MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 1 (16)

Transkriptio

1 MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 1 (16)

2 Multipleksointimenetelmät Usein on tarve yhdistää eri lähteistä tulevia toisistaan riippumattomia signaaleja multipleksoinnin keinoin, jotta ne voidaan lähettää tehokkaammiin yhtä tiedonsiirtoyhteyttä käyttäen (esim. jokaiselle puhelinyhteydelle ei tarvita omaa siirtokaapelia). Multipleksoinnissa on perusideana ryhmitellä eri lähteistä tulevat signaalit yhdeksi nätiksi kantataajuusspektripaketiksi. Multipleksointi on hyvin läheistä sukua radiotaajuusspektrin hallintaan liittyvän käsitteen monikäyttömenetelmä kanssa (käytännössä sama asia). Multipleksointi- vs. monikäyttömenetelmät (multiple-access): taajuusjakomultipleksointi (FDM) vs. taajuusjakomonikäyttö (FDMA) aikajakomultipleksointi (TDM) vs. aikajakomonikäyttö (TDMA) koodijakomultipleksointi (CDM) vs. koodijakomonikäyttö (CDMA) kvadratuurimultipleksointi (QM) QDSB-modulaatiota käyttäen Tässä tarkastellaan lähemmin vain FDM, TDM ja QM. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 2 (16)

3 Taajuusjakomultipleksointi (FDM) Kantataajuus on nollataajuuden ympäristössä Alikantoaalloilla (subcarrier) suoritetaan kantataajuisen spektrin ryhmittely taajuusorigon ympärille. Modulaatioiden ei tarvitse olla samoja (kuvassa DSB, U-SSB ja FM). Kokonaiskaistanleveys osien summa ja lisäksi suojakaistojen (quardbands) vaatima osuus. Suojakaistat radiotaajuisten häiriöiden vuoksi (keskeismodulaatiot). Ryhmitelty kantataajuinen spektripaketti lähetetään varsinaisella kantoaaltomodulaattorilla kaistanpäästösignaalina joko kaapeliin tai radiotielle (suuri kantoaaltotaajuus verrattuna alikantoaaltoihin). Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 3 (16)

4 Taajuusjakomultipleksointi (FDM) Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 4 (16)

5 Analogisen puhelinkeskuksen FDM Vanhat lankapuhelinkeskusjärjestelmät peustuivat SSB-FDMtekniikkaan. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 5 (16)

6 Analogisen puhelinkeskuksen FDM Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 6 (16)

7 Analogisen puhelinkeskuksen FDM Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 7 (16)

8 Mono- ja sterolähetyksen FDM Oikeasta ja vasemmasta kanavasta muodostetaan ero- ja summasignaalit. Monovastaanotossa tarvitaan vain summasignaali. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 8 (16)

9 Mono- ja sterolähetyksen FDM Monolähetyksen sanoman kaista 15 khz ja stereolla 53 khz. FMradion huippudeviaatiolla on tietty maksimiarvo kanavavälille. Siksi D pienenee stereolla kertoimella 53/15=3.52 suhteessa monolähetykseen. Se ilmenee huonompana siirron laatuna verrattuna tilanteeseen jossa sama kaista olisi alloloitu kokonaan monolähetykselle, sillä: SNR FM =3D 2 m n2 (P T /N 0 W). Erotuskaistan ilmaisu voidaan tehdä myös PLL-tekniikalla ja myös kohinasietoisemmin silmukan kapean LPF:n vuoksi. Hyvä PLL-kirja: U. Manassewitsch, Frequency Synthesizers, Wiley, Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 22 9 (16)

10 Kvadratuurimultipleksointi (QM) D = I = direct Q = quadrature x c [ m ( t)cosω t m ( t) sinω t] ( t) = Ac 1 c + 2 Käytetään kvadratuurisia kantoaaltoja samalla kantoaaltotaajuudella ja kaistalla. Ne muodostavat kaksiulottisen signaaliavaruuden kantafunktiot (vrt. i, j ja k kantavektorit karteesisessa koordinaatistossa). Niihin DSB-moduloidut informaatiot m 1 (t) ja m 2 (t) eivät häiritse toisiaan, koska ne vaikuttavat ortogonaalisina eri dimensioissa. Multipleksoinnin purkamiseen avaimena on vastaanoton koherentit ilmaisukantoaallot kosini ja sini I/Q-tasossa. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16) c

11 Kvadratuurimultipleksointi (QM) QM-periaatetta sovelletaan paljon tietoliikenteessä. Esimerkiksi analogiset SSB ja VSB sekä monet digitaaliset QPSK, OQPSK, MSK ja QAM kantoaaltomodulaatiot soveltavat sitä. Kummankin kanavan kaistanleveys on 2W DSB-modulaatiolle tyypilliseen tapaan, eli kokonaiskaistanleveys on 2W, jossa voidaan siirtää kaksi W- levyistä eri sanomasignaalia. Kaistankäytöntehokkuus paranee siis kertoimella 2. Niin kävi mm. SSB-modulaation tapauksessa, kun lähetettiin DSB-moduloidusti sanoma ja sen Hilbert-m. versio samalla taajuudella. Haittana on kanavien ylikuuluminen ja sanoman vaimennus, jos ilmaisukantoaallossa on vaihevirhettä. I-kanavalle saadaan: x y y r ( t) 2cos( ω t L+ m DD DQ 1 ( t) = ( t) = ( t)cos(2ω t A A c c c + θ ) m ( t)cosθ m ( t)sin(2ω t [ m1 ( t)cosθ m2( t)sinθ ] [ m ( t)sinθ m ( t)cosθ ] 1 + θ ) = c A [ m c ( t)sinθ + L + θ )] Kvadratuurinen Q-kanava demoduloidaan kertomalla 2sin(ω c t+θ):lla. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16) c 2

12 Aikajakomultipleksointi (TDM) Tarvitaan näytteenotto Nyquistin teoreeman mukaisesti, sekä joku analoginen tai digitaalinen pulssimodulaatiomenetelmä. Jos kaikilla sanomilla on sama kaistanleveys, näytteitä otetaan kustakin sanomasta vakionopeudella (T=näyteväli); muuten eri nopeudella. Jos esimerkiksi signaalien s 1 (t), s 2 (t), s 3 (t) ja s 4 (t) kaistanleveydet ovat W, W, 2W ja 4W, kanavassa siirtyy aikajaetusti s 1 s 4 s 3 s 4 s 2 s 4 s 3 s 4... n n s s B = = TDM N i= 1 = 2W T i 2BT = B FDM N i= 1 = 2W T N i= 1 i W i Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16)

13 Aikajakomultipleksointi (TDM) TDM/TDMA-periaatteen käyttökohteita: lankapuhelinverkkojen PCM-tekniikan toteuttaminen digitaaliset 2. generaation matkapuhelinjärjestelmät (esim. GSM) radiolinkit, satelliittitietoliikenne viranomaisverkot Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16)

14 Digitaalisen puhelinverkon PCM TDM Euroopassa ja USA:ssa käytössä erilaiset PCM-standardit (vrt. tilanne matkapuhelinjärjestelmissä). Alla esimerkki USA:n järjestelmästä. Signalointibitit tarvitaan synkronointia varten. Kehys =193 bittiä. 1,544 M bit/s 96 kanavaa 672 kanavaa 4032 kanavaa 274,176 M bit/s Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16)

15 Digitaalisen puhelinverkon PCM TDM Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16)

16 Multipleksointimenetelmien vertailu FDM on yksinkertainen toteuttaa. Jos kanava on lineaarinen (ts. keskeismodulaatiota ei esiinny), haittoja on vaikea havaita. Käytännössä esiintyy epälineaarisuuksia, jotka aiheuttavat keskeismodulaatiosäröä FDM:lle. Keskeismodulaatio ilmenee kanavien ylikuulumisena kantataajuudella. TDM-menetelmällä keskeismodulaatiota ei esiinny, koska kukin lähettäjä käyttää kanavaa vuorollaan eikä samanaikaisesti. TDM haittana on näytteenoton järjestäminen. Suurin haitta kuitenkin on sykronismin vaatimus lähetys- ja vastaanottopään välillä. Koska kehyksiä ryhmitellään yhä pitemmiksi ylikehyksiksi, synkronismin totaalinen menetys aiheuttaa sen, että jopa tuhansia puheluita saattaa katketa kerralla. QM:n etuna on kaistankäytön tehokkuus, koska kaksi toisistaan riippumatonta lähetettä voidaan lähettää päällekkäin samalla kaistalla. QM vaatii koherentit ilmaisukantoaallot (ylikuulumisongelma). Jos QM ja FDM käytetään yhdessä, on keskeismodulaatiosta haittaa. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa (16)