Time Division CDMA jokaisella solulla on oma levityskoodi vain yksi käyttäjä/aikaväli/solu Time Division Frequency Hopping TDMA-kehyksen alussa käyttäjä voi hypätä eri taajuudelle (häiriöllisissä tai häipyvissä olosuhteissa) GSM käyttää tätä solussa useampia taajuuksia, joilla hypitään tietyssä järjestyksessäj 68

48 SDMA (tilajakoinen monikäyttö) Kutakin käyttäjää palvellaan omalla antennikeilallaan (kts. kuva) Menetelmässä tarvitaan hyvin kehittyneitä, adaptiivisia antenneja Ideaalisessa järjestelmässä kukin käyttäjä toimisi omassa antennikeilassaan samalla kanavalla samanaikaisesti kuin muut käyttäjät mutta ilman häiriöitä muista antennikeiloista PR (pakettiradio) Useat käyttäjät yrittävät käyttää yhtä kanavaa ennalta määräämättömällä tavalla (kilpavaraus) Data lähetetään lyhyinä purskeina Mobiilille lähetetään joko kuittaus- tai hylkäys viesti riippuen siitä onko törmäystä tapahtunut vai ei. Tehoton systeemi kaistankäytön kannalta, ei sovi suurikapasiteettisiin järjestelmiin Ensimmäinen sovellus oli ALOHA-protokolla, josta sittemmin kehittyi Ethernet-verkon kilpavarausperiaate 69

49 Koodaus 70 Taxonomy of coding in telecommunications Automatic repeat request (ARQ) coding to correct errors by using a feedback channel Digitaalisen tiedonsiirron perusteet / JPR

50 Johtokoodauksen avulla muutetaan siirrettävän signaalin spektrin muoto siirtoyhteydelle sopivaksi, i helpotetaan t vastaanottimen tti tahdistumista t i t sekä pienennetään datanopeutta tt siirrossa. PCM-järjestelmissä 2 Mbit/s nopeudella käytetään HDB3-koodausta kaapeliyhteyksillä. Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House

51 Tunnistamisella tarkoitetaan menettelyä, jolla yksilöidään kohde, kuten käyttäjä tai järjestelmä. Tunnistaminen i ei välttämättä ättä edellytä toimenpiteitä it itä kohteelta. Tunnistamisella i tarkoitetaan t esimerkiksi työtovereiden tunnistamista työympäristöön kuuluviksi. Todentamisella tarkoitetaan puolestaan menettelyä, jolla varmistetaan, että tunnistamisessa esitetyt tiedot pitävät paikkansa. Todentamisella viitataan yleensä kohteen ominaisuuksiin, esimerkiksi siihen, mitä kohteella on hallussaan tai mitä kohde tietää. Vahva todennusmenetelmä on yhdistelmä edellisistä menetelmistä. Useat järjestelmät toteuttavat tunnistamisen ja todentamisen samaan aikaan. Esimerkiksi henkilötietoja tarkistettaessa tarkastetaan käyttäjän tiedot ajokortista ja samalla käyttäjä tunnistetaan. Toiset järjestelmät j puolestaan suorittavat valtuutuksen ja todentamisen samaan aikaan. Esimerkiksi kulunvalvontajärjestelmä lukee kulkukortin ja avaa oven. Salausmenetelmillä pyritään varmistamaan tietojen luottamuksellisuus, eheys ja kiistämättömyys. Riippumatta siitä, mihin salausta käytetään, tavoitteena tulisi olla salaus, jonka murtaminen kohtuullisessa ajassa ja kohtuullisin resurssein ei ole mahdollista. Salattavan tiedon tärkeydestä riippuu, miten pitkä kussakin tapauksessa on kohtuullinen aika ja mitkä ovat kohtuulliset resurssit. Yleisesti voidaan sanoa, että pidempi salausavain merkitsee vahvempaa salausta. Esimerkki: Oletetaan, että yhdellä tietokoneella voidaan läpikäydä miljoona salausavainta sekunnissa. Mikäli yhdistetään miljoona tuollaista laitetta purkamaan salausta, jossa käytetään 40-bittistä salausavainta, kaikkien salausavainten läpikäyminen kestää hieman yli sekunnin [(2 40 / (1 x )]. Vastaava aika 128-bittisellä avaimella on n. 11 triljoonaa (11 x ) vuotta. Suuri ero edellä mainittujen avainpituuksien välillä perustuu siihen, että jokainen yhden bitin lisäys avainpituuteen kasvattaa mahdollisten avainten määrän kaksinkertaiseksi. Salausmenetelmät jakaantuvat kahteen pääluokkaan: jonosalaukseen ja lohkosalaukseen. Jonosalauksella tarkoitetaan salausta, jossa selväkielinen teksti salataan yleensä merkki kerrallaan. Jonosalaajia käytetään lähinnä suurta nopeutta vaativissa reaaliaikaisissa sovelluksissa. Lohkosalauksessa selväkielinen teksti salataan lohko kerrallaan. 72

52 Yhteystyypit 73 Teleyhteydet Kiinteästi kytketyt Valintaiset Piirikytkentäiset Pakettikytkentäiset Esim. Puhelinverkko Virtuaalikytkentäiset X.25 ATM Matkapuhelinverkko ISDN Paketeittain reititetyt LAN Internet Digitaalisen tiedonsiirron perusteet / JPR Piirikytkentäinen - pakettikytkentäinen 74 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House 2003 Digitaalisen tiedonsiirron perusteet / JPR