MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM 1 (17)
Multipleksointimenetelmät Usein on tarve yhdistää riippumattomista eri lähteistä tulevia signaaleja multipleksoinnin keinoin, jotta ne voidaan lähettää tehokkaammiin yhtä tiedonsiirtoyhteyttä käyttäen (esim. jokaiselle kaukoliikenteen 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. Aluksi kuitenkin tarkastellaan lyhyesti monikäyttömenetelmien perusperiaatteita multipleksoinnin perusajatuksen löytämiseksi. 2 (17)
Radiotaajuusresurssin monikäyttömenetelmät FDMA Frequency Division Multiple Access Kukin lähetin käyttää omaa kapeaa radiokanavaansa koko ajan. Esim. 1. generaation järjestelmät (NMT 450, NMT 900, AMPS) TDMA Time Division Multiple Access Kukin lähetin lähettää sille allokoidussa aikavälissä leveällä kaistalla. Esim. 2. generaation järjestelmät (GSM) CDMA Code Division Multiple Access Jokainen lähetin käyttää samaa keskitaajuutta ja samaa leveää kaistaa koko ajan. Käyttäjien erotus suoritetaan ortogonaalisten (ts. pienen ristikorrelaation omaavien) valesatunnaisten hajotuskoodien avulla. Toteutus joko DS CDMA tai FH CDMA-tekniikalla. Esim. 2. generaation IS 95 järjestelmä USA:ssa, 3. generaation WCDMA/UMTS-järjestelmät Euroopassa ja Japanissa. 3 (17)
Monikäyttömenetelmät f FDMA f TDMA 1 2 3 4 1 2 3 4 4 3 2 1 t t f CDMA 4 3 1 2 t 4 (17)
Taajuusjakomultipleksointi (FDM) Kantataajuus on tässä nollataajuuden lähistöllä Alikantoaalloilla (subcarrier) suoritetaan kantataajuisen spektrin ryhmittely taajuusorigon ympärille. Modulaatioiden ei tarvitse olla samoja (kuvassa DSB, U-SSB ja FM). Kokonaiskaistanleveys osien summa plus suojakaistojen (quardbands) vaatima osuus. Suojakaistat radiotaajuisten häiriöiden vuoksi (keskeismodulaatiot). Ryhmitelty kantataajuinen spektripaketti lähetetään varsinaisella kantoaaltomodulaattorilla kaistanpäästösignaalina joko kaapeliin tai radiotielle (suuri kantoaaltotaajuus verrattuna alikantoaaltoihin). 5 (17)
Analogisen puhelinkeskuksen FDM Vanhat lankapuhelinkeskusjärjestelmät peustuivat SSB-FDMtekniikkaan. 6 (17)
Analogisen puhelinkeskuksen FDM 7 (17)
Analogisen puhelinkeskuksen FDM 8 (17)
Mono- ja sterolähetyksen FDM Oikeasta ja vasemmasta kanavasta muodostetaan ero- ja summasignaalit. Monovastaanotossa tarvitaan vain summasignaali. 9 (17)
Mono- ja sterolähetyksen FDM Monolähetyksen sanoman kaista 15 khz ja stereolla 53 khz. FMradion huippudeviaatiolla on tietty maksimiarvo. Siksi D pienenee stereolla kertoimella 53/15=3.52 suhteessa monolähetykseen. Se ilmenee huonompana siirron laatuna, 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, 1987. 10 (17)
Kvadratuurimultipleksointi (QM) D = I = direct Q = quadrature 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. x c [ m ( t)cosω t m ( t) sinω t] ( t) = Ac 1 c + 2 11 (17) c
Kvadratuurimultipleksointi (QM) QM-periaatetta käytetään paljon tietoliikenteessä. Esimerkiksi analogiset SSB ja VSB sekä digitaaliset QPSK, OQPSK, MSK ja QAM kantoaaltomodulaatiot soveltavat sitä. Kummankin kanavan kaistanleveys on 2W DSB-modulaation tapaan, eli kokonaiskaistanleveys on 2W, jossa voidaan siirtää kaksi W- levyistä eri sanomasignaalia. Kaistankäytöntehokkuus paranee siis kertoimella 2. Ninn kävi myös SSB-modulaation tapauksessa, kun lähetettiin DSB-moduloidusti sanoma ja sen Hilbert-m. versio. Haittana on kanavien ylikuuluminen ja sanoman vaimennus, jos ilmaisukantoaallossa on vaihevirhettä. I-kanavalle saadaan: x y y r L+ ( t) 2cos( ω t DD DQ m 1 ( t) = ( t) = ( t)cos(2ω t A A c c c [ m ( t)sin(2ω t [ m ] 1( t)cosθ m2( t)sinθ [ m ( t)sinθ m ( t)cosθ ] 1 + θ ) = c A c + θ ) ( t)sinθ + L + θ )] Kvadratuurinen Q-kanava demoduloidaan kertomalla 2sin(ω c t+θ):lla. m 2 1 2 ( t)cosθ m c 2 12 (17)
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 13 (17)
Aikajakomultipleksointi (TDM) TDM/TDMA-periaatteen käyttökohteita: lankapuhelinverkkojen PCM-tekniikan toteuttaminen digitaaliset 2. generaation matkapuhelinjärjestelmät (esim. GSM) radiolinkit, satelliittitietoliikenne viranomaisverkot 14 (17)
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 24 8+1=193 bittiä. 1,544 M bit/s 96 kanavaa 672 kanavaa 4032 kanavaa 274,176 M bit/s 15 (17)
Digitaalisen puhelinverkon PCM TDM 16 (17)
Multipleksointimenetelmien vertailu FDM on yksinkertainen toteuttaa. Jos kanava on lineaarinen (ts. keskeismodulaatiota ei esiinny), haittoja on vaikea havaita. Käytännössä esiintyy epälineaarisuuksia, jotka aiheuttavat keskeismodulaatiosäröä. 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 myös koherentit ilmaisukantoaallot (ylikuulumisongelma). Jos QM ja FDM käytetään yhdessä, on keskeismodulaatiosta haittaa. 17 (17)