LUKU 3 ANALOGISET KANTOAALTO- JA PULSSIMODULAATIOMENETELMÄT

Samankaltaiset tiedostot
LUKU 3 ANALOGISET KANTOAALTO- JA PULSSIMODULAATIOMENETELMÄT A Tietoliikennetekniikka I Osa 8 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

LUKU 3 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka I Osa 23 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

LUKU 6 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

LUKU 7 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka I Osa 30 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

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

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM

TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I A

Kapeakaistainen signaali

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

521357A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I

Radioamatöörikurssi 2016

ANALOGISET PULSSIMODULAATIOT PAM, PWM JA PPM

VAIHEKOHERENTIT BINÄÄRISET KANTOAALTOMODULAATIOT JA NIIDEN VIRHETODENNÄKÖISYYDET

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Lähettimet ja vastaanottimet

Radioamatöörikurssi 2012

ANALOGISET PULSSIMODULAATIOT PAM, PWM JA PPM

Modulaatio. f C. amplitudimodulaatio (AM) taajuusmodulaatio (FM)

Tietoliikennesignaalit & spektri

Radioamatöörikurssi 2017

LUKU 3 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 1

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

Radioamatöörikurssi 2015

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN & SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

Jaksollisen signaalin spektri

Radioamatöörikurssi 2014

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

2.2. Kulmamodulaatio

Amplitudimodulaatio (AM) Esitys aikatasossa

Luento 2. Jaksolliset signaalit

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Lähetin- ja vastaanotinelektroniikkaa Modulaatio (AM ja FM)

Radioamatöörikurssi 2013

Radioamatöörikurssi 2016

Sinin muotoinen signaali

Laitteita - Yleismittari

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Radioamatöörikurssi 2017

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN ELI SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

DIGITAALISET PULSSIMODULAATIOT M JA PCM A Tietoliikennetekniikka I Osa 21 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

2. kierros. 2. Lähipäivä

A B = 100, A = B = 0. D = 1.2. Ce (1.2 D. C (t D) 0, t < 0. t D. )} = Ae πjf D F{Π( t D )} = ADe πjf D sinc(df)

Lähetelajit. OH3TR:n radioamatöörikurssi Marjo Yli-Paavola, OH3HOC

Signaaliavaruuden kantoja äärellisessä ajassa a

YKSISIVUKAISTAMODULAATIO (SSB)

DIGITAALISET PULSSIMODULAATIOT M JA PCM

Lähettimet ja vastaanottimet

Spektri- ja signaalianalysaattorit

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

Lähettimet ja vastaanottimet. OH3NE:n radioamatöörikurssi

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

YKSISIVUKAISTAMODULAATIO (SSB)

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

S Signaalit ja järjestelmät

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

TL5231, Signaaliteoria (S2004) Matlab-harjoituksia

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA

spektri taajuus f c f c W f c f c + W

nykyään käytetään esim. kaapelitelevisioverkoissa radio- ja TVohjelmien

TRIGONOMETRISTEN FUNKTIOIDEN KUVAAJAT

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

A! Modulaatioiden luokittelu. Luento 4: Digitaaliset modulaatiokonstellaatiot, symbolijonolähetteet. ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Varauspumppu-PLL. Taulukko 1: ulostulot sisääntulojen funktiona

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento Informaatioteorian alkeita Tiedonsiirron perusteet

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

KYNNYSILMIÖ JA SILTÄ VÄLTTYMINEN KYNNYKSEN SIIRTOA (LAAJENNUSTA) HYVÄKSI KÄYTTÄEN

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ

EPÄLINEAARISET KULMAMODULAATIOT VAIHEMODULAATIO (PM) JA TAAJUUSMODULAATIO (FM)

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Luento 9. Epälineaarisuus

C 2. + U in C 1. (3 pistettä) ja jännite U C (t), kun kytkin suljetaan ajanhetkellä t = 0 (4 pistettä). Komponenttiarvot ovat

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Mekaanisiin antenneihin perustuvat radioyhteydet

12. Luento. Luento 12 Modulaatio. Oppenheim luku 8 soveltuvin osin. Koherentti ja epäkoherentti analoginen modulaatio Digitaalinen modulaatio

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

2. Perusteoriaa signaaleista

Scanned by CamScanner

Pekka Pussinen OH8HBG - oulu.fi

LABORATORIOTYÖ 2 SPEKTRIANALYSAATTORI

521361A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA II

Radioamatöörikurssi 2014 Polyteknikkojen Radiokerho OH2TI

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Radioamatöörikurssi 2018

Lasse Latva OH3HZB PRK:n radioamatöörikurssi Radiotekniikan lyhyt oppimäärä. Lasse Latva OH3HZB. Johdanto. Perusteet.

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

Kanavointi ja PCM järjestelmä

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

ELEKTRONISET TOIMINNOT

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Transkriptio:

LUKU 3 ANALOGISET KANTOAALTO- JA PULSSIMODULAATIOMENETELMÄT 1 (7)

Luku 3 Analogiset perusmodulaatiomenetelmät Modulaatiomenetelmien jaottelu Lineaariset modulaatiot Kaksisivukaistamodulaatio (DSB) Amplitudimodulaatio (AM) Yksisivukaistamodulaatio (SSB) Tynkäsivukaistamodulaatio (VSB) Väritelevision rakenne ja toiminta Taajuuden siirto ja sekoitus Superheterodynevastaanotto Kytkinmodulaattori Epälineaariset kulmamodulaatiot Kapeakaistainen kulmamodulaatio Kulmamoduloidun signaalin spektri Kulmamoduloidun signaalin teho Kulmamoduloitujen signaalien kaistanleveys Kapeakaista-leveäkaistamuunnos-tekniikka Kulmamoduloitujen signaalien demodulointi (7)

Luku 3 Analogiset perusmodulaatiomenetelmät Kantoaaltohäiriön vaikutus Häiriö lineaarisessa ja kulmamodulaatiossa Epälineaarisuudesta aiheutuva kynnysilmiö Takaisinkytketyt demodulaattorit FM-demodulointi vaihelukitulla silmukalla Taajuuskompressiivinen takaisinkytkentä Costasin vaihelukittu silmukka Analogiset pulssimodulaatiot Pulssin amplitudimodulaatio (PAM) Pulssin leveysmodulaatio (PWM) Pulssin paikkamodulaatio (PPM) Digitaaliset pulssimodulaatiot Deltamodulaatio ( M) Pulssikoodimodulaatio (PCM) 3 (7)

Luku 3 Analogiset perusmodulaatiomenetelmät Multipleksointi Monikäyttö- ja multipleksointimenetelmien samankaltaisuus Taajuusjakomultipleksointi (FM) Esimerkki analogisesta FDM-puhelinkeskustekniikasta Esimerkki stereofonisesta lähetyksestä Kvadratuurinen multipleksointi (QM) Aikajakomultipleksointi (TDM) Esimerkki digitaalisesta TDM-PCM puhelinkeskustekniikasta Multipleksointimenetelmien vertailu 4 (7)

MODULAATIOMENETELMIEN JAOTTELU 5 (7)

Modulaatiomenetelmien jaottelu Modulaatiomenetelmät Analogiset Digitaaliset Kantoaaltomodulaatiot DSB, AM, SSB, VSB, QDSB, FM, PM x Pulssimodulaatiot PAM, PWM, PPM Kantoaaltomodulaatiot ASK, PSK, FSK [ ω ] t + φ( t), ω πf ( t) = A( t)os = Kantoaaltomodulaatiossa (ontinuous wave) käytetään kosini- tai siniaaltoa, jonka amplitudia, vaihetta tai taajuutta muutetaan sanomasignaalin m(t) ohjaamana. Pulssimodulaatio perustuu näytteenottoon. Kantataajuisen pulssin joku ominaisuus tehdään riippuvaiseksi näytteen arvosta. Yleensä tarvitaan lisäksi TDM. Analogisella pulssimodulaatiolla näytteiden arvoalue on jatkuva. Digitaalisilla diskreetti (yleensä binäärinen). Pulssimodulaatiot M, PCM 6 (7)

Modulaatiomenetelmien jaottelu Kantoaaltomodulaatio mahdollistaa signaalin säteilyttämisen antennilla ja sijoittamisen sopivaan paikkaan taajuusalueessa. Lisäksi se luo robustisuutta, voimaa sietää matkalla summautuvia häiriöitä (ts. kantataajuinen signaali ei pitkälle pötki ). Digitaaliset kantoaaltomodulaatiot eivät perusteiltaan eroa oleellisesti analogisista vastineistaan. Sanomasignaali m(t) on silloin vain diskreetti (vrt. AM ASK, PM PSK, FM FSK). Jos kantoaallon hetkellinen amplitudi A(t) on lineaarisesti yksiyhteen verrannollinen sanomasignaaliin m(t) (ts. A(t)=k m(t)), puhutaan lineaarisesta modulaatiosta. Jos hetkellinen vaihe φ(t) muuttuu lineaarisesti sanoman funktiona puhutaan vaihemodulaatiosta. Jos vaiheen derivatta φ (t) muuttuu lineaariseti m(t):n funktiona kyse on taajuusmodulaatiosta. Hetkellinen kulmataajuus on ω + φ (t) (taajuus vaiheen derivaatta). Vaihekulmaan vaikuttavia vaihe- ja taajuusmodulaatioita kutsutaan myös epälineaarisiksi modulaatioiksi (informaatio epälineaarisen kosinifunktion sisällä). Kulmamodulaatioilla amplitudi on vakio. 7 (7)

Lineaarinen vs. epälineaarinen modulaatiomenetelmä Epälineaarisuus: A [ ω t + k{ m ( t) + m ( t) }] A os[ ω t + km ( t) ] + A os[ ω t km ( )] os 1 1 + t Lineaarisuus: A [ m t) + m ( t) ] osω t = A m ( t)osω t A m ( t) osω t 1 ( 1 + Tarkasti ottaen, epälineaarisiksi modulaatioiksi luetaan myös pulssimodulaatiot: PWM, PPM, M ja PCM. Tietoliikenneteoriassa yleensä oletetaan, että sanomasignaali m(t) on nollakeskiarvoinen, eli sen kantataajuisen signaalin spektrissä ei nollataajuudella esiinny diskreettiä DC-komponenttia. Biasoitunut keskiarvon ympärille t 0 f t 0 f 8 (7)

KAKSISIVUKAISTAMODULAATIO (DSB) 9 (7)

Modulaatioyhtälö: DSB:n modulaatioyhtälö ja spektri x ( t) = A m( t)osω t A määrää keskimääräisen lähetystehon. Vaihekulma φ(t)=0. Spektri: A ω X ( f ) = [ M ( f + f ) + M ( f f )], f = Kaista: W Hz π USB = ylempi sivukaista LSB = alempi sivukaista USB LSB LSB USB suodatetaan pois näkyy ilmaisun jälkeen suodatetaan pois 10 (7)

DSB:n demodulaatio koherentilla ilmaisulla Koska os (ω t)>0, d(t)>0, jos m(t)>0, ja d(t)<0, jos m(t)<0. d( t) = A d( t) = A m( t) + 1 os ( x ) = + [ m( t)osω t] osω t A m( t)osω t [ 1 os(x) ] kantoaaltokomponentti rikkoontuu tässä Alipäästösuodatinta sanotaan jälki-ilmaisusuodattimeksi. Se poistaa toisen harmoonisen ja kohinaa. Sen BW = W. Kaikki teho on informaatiota välittävissä sivukaistoissa, joten DSB:n tehokkuus on 100%. Koherentti (synkroninen) modulaatiomenetelmä, koska tarvitsee vaihekoherentin ilmaisukantoaallon. 11 (7)

x DSB:n vaihevirhe ja ilmaisukantoaallon generointi Epäkoherenttius aiheuttaa (θ(t) ajasta riippuva vaihevirhe): Jos θ(t)=vakio, seuraa vaimennusta. Jos riippu ajasta, seuraa säröä. Koherentti ilmaisukantoaalto saadaan esim. neliöimällä signaali x r (t): r ( t) = A m ( t)os [ ω t θ ( )] d( t) = A m( t)osθ ( t) + A m( t)os + t y D ( t) = m( t)osθ ( t) 1 1 ωt = A m ( t) + A m ( t)os ω t Taajuuskomponentti ω erotetaan kapealla BPF:llä, joka jaetaan taajuusjakajassa kahdella ilmaisukantoaallon muodostamiseksi. DSB:n spektristä (Fig. 3.1) nähdään, ettei signaali sisällä diskreettiä taajuuskomponenttia ±ω :lla, ellei m(t):lla ole DC-komponenttia kantataajuudella. DSB on tukahdutetun kantoaallon järjestelmä. Jos kantoaaltokomponentti on mukana, ilmaisin yksinkertaistuu. Kantoaalto erotetaan kaistanpäästösuodattimella (ei siis tarvitse käyttää yllä esitettyä neliöintimenettelyä tai PLL-tekniikkaa). Jos DCkomp. on hyvin suuri, päädytään AM-modulaatioon (verhokäyräilm.). 1 (7)

Koherentin ilmaisukantoaallon generointi neliöimällä Neliöintiperiaatetta voidaan soveltaa muuallakin kuin vain DSBilmaisussa. Esim. AM-modulaation neliölaki-ilmaisu. 13 (7)

AMPLITUDIMODULAATIO (AM) 14 (7)

AM:n modulaatioyhtälö ja sen suhde DSB-modulaatioon Jos sanomasignaalin DC-taso on riittävän suuri, on moduloidun signaalin kantoaaltokomponentti riittävän voimakas, jolloin voidaan välttyä koherentin kantoaallon generointivaatimukselta. Päädytään AM-modulaatioon. AM- ja DSB-modulaatiot ovat siis lähisukulaisia. DSB-modulaatioon verrattuna tarvitaan vain biastason A lisäys. Siksi syntyy uusi suunnitteluparametri, modulaatioindeksi a. Vastaanotin voidaan toteuttaa yksinkertaisesti verhokäyräilmaisinperiaatteella tarvitsematta koherenttia ilmaisua, koska moduloidulla signaalilla on verhokäyrässä kulkevan sanoman m(t) alla jatkuva kantoaaltokomponentti. AM on siksi halpa toteuttaa. Ensimmäiset radiot olivat AM-radioita medium frequeny (MF) -alueella. x ( t) = ' [ A + m( t) ] A osω t = A [ 1+ am ( t) ] osω t x ( t) = A + [ 1 am ( t) ] osω t n n m( t) min m( t) m = min m( t) A ' n( t) =, a =, A AA 15 (7)

Amplitudimodulaattori Jos A [1+a m n (t)] negatiivinen, syntyy säröä. Siksi A:n oltava riittävän suuri, jotta a 1. Siksi min{a [1+a m n (t)]}=0, kun a=1. 16 (7)

Amplitudimodulaation spektrikomponentit AM-modulaation kaistanleveys on sama kuin DSB:llä, eli W. Tätä ei DSB:llä Jos lähetettäisiin pelkkää kantoaaltoa, spektrissä ei näkyisi sivukaistoja, vaan pelkkä kantoaaltokomponentti. 17 (7)

Amplitudidemodulaatio verhokäyräilmaisimella Toiminta: C latautuu nousevalla jaksolla diodin kautta. Laskevalla osalla diodi menee estotilaan ja varaus purkautuu vastuksen kautta. Purkautumisajan eli aikavakion pitää olla sellainen, että seuraavan jakson huippujännite on sama kuin edellisen jakson purkautunut jännitearvo kondensaattorissa. Passiiviset komponentit on mitoitettava näppituntumalla, kun sanoman kaistanleveys W ja kantoaaltotaajuus f tunnetaan. 18 (7)

Amplitudidemodulaatio verhokäyräilmaisimella Tyypillisesti f > 10W. Alla esimerkkejä huonosta RC-aikavakion mitoituksesta. Ilmaisinpiiri on halpa, mikä on AM-menetelmän etu. 19 (7)

Amplitudimodulaation sivukaistat Mitä ihmettä DSB:n ja AM:n yhteydessä aina esiintyvät sivukaistat oikein pohjimmiltaan ovat (teekkarin sikahyvä kysymys)? Yksinkertaisin mahdollinen sanomasignaali m(t) on kosinisignaali. Sille erisuuntiin pyörivät osoittimet muodostavat USB:n ja LSB:n. Jos kyseessä on AM, niin myös kantoaaltokomponentit ±ω esiintyvät. DSB:llä niitä ei ole, sillä DSB-moduloidulla signaalilla ei ole allaan vaiherikkoutumatonta kosiniaaltoa, vaan pätkiä siitä. 0 (7)

Amplitudimodulaation sivukaistat Huom! DSB-modulaation LSB ja DSB sisältävät saman informaation tavallaan kahteen kertaan. 1 (7)

AM & DSB & niiden sivukaistat sanoma kantoaalto AM-modulaatio DSB-modulaatio Kuvista nähdään havainnollisesti AM:n ja DSB:n ero sekä aikaettä taajuusalueissa. DSB ja AM ovat siis lähisukulaisia. USB LSB (7)

Amplitudimodulaation tehokkuus (hyötysuhde) Kaikki informaatio on sivukaistoissa. Kantoaaltokomponentti edustaa informaation siirron kannalta hukkatehoa, vaikka se onkin välttämätön verhokäyräilmaisimen toteuttamiseksi. DSB:n tehokkuus on 100%. Seuraavaksi lasketaan AM-modulaation tehokkuus (hyötysuhde) E ff (< > = integroitu aikakeskiarvo; oletetaan että nollakeskiarvoinen m(t) muuttuu hitaasti kantoaaltoon nähden). x ( t) = A 1+ am ( t) os ω x 1 ( t) A x ( t) = + [ ] t a mn ( t) E ff = 1+ a mn ( t) Tehokkuus on sivukaistojen osuus kokonaislähetystehosta. Sakara-aallolla < m n (t)>=1, ja kun a=1, E ff =1/(1+1)=50%. Kosiniaallolla < m n (t)>=0.5, ja kun a=1, E ff =0.5/(1+0.5)=33.3%. n [ 1 ( ) ( )] + am t a m t = A n + A a m n ( t) n 3 (7)

AM:n modulaatioindeksin a vaikutus a ei saa olla liian suuri, eli min{a [1+ a m n (t)]}=0, kun a=1. A [1+am n (t)] oltava aina 0, joten a:n oltava 1. Siis biasjännitteen A oltava riittävän suuri säröytymisen estämiseksi. Tällaista tilannetta ei saa syntyä (a>1). 4 (7)

Esimerkki amplitudimodulaatiosta 5 (7)

Esimerkki amplitudimodulaatiosta 1 os( α)os( β ) = 1 sin( α)sin( β ) = 1 sin( α)os( β ) = [ os( α β ) + os( α + β )] [ os( α β ) os( α + β )] [ sin( α β ) + sin( α + β )] 6 (7)

Esimerkki amplitudimodulaatiosta Tehtävä voitiin ratkaista kätevästi ilman, että tarvitsi laskea Fourier-sarjan kertoimia. Se onnistui, sillä lähtösignaali m(t) oli sopiva. Tulokseksi saatiin kosinisignaaleja eri taajuuksilla. Vaihespektri saadaan signaalien vaihekulmista. Jos piirrettäisiin yksipuoleinen amplitudispektri, spektrin arvot pitäisi kertoa kahdella. Vaihespekriin arvoon yksipuoleisuus ei vaikuta. LSB USB Selvästi nähdään, että amplitudispektri on parillinen funktio ja vaihespektri pariton funktio. Amplitudispektristä nähdään, että kantoaaltokomponentin lisäksi esiintyy sanomasignaalin kahdesta komponentista muodostuvat ylempi ja alempi sivukaista. LSB ja USB sisältävät täsmälleen saman Informaation, eli periaatteessa toinen riittäisi m(t):n lähettämiseksi. SSB-modulaatiossa tuota ominaisuutta käytetään hyväksi. 7 (7)