1. Johdanto. Vahvistus/vaimennus Käsitteitä

Transkriptio

1 1. Johdanto 1.1. Käsitteitä 15-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 1 Vahvistus/vaimennus Pitkällä matkalla signaali vaimenee eli amplitudi pienenee Eri taajuudet vaimenevat eri tavalla riippuen käytetystä siirtotiestä Koska kaikki taajuuskomponentit eivät käyttäydy samalla tavalla, syntyy vaimennusvääristymää eli signaali muuttaa muotoaan Vahvistus ja vaimennus ilmoitetaan yleensä desibeleinä (vahvistus positiivinen ja vaimennus negatiivinen) P P out [ ] = 10lg G db in missä P out = lähtöteho ja P in = vastaanotettu teho Jännitteelle kaavan kerroin on 20 (P=U 2 /R) ja impedanssit on otettava huomioon U Z out in [ ] = 20lg + 10lg Uin Zout G db 15-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 2

2 Kohina 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 [ ] = PS 10 log S/N db 10 P missä P S = signaalin teho ja P N = kohinan teho N 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 3 Desibeli-sääntöjä teholle: 3 db = 2-kertainen 10 db = 10-kertainen -3 db = 1/2 = puolet -10 db = 1/10 perättäiset vahvistukset ja vaimennukset yhdistetään yhteen- ja vähennyslaskulla 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 4

3 Desibelin käyttökohteita desibeli on suhteen mittayksikkö signaalikohinasuhde vahvistimen vahvistus (P out /P in ) kaapelin tai siirtotien vaimennus signaalin absoluuttinen tehotaso verrataan signaalin tehoa 1 mw:iin yksikkönä dbm P [ ] = PX dbm 10 log 10 1mW muita käytettyjä db-yksiköitä esim. dbµv, missä vertailu mikrovolttiin 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 5 BER, bittivirhesuhde ilmoittaa kuinka monta bittiä keskimäärin vääristyy siirtotiellä esim Kulkuaikavääristymä eri taajuudet kulkevat siirtotiellä eri nopeuksilla => tulevat perille eri aikaan => signaali vääristyy Vaihevärinä eli jitter pulssit eivät pysy ideaalisilla paikoillaan (pulssijonossa haitariliikettä ) 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 6

4 Ylikuuluminen johdin säteilee omaa signaaliaan toiselle siirtotielle Heijastuminen osa signaalista heijastuu jossakin järjestelmän kohdassa ei-toivotusti takaisin johtuu huonosta sovituksesta Dispersio pulssin leviäminen kuidussa 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 7 Kaistanleveys Jonkin siirrettävän signaalin sisältämän taajuusalueen leveys Esim. Ihmiskorva 16 Hz 20 khz => kaistanleveys Hz Siirtojärjestelmän kaistanleveys on se taajuusalue, jonka järjestelmä pystyy siirtämään Puhelinverkossa kaista on rajoitettu Hz alueelle eli kaista on 3,1 khz (tyypillinen kapeakaistainen signaali) yhden liikkuvan TV- tai videokuvan vaatiman informaation välittävä signaali on esimerkki laajakaistaisesta signaalista. perinteinen TV-kanavan kaista on noin 5-6 Mhz 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 8

5 Yhden TV-kanavan taajuusjakauma 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 9 Signaalin sisältämät taajuudet Vain puhdas sinisignaali sisältää yhden taajuuden Sakara-aallon muodostuminen 1 sin(2πft) 1 1 sin(2π 3 ft) sin(2πft ) + sin(2π 3 ft) 1 3 Sakara-aalto muodostuu lukemattomasta määrästä harmonisia siniaaltoja 1 sin(2πkft) k k = 1 k = pariton 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 10

6 Signaalin spektri signaalin intensiteetti esitettynä taajuuden funktiona 0-taajuus vastaa tasakomponenttia (DC) taajuus esitetään yleensä logaritmisella asteikolla Ihmisen ymmärtämä muoto: jännite vs. aika -esitys sinisignaali Järjestelmien näkemä muoto: teho vs. taajuus -esitys = tehotiheysspektri kanttiaalto 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 11 spektriä käytetään englanniksi one-sided tai positive-frequency spectra nimitystä yleisemmin käytetään kuitenkin esitystapaa, missä on myös negatiiviset taajuudet mukana (matemaattisen esitystavan takia) ks. seur. sivut (engl.kiel.) 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 12

7 Another, even more valuable, representation is two-sided spectrum which involves negative frequencies. Two-sided spectrum we get by recalling that Re [z] = ½ ( z + z * ) where z is any complex quantity and z * is its conjugate. j( ω0t+ φ) jφ jω0t Hence if z = Ae = Ae Ae then z * = Ae = Ae e j ( ω0 t + φ) j φ j ( ω0 t ) and Acos(ω 0 t +φ) = A A e e e + e 2 2 jφ jω0t jφ jω0t and we have now a pair of conjugate phasors. The corresponding phasor diagram and the line spectrum are drawn in Figure Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 13 Amplitude Im A/2 A/2 f 0 A/2 t+ -f 0 0 f 0 f /Hz A cos ( t + ) t+ Re Phase A/2 -f 0 f 0-0 f 0 f /Hz Figure Conjugate phasors and two-sided line spectrum 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 14

8 The phasor diagram consists of two phasors with equal lengths but opposite angles and direction of rotation. Imaginary projections of the phasors cancel each other and phasor sum always falls along the real axis to yield the real function A cos(ω 0 t +φ). The line spectrum is two-sided since it must include negative frequencies to allow for the opposite rotational direction. Half of the original amplitude is associated with positive frequency and half with negative frequency component. The amplitude spectrum has even symmetry while the phase spectrum has odd symmetry because we are dealing with conjugate phasors. 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR Siirtojärjestelmä ja sen osat sekä tiedonsiirtoa rajoittavia tekijöitä Tulosignaali Siirrettävä signaali Vast.otettu signaali Lähtösignaali Lähde Lähetin Siirtokanava Vast.otin Kohde Kohina, vääristymä ja häiriöt Lähetin Muokkaa signaalin siirtokanavaan sopivaksi. Tekee tarvittaessa moduloinnin, sähk./opt. muunnoksen, koodauksen jne. Siirtokanava: Sähköinen siirtotie, jota pitkin signaali siirretäänvast.otin: lähettimestä vastaanottimeen. Esimerkkejä: parikaapeli, kuitu, vapaa tila Kohina, vääristymät ja häiriöt: Ulkoiset tai sisäiset sähköiset häiriöt huonontavat systeemin suor.kykyä Esimerkkejä: Kaapelin lämpökohina, sähköverkon häiriöt, optisen ilmaisimen kohina. Muokkaa vaimentuneen ja vääristyneen signaalin alkup muotoon Tarvittaessa suodatus, demodulointi, jne. 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 16

9 Baseband Signaling What is the baseband signal? The original band of frequencies produced by a transducer, such as a microphone, telegraph key, or other signal-initiating device, prior to initial modulation. Note 1: In transmission systems, the baseband signal is usually used to modulate a carrier. Note 2: Demodulation re-creates the baseband signal. Note 3: Baseband describes the signal state prior to modulation, prior to multiplexing, following demultiplexing, and following demodulation. Note 4: Baseband frequencies are usually characterized by being much lower in frequency than the frequencies that result when the baseband signal is used to modulate a carrier or subcarrier. 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 17 This slide provides a definition and notations concerning baseband signaling, as presented in Federal Standard 1037C, Telecommunications: Glossary of Telecommunication Terms, National Communications System Technology and Standards Division, The term baseband is generally used to refer to the signal prior to modulation (at the transmitting end) or after demodulation (at the receiving end). It is also sometimes used to refer to the signal after modulation but prior to multiple access multiplexing (at the transmitting end) or after multiple access demultiplexing but prior to demodulation (at the receiving end). In this module, baseband will be used to refer to a voice or data signal prior to modulation at the transmitting end and after demodulation at the receiving end. The term signal is used here to refer to any voice conversation or data transmission taking place across a wireless network. The following slides discuss the processes by which a baseband signal is transformed from a raw audio or data signal at the transmitting end and recovered at the receiving end of a radio connection. In order to provide a full view of the processes involved, operations performed on the signal before and after modulation are discussed.

10 Steps in Baseband Signal Processing Multiple Access Transmit/Receive A/D Channel Coding Mux Mod Demod Demux Channel Decoding D/A Analog to Digital Conversion Channel Coding Multiplexing Modulation Multiple Access Transmission Multiple Access Demodulation Demultiplexing Channel Decoding Digital to Analog Conversion 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 18 Baseband Signaling Many of the functions described here are discussed in the following sections in terms of the transmitting end, which may be the mobile station or the base station. Each of the functions at the transmitting end has a corresponding function at the receiving end: Analog to Digital Conversion requires Digital to Analog Conversion. Channel Coding requires Channel Decoding (including error detection and correction). Multiplexing requires Demultiplexing. Modulation requires Demodulation, including filtering and conversion to and from Intermediate Frequencies. Combining simultaneous conversations via Multiple Access techniques requires a corresponding separation of those conversations. Transmission of the signal at one end implies a receiving function at the other end. The slide above shows the baseband processing functions required to carry a voice conversation from one mobile subscriber to another mobile subscriber. In a connection through an actual network, these functions may be performed several times as a call is carried from a mobile subscriber on one cellular or Personal Communications Service (PCS) provider s network, through the base station and mobile switching center to either the Public Switched Telephone Network (PSTN) or directly to another cellular or PCS provider s network, to mobile subscriber at the other end. As the baseband processing functions are discussed in the following slides, a simple model is used to describe the baseband processing required to send a call from a mobile station to a base station. The transmit functions are assumed to take place at the mobile station, and the receive functions will be assumed to take place at the base station. The following slides discuss variations in baseband processing at the mobile station and the base station.

11 # 0 * * 0 # Transmit versus Receive Baseband processing takes place at both the mobile station and the base station Mobile Station Base Station Base Station Mobile Station The unmodified (baseband) signal can be: Analog voice: human speech received at the mobile station and delivered from the mobile station on the receiving end Analog data: (i. e., modem data) transmitted from a mobile station to a base station or from a base station to a mobile station Digital voice: the signal received by a base station from another base station or from the PSTN to be transmitted to a mobile station may already be digitally encoded voice Digital data: transmitted from a mobile station to a base station or from a base station to a mobile station 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 19 Transmit & Receive Baseband processing functions take place at both the mobile station and the base station. Depending on the direction of transmission (mobile station to base station or base station to mobile station), each component may perform either the transmitting or receiving set of functions described in the preceding slide. An actual call involving a wireless mobile station and base station may also connect to another base station through the wireless operator s network, or to the Public Switched Telephone Network (PSTN) for connection to a wireline phone, or to another mobile service provider s network. Both the backhaul links from the Base Station and the connecting trunks in rest of the network path are likely to be digital, at T1 rate (1.544 Mbps) or higher. In many cases, a digital signal sent from a mobile station to a base station will be demodulated for processing at the base station, but will be recoded and transmitted as a digital signal on the wireline backhaul network without undergoing conversion back to an analog signal until it reaches the party at the other end of the conversation (either a mobile or a wireline station.) In the case of digital transmission from a base station to a mobile station, the incoming signal from the wireline network to the base station may already be digital. If the radio technology being used is analog rather than digital (e. g., Advanced Mobile Phone Service (AMPS)), the signal to be transmitted from the base station to the mobile station must undergo digital to analog conversion at the base station before analog baseband processing begins.

12 Symbolinopeus (baudinopeus) ja kaistanleveys siirtokanavalla täytyy olla riittävä kaistanleveys, jottei signaali vääristy mitä nopeampi signaali, sitä kapeampia pulsseja täytyy siirtää ja vaaditaan siten suurempi kaistanleveys r symbolia/s vaatii kaistanleveyden B, mikä on B r 2 Hz täten käytettävissä oleva kaistanleveys määrää suurimman mahdollisen symbolinopeuden [Baud] Huom! Symbolinopeus ei ole välttämättä sama kuin bittinopeus r 2B Hz 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 20 Jos käytetään useampia signaalitasoja, voidaan kanavassa siirtää enemmän dataa kuin em. maksiminopeus sallii n signaalitasoa yhdessä alkiossa voidaan siirtää log 2 (n) bittiä esim. 4 signaalitasoa => yhdessä alkiossa (=symbolissa) on 2 bittiä => bittinopeus tuplaantuu Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 21

13 Siirtokanavan maksimisiirtokapasiteetti (Shannonin teoreema) S = N [ bit/s] B log 1 + C 2 missä C = yhteyden suurin teoreettinen siirtokyky B = yhteyden kaistanleveys S/N = signaali-kohinasuhde (lukuarvona) Kanavan kapasiteetille ei ole teoreettista ylärajaa, vaan kaistaleveyden tai signaalikohinasuhteen kasvaessa kasvaa myös kapasiteetti rajattomasti käytännössä kuitenkin kohina rajoittaa kanavan siirtonopeutta 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 22 Kaistanleveystehokkuus η kuvaa kuinka tehokkaasti järjestelmä käyttää kaistanleveyttä r η = b B [(bit/s)/hz] kaistanleveys määritellään tavallisesti 99 % leveydeksi, mikä tarkoittaa sitä, että 99 % siirrettävän signaalin tehosta sijoittuu kaistanleveydelle B suurin kaistatehokkuus saadaan Shannonin kaavan ja yo. kaavan avulla η max = C B = log 2 (1+ S/N) [(bit/s)/hz] 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 23

14 Digitaalisen tiedonsiirron siirtonopeus perinteinen puhelin, kapeakaistainen siirto 8000 näytettä sekunnissa, 8 bittiä / näyte siirtonopeus 64 kilobittiä/s videokuva, laajakaistainen siirto siirtonopeuteen vaikuttaa kuvan laatu: resoluutio, värien määrä, virkistystaajuus tiedon pakkaus tehostaa tiedonsiirtoa minimivaatimuksena voidaan pitää 2 Mbit/s 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 24 Laskostuminen esim. puhe on analogista signaalia, mutta siirtojärjestelmät nykyisin digitaalisia => tarvitaan AD- ja DA-muunnoksia AD-muunnoksessa analogisesta signaalista otetaan tasaisin aikavälein näytteitä, jotka muutetaan digitaalisanoiksi näytteenottotaajuus Nyqvist: Näytteenottotaajuuden on oltava vähintään kaksinkertainen kuvattavan signaalin maksimitaajuuteen verrattuna Puhelinverkossa puhekaista on Hz => näytteenottotaajuuden pitää olla vähintään 6800 Hz em. edellyttäisi ideaalista tilannetta => sovittu näytteenottotaajuus 8 khz 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 25

15 Laskostuminen näytteitä otetaan liian harvoin 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 26 Miksi nykyään lähes kaikki järjestelmät tehdään digitaalisiksi? Esimerkiksi: NMT GSM analoginen TV digitaalinen TV LP-levy CD-levy Digitaalisen teknologian etuja: Helpompi kasvattaa integrointiastetta => pienempi tilantarve Pienempi tehonkulutus, parempi luotettavuus, halvempi toteuttaa Siirron laatu lähes riippumaton siirtoketjun pituudesta Parempi kohinansieto Ideaalinen datansiirtoon Helppo toteuttaa uusia palveluja Suuri siirtokapasiteetti Joustavuus 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 27

16 Vaimentuneen signaalin kunnostaminen eli regenerointi 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 14-Jan-04 Siirtotekniikka / JPR 28