2. Perusteoriaa signaaleista

Transkriptio

1 2. Perusteoriaa signaaleista Tietoa siirretään yleensä sähköisen signaalin muodossa Sähköisen signaalin esitys aikatasossa: Tiedonsiirron perusteet / RR 1 Signaali on yksikäsitteisesti määritetty, kun siitä tiedetään amplitudi, taajuus (jaksonpituuden käänteisarvo; f=1/t) ja vaihe. Taajuus ja aallonpituus: 1 f = ja toisaalta f = T c λ missä f = signaalin taajuus T = signaalin jaksonpituus c = valonnopeus λ = signaalin aallonpituus 1

2 Signaalin sisältämät taajuudet: Puhdas sinisignaali sisältää vain 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 k = 1 k = pariton 1 sin(2πkft) k Tiedonsiirron perusteet / RR 2 Tietoliikenteessä käytettävien signaalien voidaan ajatella olevan koostunut useista eritaajuisista signaalikomponenteista. Tietoliikennejärjestelmien läpi siirrettävä tieto on luonteeltaan tavallisesti jotakin allaolevista: puhetta liikkuvaa kuvaa (TV tai video) liikkumatonta kuvaa tekstiä musiikkia erilaista tietokonedataa (esim. ohjelmatiedostoja) 2

3 Ihmisen ymmärtämä muoto: jännite vs. aika -esitys Järjestelmien näkemä muoto: teho vs. taajuus -esitys = tehotiheysspektri sinisignaali kanttiaalto Tiedonsiirron perusteet / RR 3 Signaalin spektri = signaalin intensiteetti esitettynä taajuuden funktiona 0-taajuus vastaa tasakomponenttia (DC) Teho eli intensiteetti esitetään yleensä logaritmisella asteikolla Lisää yllä oleviin kuviin x- ja y-akseleille oikeat suureet ja yksiköt! 3

4 Kaistanleveys: Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tiedonsiirron perusteet / RR 4 Kaistanleveydellä tarkoitetaan jonkin siirrettävän signaalin sisältämän taajuusalueen leveyttä. Esim. ihmiskorvan kuuloalue on tyypillisesti 16 Hz 20 khz eli kaistanleveys on 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). Digitaalisessa puhelinverkossa puheensiirtoon käytetään tavallisesti 64 kbit/s siirtonopeutta yhtä puhekanavaa kohti. Yhden liikkuvan TV- tai videokuvan vaatiman informaation välittävä signaali on hyvä esimerkki laajakaistaisesta signaalista. Tyypillinen analoginen videosignaali vie kaistaa noin 5 Mhz. Digitaalisessa siirrossa vaadittava siirtonopeus riippuu mm. halutusta kuvan laadusta (resoluutio, värien määrä, virkistystaajuus). Tiedon pakkaus tehostaa tiedonsiirtoa, mutta minimivaatimuksena voidaan pitää 2 Mbit/s siirtonopeutta. 4

5 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tiedonsiirron perusteet / RR 5 Ylläolevassa taulukossa näkyy erilaisten siirrettävien signaalien ominaisuuksia. Suomenna/selitä: Bandwidth requirement Data loss tolerance Fixed delay tolerance Variable delay tolerance Peak information rate 5

6 Siirtojärjestelmän yleinen rakenne Tulosignaali Lähetin Siirtokanava Vastaanotin Lähtösignaali Signaalin prosessointi siirtoa varten; esim. koodaus ja modulointi Häiriöt Signaalin prosessointi mahd. paljon alkuperäisen kaltaiseksi; esim. suodatus, vahvistus, dekoodaus ja demodulointi Tiedonsiirron perusteet / RR 6 Siirtojärjestelmän osat ovat lähetin, siirtokanava, vastaanotin. Lähetin (transmitter) muuntaa syötesignaalin lähetyskanavalle. Useimmiten mukana enkoodaus ja modulointi. Multipleksointi (kanavointi) mahdollistaa saman taajuusalueen käytön useaan lähetykseen. Siirtokanava on sähköinen siirtotie (kaapeli tai ilmarajapinta). Kanavassa signaali vaimenee tai osa siitä katoaa. Vastaanotin muuntaa siirretyn signaalin viestiksi. Tarvittaessa mukana vahvistus, demodulointi ja dekoodaus sekä suodatus. Siirtokanavan 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 6

7 Vahvistus 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 G (gain) ilmoitetaan yleensä desibeleinä (kyseessä on vaimennus, jos luku on negatiivinen) P P [ ] out = 10lg G db in Pin Siirtotie Pout missä P out = lähetetty teho ja P in = vastaanotettu teho Tiedonsiirron perusteet / RR 7 Desibeli-sääntöjä teholle: 3 db = 2-kertainen 10 db = 10-kertainen -3 db = 1/2 = puolet -10 db = 1/10 Desibeli on suhteen mittayksikkö. Peräkkäiset vahvistukset ja vaimennukset yhdistetään yhteen- ja vähennyslaskulla, kun lasketaan db-suureilla. Jos käytetään paljaita vahvistus/vaimennuslukuja, kerrotaan ne kokonaisvahvistuksen laskemiseksi. Esimerkkejä desibelin käyttökohteista: signaalikohinasuhde vahvistimen vahvistus (P out /P in ) kaapelin tai siirtotien vaimennus 7

8 dbm Saadaan signaalin absoluuttinen tehotaso, kun verrataan signaalin tehoa 1 mw:iin yksikkönä dbm P [ ] = PX dbm 10 log 10 1mW Tiedonsiirron perusteet / RR 8 8

9 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 Tiedonsiirron perusteet / RR 9 Suodatus: Yo. tapauksessa signaali muuttuu tahattomasti. On olemassa myös tilanteita, joissa signaalista halutaan poistaa joitakin taajuuksia. Yleensä suodatuksen tehtävänä on poistaa signaalista matkan varrella kerääntyneitä häiriötaajuuksia. Lähetys Siirtotie Suodatus Vastaanotto Piirrä suodattimien tyypilliset ominaiskäyrät: Alipäästösuodatin laskee läpi rajataajuutta pienemmät taajuudet (low pass filter) Ylipäästösuodatin laskee läpi rajataajuutta suuremmat taajuudet (high pass filter) Kaistanpäästösuodatin päästää läpi määrätyn taajuusalueen (band pass filter) Kaistanestosuodatin poistaa määrätyn taajuusalueen (band reject filter) 9

10 Analoginen signaali vs. digitaalinen signaali 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 Tiedonsiirron perusteet / RR 10 Piirrä kuva analogisesta signaalista: Piirrä kuva digitaalisesta signaalista: 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 10

11 Vaimentuneen signaalin kunnostaminen 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 Tiedonsiirron perusteet / RR 11 Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House

12 Analogisen signaalin siirto digitaalisessa verkossa Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tiedonsiirron perusteet / RR 12 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. 12

13 Laskostuminen (alias-ilmiö) näytteitä otetaan liian hitaasti Tiedonsiirron perusteet / RR 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. 13

14 PCM-perusprosessi: puheen muuttaminen digitaaliseksi signaaliksi Selvitä PCM-prosessin vaiheet: Suodatus Näytteenotto Kvantisointi Koodaus Aikajakoinen kanavointi Johtokoodaus Toistimen toiminta Signaalin rekonstruointi seuraavalla sivulla

15 Dekoodaus ja PCM-signaalin rekonstruointi Selvitä signaalin rekonstruoinnin vaiheet: Regenerointi Johtokoodauksen purku Binäärikoodauksen purku Näytteiden jako oikeille kanaville Alipäästösuodatus

16 Kanavan kapasiteetti C (Shannon-Hartleyn laki): S = + N [ bit/s] B log 1 C 2 missä C = yhteyden suurin teoreettinen siirtokyky B = yhteyden kaistanleveys S/N = signaali-kohinasuhde (lukuarvona) B tai S/N kasvaa => kapasiteetti kasvaa pieni S/N => kapasiteetti pieni B kasvaa, S/N voi pienetä C:n säilyessä vakiona (myös päinvastoin; S/N kasvaa ja B voi olla pienempi) Tiedonsiirron perusteet / RR 16 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 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 rajaarvoa. 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) } 16

17 Nyqvistin laki: jos käytettävissä on erilaisia signaalitasoja V kpl, on maksimi bittinopeus r b = 2B log 2 V missä r b = yhteyden suurin teoreettinen bittinopeus B = yhteyden kaistanleveys Nyqvistin laki antaa luonnon asettaman ylärajan V-tasoisen signaalin datansiirtonopeudelle. Jos signaalitasoja on V kpl (enemmän kuin 2), jokaisella tilan muutoksella siirtyy log 2 (V) bittiä Esim. 4-PSK-menetelmä Tiedonsiirron perusteet / RR 17 Nyqvistin laki antaa toivon suurista nopeuksista: kuta suuremmaksi signaalin esitystasoja 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. 17

18 Modulointi Lähetin Vastaanotin Viestisignaali Modulaattori Siirtokanava Moduloitu kantoaalto Demodulaattori Ilmaistu signaali Kantoaalto päätarkoituksena muuttaa viestisignaali siirtokanavalle sopivaksi yleensä muutetaan jotakin kantoaallon ominaisuutta (amplitudi, taajuus tai vaihe) viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa muutosta seurataan ilmaisimessa (demodulaattorissa) ja sen perusteella palautetaan alkuperäinen viestisignaali Tiedonsiirron perusteet / RR 18 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. 18

19 Viesti f 1 B = f 2 -f 1 f 2 f Siirtokanava Viesti 1 Viesti 2 taajuusmuutos kanavointi B B Tiedonsiirron perusteet / RR 19 Lähettimen tehtävä on kytkeä lähetettävä viesti kanavaan. Helpoimmin tämä tapahtuu ns. kantataajuudella. Tällöin viesti kulkee kanavassa omalla taajuudellaan ja lähettimen tehtäviksi 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. FM-ularadio 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. 19

20 Moduloinnin etuja ja sovelluksia tehokas tiedonsiirto sähkömagneettisena aaltona laitteistorajoitusten voittaminen interferenssin ja kohinan välttäminen taajuuskaistan valinta kanavointi Tiedonsiirron perusteet / RR 20 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 erillisiin aikajaksoihin siis samaa taajuuskaistaa voi käyttää useampi samanaikainen käyttäjä 20

21 Modulaatiotyypit Tiedonsiirron perusteet / RR 21 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 digitaalisten modulaatiomenetelmien soveltamiseen uusissa tietoliikennejärjestelmissä. 21

22 Tiedonsiirron perusteet / RR 22 ASK PSK FSK (jatkuvavaiheinen) 22

23 Analogiset modulaatiomenetelmät Amplitudimodulaatio (AM) Tiedonsiirron perusteet / RR 23 Kantoaallon amplitudia muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa (kantoaalto ja moduloiva signaali kerrotaan keskenään). 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 23

24 Taajuusmodulaatio (FM) kantoaallon hetkellinen taajuus vaihtelee viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa moduloidun signaalin amplitudi on vakio Tiedonsiirron perusteet / RR 24 Kantoaallon taajuutta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio. Deviaatiolla kuvataan modulaation voimakkuutta eli kuinka 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 moduloivan taajuuden päässä toisistaan. FM tarvitsee isomman kaistanleveyden kuin AM (esim. 15 khz viestisignaalin kaista vaatii tyypillisesti 200 khz kaistanleveyden siirrossa). 24

25 Vaihemodulaatio (PM) Tiedonsiirron perusteet / RR 25 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. 25

26 Digitaaliset modulaatiomenetelmät Johdanto Kanavointimenetelmät Digitaaliset mod.menetelmät Tiedonsiirron perusteet / RR 26 Modulaatiotavan valinnassa on yleensä kyse: käytettävissä oleva kaistanleveys vs. kapasiteettitarve 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) 26

27 Source: Global Wireless Education Consortium ASK (AMPLITUDE SHIFT KEYING) Modulator on off on on off on off off Tiedonsiirron perusteet / RR 27 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. 27

28 Source: Global Wireless Education Consortium FSK (FREQUENCY SHIFT KEYING) Modulator Tiedonsiirron perusteet / RR 28 Digitaalisessa FM:ssa kullekin digitaaliselle symbolille on varattu oma kantoaaltotaajuutensa esim. binäärisessä FSK: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. 28

29 Source: Global Wireless Education Consortium PSK (PHASE SHIFT KEYING) Modulator Phase Shift Keying (PSK) Uses Different Phases to Indicate Bits 90 o 180 o o o Tiedonsiirron perusteet / RR 29 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. 29

30 MONITASOISET MODULAATIOMENETELMÄT Source: Global Wireless Education Consortium Modulator Amplitudes 4 Frequencies 4 Phases Tiedonsiirron perusteet / RR 30 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). 30

31 Hajaspektriperiaate taajuushyppelyperiaate (FH-SS) Tiedonsiirron perusteet / RR 31 Hajaspektritekniikan perusideana on levittää viestisignaali siirron ajaksi paljon leveämmälle taajuusalueelle kuin itse viestin kaistanleveys on, jollin myös signaalin teho leviää laajalle kaistalle. Vastaanotossa signaali taas palautetaan alkuperäiseksi. Menetelmällä 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-, taajuusja aikadiversiteetti) Hajaspektritekniikan kaksi yleisintä toteutusperiaatetta ovat taajuushyppelyperiaate (FH- SS) ja suorasekvenssitekniikka (DS-SS). Kummassakin menetelmässä vaaditaan lähettäjän ja vastaanottajan synkronointia ja sovittua menettelyä vastaanoton purkamiseksi. 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). 31

32 suorasekvenssitekniikka (DS-SS) siirrettävä dataa nopeutetaan levityskoodin avulla, jolloin tarvittava taajuuskaista kasvaa jokaisella kanavalla oma koodinsa Alkuperäinen kapeakaistainen signaali Lähetettävä laajakaistainen signaali (esim. UMTS:ssa 3,84 Mcps) Tiedonsiirron perusteet / RR 32 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 QPSKmenetelmällä. 32

33 Kanavointi (Multiplexing) yhdistetään useita signaaleja siirrettäväksi samanaikaisesti siirtokanavassa hyödynnetään siirtojärjestelmän (kaapeli, kuitu tai radio) olemassa olevaa kapasiteettia paremmin FDM TDM F 1 F 1 F 2 WDM VALOKUITU WDM F 2 F N WDM F N Tiedonsiirron perusteet / RR 33 FDM (taajuusjakoinen kanavointi) taajuusalue jaetaan kaistoihin eli kanaviin ja signaalit moduloidaan näille käytetty aiemmin laajasti analogisten puhelinverkkojen siirtojärjestelmissä käytetty myös radio- ja TV-signaalien siirrossa sekä NMT-verkossa TDM (aikajakoinen kanavointi) yksi siirtokanava jaetaan aikajaksoihin, joista kukin siirrettävä signaali saa käyttöönsä yhden toistuvan aikavälin puhelinliikenteessä PCM-koodattuja näytteitä lomitellaan aikaväleihin vuorotellen synkronisessa aikajakokanavoinnissa käyttäjäkohtainen siirtonopeus on sama, eikä ole mahdollista ottaa tarpeen mukaan suurempia siirtonopeuksia statistisessa aikajakokanavoinnissa käyttäjä saa hetkeksi käyttöönsä suurimman siirtonopeuden (lähinnä tietokoneiden väliset yhteydet). Menetelmä perustuu oletukseen, etteivät kaikki yhteyden käyttäjät tarvitse yhtä aikaa suurinta siirtonopeutta K1 K2 K3 TDM K1 K2 K3 K1 K2 K3 K1 K2 K3 TDM K1 K2 K3 WDM (aallonpituuskanavointi) FDM-kanavointia valokuidussa 33

34 Monikäyttötekniikat (Multiple Access) Monikäyttötekniikoita tarvitaan, jotta saadaan suuri joukko käyttäjiä mahtumaan samalle rajalliselle taajuuskaistalle (vrt. siirtotekniikassa kanavointi). Kolme käytetyintä tekniikkaa ovat FDMA, TDMA ja CDMA. Syksy 2009 Langattomat tietoliikennejärjestelmät / RR 34 FDMA eli taajuusjakoinen monikäyttö tarkoittaa sitä, että kullekin käyttäjälle annetaan oma radiokanava tarvittavaksi ajaksi kokonaan käyttöön. 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. OFDMA on muunnos FDMA:sta: siinä käytetään suurta määrää tasaisin kanavavälein sijoiteltuja alikantoaaltoja ja käyttäjät käyttävät niitä vuorotellen. TDMA eli aikajakoinen monikäyttö tarkoittaa sitä, että radiokanava jaetaan aikaväleihin. Jokaisessa aikavälissä voi yleensä lähettää tai vastaanottaa vain yksi käyttäjä. TDMA:ssa kanava voidaan ajatella tiettynä aikavälinä, joka toistuu joka kehyksessä. Kehys muodostuu yhden radiokanavan aikaväleistä. TDMA:n yhteydessä käytetään yleensä digitaalisia puhekanavan modulointimenetelmiä. Esim. GSM on yhdistelmä FDMA:sta ja TDMA:sta, koska siinä taajuuskaista jaetaan kanaviin, joita sitten käytetään aikajakoisesti vuorotellen. SSMA eli hajaspektrimonikäyttö käyttää signaaleja, joiden kaistanleveys on monta kertaa suurempi kuin tarvittava minimi radiokaistanleveys. SSMA:ta on kahta tyyppiä: FHMA eli taajuushyppelytekniikka ja CDMA eli koodijakoinen monikäyttö. Lisäksi käytetään eri menetelmien yhdistelmiä eli hybriditekniikoita FHMA eli taajuushyppelymonikäyttö on digitaalinen menetelmä, jossa käyttäjien taajuuksia vaihdellaan nopeassa tahdissa laajalla radiokaistalla. Esim. Bluetooth käyttää FHMA:ta. CDMA:ssa eli koodijakoisessa monikäytössä signaali kerrotaan hyvin laajakaistaisella signaalilla, jota kutsutaan levityssignaaliksi. Tekniikasta käytetään myös nimeä Direct Sequence (DS). Käyttäjät käyttävät samaa kanavaa samanaikaisesti ja heidät erotellaan koodin perusteella. Jokaisella käyttäjällä on oma näennäissatunnainen koodi. Vastaanottimessa ilmaisuun tarvitaan tämä oma koodisana. Tällöin muilla koodeilla koodatut signaalit näyttäytyvät kohinana. Esim. UMTS-järjestelmässä käytetään CDMA:ta. 34

35 Koodaus Taxonomy of coding in telecommunications Automatic repeat request (ARQ) coding to correct errors by using a feedback channel Tiedonsiirron perusteet / RR 35 Lähteenkoodaus Lähdekoodauksen tarkoituksena on tiedon tiivistäminen tai pakkaaminen siten että tieto vie mahdollisimman vähän tilaa. Siinä käytetään viestin tilastollisia ominaisuuksia hyväksi poistamalla redundanssia, jolloin voidaan pienetää tarvittavaa kaistanleveyttä. Johtokoodaus Digitaalista signaalia ei yleensä kannata siirtää sellaisenaan kantataajuisena esim. pitkät, samaa bittiä sisältävät sekvenssit vaikeuttavat vastaanottimen tahdistumista. Sen vuoksi signaalit koodataan ns. johtokoodilla siirron helpottamiseksi. Johtokoodin spektri on myös otettava huomioon Kanavakoodaus Lisätään valikoiden redundanssia siirron luotettavuuden lisäämiseksi. Voidaan lisätä tarkistusbittejä tiedonsiirtoon, jolloin tiedon oikeellisuus pystytään tarkistamaan tai jopa korjaamaan virheitä. virheenilmaisevat koodit yksinkertaisimmillaan pariteettitarkistus virheenkorjaavat koodit FEC-koodit eivät tarvitse paluukanavaa ARQ:ssa virhe havaitaan ja pyydetään datan lähetys uudelleen (tarvitaan paluukanava) Menetelmän valinnassa tehdään kompromissi luotettavuuden, tehokkuuden ja monimutkaisuuden välillä 35

36 Johtokoodaus Tiedonsiirron perusteet / RR 36 Johtokoodauksen avulla muutetaan siirrettävän signaalin spektrin muoto siirtoyhteydelle sopivaksi, helpotetaan vastaanottimen tahdistumista sekä pienennetään datanopeutta siirrossa. PCM-järjestelmissä 2 Mbit/s nopeudella käytetään HDB3-koodausta kaapeliyhteyksillä. Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House

37 Yhteystyypit Teleyhteydet Kiinteästi kytketyt Valintaiset Piirikytkentäiset Pakettikytkentäiset Esim. Virtuaalikytkentäiset Paketeittain reititetyt Puhelinverkko Matkapuhelinverkko ISDN X.25 ATM LAN Internet Tiedonsiirron perusteet / RR 37 Kiinteä yhteys esim. kahden tietokoneen välinen kiinteä yhteys pitkät yhteydet helposti kalliita, kannattaa joskus suurten tietomäärien siirrossa yhteyskumppani aina sama suljettu, turvallinen Valintainen yhteys yhteyskumppanin voi valita => tarvitaan valintainformaatio esim. yleinen puhelinverkko A-tilaaja, B-tilaaja 37

38 PIIRIKYTKENTÄINEN - PAKETTIKYTKENTÄINEN Lähde: Anttalainen Tarmo, Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House Tiedonsiirron perusteet / RR 38 Piirikytkentäinen datasiirto soveltuu parhaiten vakionopeutta vaativiin sovelluksiin esim. ääni ja liikkuva kuva yhteys on avoinna koko istunnon ajan sama kapasiteetti varattuna koko ajan osoitetta ei tarvita muutoin kuin yhteyden muodostamisessa yhteyden muodostamiseen kuluu aikaa Pakettikytkentäinen siirto soveltuu purskeisen datan siirtoon siirrettävä data pätkitään paketeiksi (jotka on varustettava osoitteilla) pakettien pituus vaihtelee käytetyn tiedonsiirtoprotokollan mukaan siirtokapasiteettia kuluu osoite- ja muun ohjausinformaation lähettämiseen (overhead) siirtoon osallistuvien datapäätelaitteiden ei tarvitse käyttää samaa siirtonopeutta eikä samaa protokollaa, sillä pakettiverkko sovittaa osapuolet tarvittaessa yhteen yhteys varaa siirtokapasiteettia vain tarpeen mukaan, eikä yhteys ole koko ajan päällä yhteydellisessä pakettidatasiirrossa (virtual circuits; esim. ATM ja X.25) paketit kulkevat verkossa solmulta toiselle aina samaa reittiä yhteydettömässä pakettisiirrossa (packet by packet routing; esim. IP) pakettien reitti lähettäjältä vastaanottajalle voi vaihdella verkon kuormitustilanteiden mukaan huonona puolena pakettisiirrossa on mahdollisuus yhteyden aikaiseen ruuhkaan pakettien kulkuaika ei ole vakio 38