Kommunikációs rendszerek

1. A kommunikációban használt fontosabb fogalmak

Sávszélesség A legtöbb elektromos áramkör frekvencia-függően viselkedik. Ha az áramkör bemenetére adott jel frek-venciáját változtatjuk, miközben nagysága változatlan marad, a kimenő jel gyorsan csökken, ha a bemenő jel egy bizonyos frekvencia alá, illetve valamely frekvencia fölé kerül.

Sávszélesség BW=f2-f1

Sávszélesség A sávszélességet az f2-f1 különbséggel definiáljuk, ahol f1 az alsó és f2 az ún. felső határfrekvancia. Ezekben a pontokban a kimenő jel a maximális érték felére esik vissza. Meghatározza az információtovábbítás sebességét

Csillapítás Valamely elektronikus alkatrész, vagy adatátviteli összeköttetés kimenetén a jel amplitúdója kisebb, mint a bemenetén. Definíció szerint a csillapítás a kimenő és a bemenő teljesítmény hányadosa. A csillapítást az áramkörök belsejében levő veszteségek okozzák

A decibel-skála A kommunikációs rendszerekben az erősítést és a csillapítást decibelben adják meg. A decibel (dB) definíció szerint a két teljesítmény hányadosának a logaritmusa (*10). (Az emberi érzékszerveknek megfelelő skála – antropomorf, pl. kétszer akkora hangszóró teljesítmény csak 3dB növekedést okoz, amit épp hogy csak érzékelünk.) dB=10log10P1/P2 ; Pl: P1/P2 = 106  60 dB

Zaj Minden olyan jelet, ami nem része az információ-nak a kommunikációs összeköttetésben zajnak tekintünk. A zaj forrása lehet: természetes eredetű (Nap, a kozmikus sugárzás), mesterséges, valamilyen emberi tevékenység, keletkezhet zaj magában a rendszerben is, pl. az ellenállások, vagy a félvezetők termikus zaja. A zaj erősen befolyásolja a kommunikációs rend-szer információátvivő képességét.

Jel/zaj viszony A kommunikációs rendszerekben nem a zaj abszolút értéke, hanem annak a hasznos jel teljesítményéhez való viszonya a döntő tényező. Ezért hasznos definiálni a jel/zaj viszony-számot, ami a jel és a zaj teljesítményének a hányadosa Szintén decibelben fejezzük ki. Példa: Bay Zoltán, 1946 hold-echo kísérlet

Moduláció A folyamatos szinuszhullám nem hordoz információt. Hogy közölhessünk vele valamit, egy infor-mációt hordozó hullámot kell rá ültetnünk. Ezt a folyamatot nevezzük modulációnak, magát a szinuszhulámot pedig vivőnek.

Miért van szükség a vivőre? Hogy az elektromágneses hullámokat megfelelő hatásfokkal sugározhassuk, az adó antenna mérete a hullámhossz fele, vagy negyede kell hogy legyen: pl. 3000Hz-es hangfrekvencia esetén 25 km. Az egymáshoz közel levő rádióadóknak más-más vivőfrekvenciát kell használniuk.

Elektromágneses spektrum - szolgáltatások

2. Analóg modulációs rendszerek

Amplitúdómoduláció (AM) A vivő amplitúdóját változtatjuk az átvinni kívánt információnak megfelelően (1906)

AM

AM A moduláló jel: m(t) = M∙cos(mt) A vivő jel: c(t) = C∙cos(ct) AM: m(t) + C, így a modulált jel: y(t) = (C+M∙cos(mt))∙cos(ct) De: cos∙cos = ½(cos(+) + cos(-)) y(t) = C∙cos(ct) + M/2∙(cos(c + m)t) + M/2∙(cos(c - m)t)

AM – DSB A jel teljesítménye megoszlik a vivőfrekvenciás összetevő és a két oldalsáv között (Double Sideband); középhullámú rádió: 4,5kHz Csak a teljesítmény egynegyede hasznos, hordoz infor-mációt. Hatékonyság növelése DSSC (suppressed carrier) SSB (single sideband); pl. amatőr rádiózás

Frekvenciamoduláció Az információt a vivő pillanatnyi frekven-ciája hordozza (1935)

FM

FM Az FM jel spektrumában a vivőfrekvencia mellett végtelen számú frekvenciakomponens jelenik meg. A magasabb rendű komponensek nyugodtan elhanyagol-hatók, mivel amplitúdójuk már nagyon kicsi.

FM Az FM adók 100MHz környékén működnek „high-fidelity”: 15 kHz felső moduláló frekvencia Nagyobb sávszélességű (0,2MHz) Kevésbé érzékeny a zajokra Az adó hatásfoka jobb

3. Digitális és hibrid modulációs rendszerek

Shift keying Két (vagy több) érték közötti kapcsolga-tás: „váltó billentyűzés” ASK (amplitúdó) FSK (frekvencia) PSK (fázis)

Amplitude Shift Keying (ASK) A legegyszerűbb formája az amplitúdó ki-be kapcsolgatása Morze szikra-távíró Ma már szinte sehol sem alkalmazzák

Frequency Shift Keying (FSK) Az információt a modulált vivő pillanatnyi frekvenciája hordozza. 1962, AT&T: az első kereskedelmi forgalomba került modem (300 bit/s); hamarosan átálltak PSK-ra Egyszerű előállítani és detektálni Érzéketlen a csatornában bekövetkező amplitúdó változásokra Pl: GSM

Phase Shift Keying (PSK) Az információt a modulált vivő pillanatnyi fázisa hordozza. Koherens PSK: demoduláció a vevőben előállított vivővel való összehasonlítás alapján történik.

DPSK Differenciális PSK: a fázisváltozás hordoz-za az információt

PSK változatok Bináris PSK: a két állapot akkor különböztethető meg a legjobban, ha egymáshoz képest 180°-os a fáziseltérés. Kvadratura PSK (QPSK): 4 fázis, egy fázisszög két bitet reprezentál 8-PSK: 8 fázis, egy fázisszög három bitet repre-zentál Több mint 8 fázis esetén már túl nagy lenne a hibaarány

PSK alkalmazások Vezeték nélküli LAN: számos különböző PSK-t használ az adatsebességtől függően Vezeték nélküli PAN Bluetooth: szintén többfélét használ, pl. 8-DPSK ZigBee (egyszerűbb, olcsóbb, mint a Bluetooth): pl. BPSK

Pulzus modulációk Digitális – analóg hibrid technika Szabályos időközönként mintát veszünk a jelből

Pulse Amplitude Modulation (PAM) Az analóg jel mintavételezésével impulzusok sorozatát kapjuk. A pulzusok nagysága megfelel az analóg jel mintavételezés időpontjában felvett értékének. Az analóg jel helyett ezeket az impulzusokat továbbítják Napjainkban gyakorlati alkalmazása nincs Érzékeny a zajokra

PAM

Pulse Code Modulation (PCM) A PAM minta amplitúdójához egy számértéket rendelünk Analóg jel digitális reprezentációja Mintavételezés Kvantálás Felhasználás Digitális telefonrendszerek Digitális hang Digitális videó

Mintavételezés- kvantálás

PCM – digitalizálás Telefon: 8kHz; 8 bit  64 kbit/s (Nyquist kritérium) DPCM (differenciális): Két egymást követő érték különbségét kódolja. Csökken a szükséges bitek száma Akkor a legelőnyösebb, ha nagy a korreláció az egymást követő minták között (pl. kép) ADPCM (adaptív): változtatják a kvantálás finomságát (pl. Voice over IP)

PCM – a bitfolyam kódolása (alapsávi átvitelnél) Non-return-to-zero (NRZ) RS-232 Számítógépen belüli jelek Return-to-zero (RZ) (szinkronizálás) Manchester kódolás (pl. Ethernet)

Egyéb pulzus modulációk PWM (szélesség): a pulzusok szélessége felel meg az analóg jel amplitúdójának; felhasználás pl. teljesítmény-, feszültség-szabályzás PPM (pozíció): az információt a pulzusok közötti idő kódolja; ritka, pl. járművek rádiós vezérlése PDM (sűrűség), más néven PFM: a pulzusok sűrűsége felel meg az analóg kel amplitúdójának

PCM vs analóg moduláció Nagy távolságú átvitelnél az ismétlőállomásokon lehetséges a jel regenerálása Kedvezőbb kimeneti jel/zaj viszony A legváltozatosabb jelfajták átvitelére is fel lehet használni Digitális áramkörök alkalmazása: olcsóbb, meg-bízhatóbb Forrás kódolás: titkosítás, hibafelismerés, hiba-javítás lehetséges (www.mindentudas.hu/gyorfi) Bonyolultabb

Multiplex rendszerek Több üzenet egyidejű átvitele egy adott csatornán Frekvenciaosztásos (FDM – Frequency Division Multiplex) Időosztásos (TDM – Time Division Multiplex)

Frekvencia-multiplexelés Különböző frekvenciájú vivők (rádió, TV) Telefon: 1910, a mai digitális rendszerekben TDM

Idő-multiplexelés Pl: GSM A 2. Világháború során fejlesztették ki Churchill és Roosevelt közötti rádiókapcsolat titkosítására.

4. Telekommunikáció

A kommunikáció fejlődése

Rádió

Rádió története Nicola Tesla 1893; Guglielmo Marconi, Alexander Popov 1895; AM, 1920 FM, 1933 Signal Hill, itt fogta Marconi az első transz-atlanti üzenetet 1901-ben

AM rádió Hosszú, közép (530–1620 kHz) és rövidhullám Nappal a föld felszínéhez közel terjedve néhány 100km-re jutnak el Éjjel az ionoszféra visszaveri a hullámokat, így sokkal messzebbről is hallhatók. Érzékeny a légköri zavarokra

FM rádió VHF (URH): 100 MHz körül Sztereo kompatibilisnek kell lennie a mono vevőkkel M=(L+R)/2 és S=(L-R)/2 sugárzása Mono vétel: csak M; sztereo vétel: L=M+S, R=M-S, A moduláló jel a következő összetevőkből áll: M, 50Hz-15kHz S ráültetve egy 38kHz-es segédvivőre (AM) egy 19kHz-es referenciajel a demodulálás számára

Televízió PAL: 625-sor/50Hz 50 félkép másodpercenként (interlace) Kép: negatív amplitúdó moduláció Hang: FM

Telefon Emberi hang átvitele: 300Hz - 3400Hz Analóg rendszerben FDM Modem (modulátor/demodulátor) számítógép felől érkező digitális információnak megfelelő analóg jelet kell előállítania, a túloldalon ezt a műveletet fordítva is el kell végeznie nem AD/DA átalakítás Fázismoduláció Digitális telefonközpontok (PCM)

Digitális előfizetői vonal - DSL Digital Subscriber Line (1988) Közönséges telefonvonalon lehetővé teszi a digitális kommunikációt a hangszolgáltatás zavarása nélkül (3400Hz felett) Üzleti megfontolásból (kábel TV konkurencia) csak a 90-es évek végétől terjedt el ADSL2+: 20 Mbit/s, 2km (Asymmetric)

ADSL PSTN: Public Switched Telephone Network- nyilvános kapcsolt telefohálózatból FDM (frekvencia multiplexelés): a két sáv további 4,3 kHz-es csatornákra van osztva. Moduláció: pl. PSK. Ha valamelyik frekvenciasávban a jel/zaj viszony nem megfelelő, akkor azt nem használja, így csökken a sebesség.

Analóg telefonhálózat

ISDN Integrated Services Digital Network — integrált szolgáltatású digitális hálózat Digitális bitcső, időosztásos multiplexeléssel felosztják több független csatornára Csatornák A 4 kHz-es analóg telefoncsatorna. B 64 kbit/s-os PCM csatorna hang és adatátviteli célokra. Csupán adattovábbításra használható. A hibajavítás a felsőbb rétegek feladata. C 8 kbit/s vagy 16 kbit/s sebességű digitális csatorna. D 16 kbit/s vagy 64 kbit/s sebességű csatorna a sávon kívüli jelzésekhez. Ezen keresztül történik meg a híváskérések üzeneteinek az elküldése. E 64 kbit/s sebességű digitális csatorna a sávon belüli jelzésekhez. H 384 kbit/s, 1536 kbit/s, illetve 1920 kbit/s sebességű digitális csatorna. Alapsebességű hálózat, amelyben kettő B és egy D csatornát alakítottak ki.

Mobilhálózat Cellás felépítésű Minden cellában a telefonokkal egy rádiófrekvenciás adó-vevő antenna (bázisállomás) tartja a kapcsolatot. A cellák alakja elméletileg hatszög Az egymáshoz közeli cellákban más a vivőfrekvencia Frekvencia újrahasznosítás Mivel minden cellában több telefon tartózkodik, ezért a frekvenciasávot kisebb részekre, csatornákra osztják. Minden telefon egy csatornán keresztül képes kommu-nikálni a bázisállomással. A cellák közötti csatornakiosztás lehet statikus, dinamikus.

Cellák logikai felépítése

GSM - Global System for Mobile Communications A legelterjedtebb mobiltelefon szabvány (2. ge-nerációs) A jelzés és a beszédcsatornák is digitálisak (FSK) Short message service tárol-és-továbbít elv (store-and-forward) ún. best-effort kézbesítés (nem garantált) 900MHz: 124 vivőfrekvencia (200kHZ-enként), egyenként 8 beszédcsatornával (TDM) Subscriber Identity Module

GSM cellaméretek Makrocellák: max. 35 km Mikrocellákat: antenna az átlag tetőszint alatt (nagyvárosok központjaiban). Pikocellák: néhány 10 m, főleg épületen belül Esernyő cellák: az árnyékol, vagy lefedet-len területeket töltik ki