MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM

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

MONITILAISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 18 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

LUKU 3 ANALOGISET KANTOAALTO- JA PULSSIMODULAATIOMENETELMÄT

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

LUKU 6 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

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

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

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

Kapeakaistainen signaali

521357A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN & SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

TIETOLIIKENNETEKNIIKKA I A

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA

TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN ELI SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

VAIHEKOHERENTIT BINÄÄRISET KANTOAALTOMODULAATIOT JA NIIDEN VIRHETODENNÄKÖISYYDET

521330A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA KURSSI ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TIEDONSIIRRON TEORIASTA JA TOTEUTUSMENETELMISTÄ

JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

» multiaccess channel» random access channel LAN (Ethernet) langaton. ongelma: käyttövuoron jakelu Yhteiskäyttöisen kanavan käyttö

4. MAC-alikerros. yleislähetys (broadcast) ongelma: käyttövuoron jakelu. » multiaccess channel» random access channel LAN (Ethernet) langaton

Radioamatöörikurssi 2017

nykyään käytetään esim. kaapelitelevisioverkoissa radio- ja TVohjelmien

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Piirikytkentäinen evoluutio. Annukka Kiiski

HAJASPEKTRITIETOLIIKENNE JA CDMA -TEKNIIKKA

LUKU 3 TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS

JOHDANTO TIETOLIIKENNEJÄRJESTELMIIN

Lähettimet ja vastaanottimet

Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

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

ANALOGISET PULSSIMODULAATIOT PAM, PWM JA PPM

SYMBOLIVIRHETODENNÄKÖISYYDESTÄ BITTIVIRHETODENNÄKÖISYYTEEN

Ohjelmistoradio tehtävät 4. P1: Ekvalisointi ja demodulaatio. OFDM-symbolien generoiminen

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento Informaatioteorian alkeita Tiedonsiirron perusteet

Radioamatöörikurssi 2016

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Suodatus ja näytteistys, kertaus

Luennon sisältö. Protokolla eli yhteyskäytäntö (1) Verkon topologia

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Piirikytkentäinen evoluutio

Reititys. Reititystaulukko. Virtuaalipiirin muunnostaulukko. Datasähkeverkko. virtuaalipiiriverkko. Eri verkkotekniikoita

2. Perusteoriaa signaaleista

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

2. Perusteoriaa signaaleista

521361A TIETOLIIKENNETEKNIIKKA II

SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003

Signaaliavaruuden kantoja äärellisessä ajassa a

Kanavointi ja PCM järjestelmä

BINÄÄRISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 11 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

AV-muotojen migraatiotyöpaja - ääni. KDK-pitkäaikaissäilytys seminaari / Juha Lehtonen

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

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

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

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

T DSP: GSM codec

YKSISIVUKAISTAMODULAATIO (SSB)

WIMAX-järjestelmien suorituskyvyn tutkiminen

Kanavat eivät ole enää pelkästään broadcasting käytössä Uudet palvelut kuten teräväpiirtolähetykset vaativat enemmän kapasiteettia

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

LYHYEN KANTAMAN LANGATTOMAT SIIRTOTAVAT

DIGITAALISET PULSSIMODULAATIOT M JA PCM

Alla olevassa kuvassa on millisekunnin verran äänitaajuisen signaalin aaltomuotoa. Pystyakselilla on jännite voltteina.

KAISTANLEVEYDEN JA TEHON KÄYTÖN KANNALTA OPTIMAALINEN MODULAATIO TRELLISKOODATTU MODULAATIO (TCM)

Helsinki University of Technology

Langaton tietoliikenne 1

Sanoman siirto paketteina: ei etenemisviivettä, ei jonotuksia

Digitaalinen Televisio

Kanavointi ja PCM järjestelmä. Kanavointi pakkaa yhteyksiä johdolle

Kanavan kuuntelu. Yleislähetysprotokollia ALOHA. CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Viipaloitu ALOHA. Lähetyskanavan kuuntelu (carrier sense)

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros Kirja sivut 43-93

ANALOGISET PULSSIMODULAATIOT PAM, PWM JA PPM

Satelliittipaikannus

Johdanto tieto- viestintäteknologian käyttöön: Äänitystekniikka. Vfo135 ja Vfp124 Martti Vainio

YKSISIVUKAISTAMODULAATIO (SSB)

Radioamatöörikurssi 2012

TLT-5200 Tietoliikenneteoria Tehtäväkokoelma 1 (6)

Langaton linkki. Langaton verkko. Tietoliikenteen perusteet. Sisältö. Linkkikerros. Langattoman verkon komponentit. Langattoman linkin ominaisuuksia

CSMA/CA: Satunnaisperääntyminen (Random backoff)

samankaltainen kuin Ethernetissä

Amplitudimodulaatio (AM) Esitys aikatasossa

Itseoppivan radiojärjestelmän simulointijärjestelmän kehitys, CWC:n osahanke. DI Juho Markkula

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

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

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Marko Neitola (1999) Analoginen korrelaattori WCDMA-vastaanottimessa. Diplomityö. Oulun yliopisto, Sähkötekniikan osasto, 60 s.

Tiedon koodaus signaaliin. Sinifunktio. Fourier-sarja. Esimerkki: b -kirjain. T = 8; f =1/T = 1/8 10/14/ Fysikaalinen tulkinta

Tiedon koodaus signaaliin

Peruskerros: OFDM. Fyysinen kerros: hajaspektri. Hajaspektri: toinen tapa. FHSS taajuushyppely (frequency hopping)

RADIOTAAJUUSPÄIVÄ Tuulivoimapuistojen vaikutus radiojärjestelmiin

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

Virheen kasautumislaki

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer) 5.1. Kaksipisteyhteydet. Kehysten kuljetus. Missä virhe hoidetaan? Virheet.

Laskuharjoitus 4 ( ): Tehtävien vastauksia

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Tietoliikennesignaalit & spektri

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Lisäosa 1: Verkkojen yleiset perusteet

SISÄLMYSLUETTELO QUO VADIS?... 9

Tiedon koodaus signaaliin

WLAN langaton lähiverkko (Wireless LAN) ISM. Hidden terminal -ongelma. CSMA/CA (Collision avoidance) IEEE standardi. exposed station problem:

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Transkriptio:

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)