Systémy - rozhlas, televize, mobilní komunikace (2/2);

Transkript

1 Systémy - rozhlas, televize, mobilní komunikace (2/2); Ing. Karel Ulovec, Ph.D. ČVUT, Fakulta elektrotechnická xulovec@fel.cvut.cz Tyto podklady k přednášce slouží jako pomůcka pro studenty předmětu A1B37 - Komunikace a elektronika. Žádné jiné využití (zveřejňování, kopírování, apod.) není povoleno bez projednání s autorem! 1/33 Systémy - rozhlas, televize, mobilní komunikace (2/2) Analogové systémy pro vysílání rozhlasu a televize í systémy pro vysílání rozhlasu a televize (digitální) 2/33

2 Analogové systémy pro vysílání rozhlasu a televize 3/33 Zemská analogová televize Modulace obrazový signál Negativní modulace 100 % odpovídá sync. impulsům AM s jedním částečně potlačeným postranním pásmem (VSB Vestigial Side Band), v přijímači se kompenzuje vliv filtrace postranního pásma Max. f pro obraz (jasový signál) cca 6.5 MHz systém D / 5.5 MHz systém B f c kmitočet nosné vlny pro jasový signál 8 MHz ampl. cca 13 MHz ampl. 100 % 75 % (černá) mu c / MHz (0 db) MHz (-20 db) U c +6 MHz vysílač 10 % (bílá) f c - f m max f c fc - f m min f c +f m min f f c +f m max t ampl MHz 100 % přijímač MHz 50 % f c f 4/33

3 Zemská analogová televize Modulace zvukový signál Nezávisle na obrazovém signálu FM modulace f = 50 khz, max f = 15 khz (β > 1) ampl. Mono jedna nosná vlna c f MHz systém D c f MHz systém B -13 db oproti nosné obrazu Stereo/Dual další nosná vlna c f MHz systém D c f MHz systém B -20 db oproti nosné obrazu Stereo maticový přenos (R+L a 2R) 8 MHz U c MHz f c +6.5 MHz f Identifikace S / D / M AM modulace pomocné nosné khz (117 Hz S, 274 Hz D, bez pomocné nosné M) Preemfáze na vysílací straně se podpoří vyšší f modulačního signálu Deemfáze odpovídajícím způsobem k preemfázi jsou vyšší f demodulovaného signálu zeslabeny, tím se kompenzuje nárůst šumu pro vyšší f na výstupu FM demodulátoru 5/33 Zemská analogová televize Příklad spektra reálného signálu nerovnoměrné využití spektra, max. výkon pouze v nosných vln nosná jas. sig. 2 nosné zvuk. sig. nosná barvonosného sig. 6/33

4 Zemská analogová televize Kmitočtová pásma VHF / UHF = Very / Ultra High Frequency UHF šířka TV kanálu 8 MHz, VHF 7 MHz pro systém B a 8 MHz pro systém D Pásmo Kanál - B Kmitočet - B Kanál - D Kmitočet D I. (VHF) MHz MHz MHz MHz MHz II. (VHF) (FM rozhlas) MHz MHz MHz III. (VHF) MHz MHz MHz MHz IV. (UHF) MHz MHz MHz MHz V. (VHF) MHz MHz MHz MHz 7/33 Satelitní analogová televize Výška družice cca 36 tis. km (geostacionární dráha) Typický výkon 100 až 200 W na transpondér (obvykle 16 až 32 transpondérů) Útlum šířením 206 db, zisk parabolických antén cca 40 db, vysoká směrovost antén Modulace Zvuk FM na pomocných nosných od MHz do MHz (typicky L ~ 7.02 MHz a P ~ 7.2 MHz); zdvih 30 až 400 khz (typicky 50 khz) Obraz (PAL) společně se zvukem FM Zdvih až 10 MHz, např. B = 2x x10 = 33 MHz Preemfáze / Deemfáze 8/33

5 Satelitní analogová televize Kmitočtová pásma Kmitočtová pásma S-pásmo 2 až 4 GHz C-pásmo 3.5 až 8 GHz typicky uplink 6 GHz, downlink 4 GHz Ku-pásmo 10 až 18 GHz typicky uplink 14 GHz, downlink 12 GHz Ka-pásmo 27 až 40 GHz Šířka kanálu (např. pro Ku) 27 MHz, odstup kanálů cca 15 MHz (rozlišení polarizací) Polarizace H, V, lineární (H+V), kruhová (L, P) 9/33 Analog. systémy přenosu p rozhlasového ho signálu Rozhlas FM Max. f audio = cca 15 khz; stereo, RDS => max. f = cca 50 khz Fr. zdvih 50 nebo 75 khz Kmitočty nosné vlny 87.5 až 108 MHz, šířka pásma cca 250 khz (stereo režim) Odrazy vf. signálu zkreslení stereofonie Rozhlas AM Max. f audio = cca 4.5 khz Kmitočty nosné vlny DV (148.5 až khz), SV (526.5 až khz) a KV (2.3 až 27 MHz), kanál 9 khz Úniky, proměnlivé podmínky šíření, intermodulace, rušení 10/33

6 11/33 DVB = Digital Video Broadcasting Standard pro digitální přenos TV Prvá generace vyvíjena od r Zdrojové kódování Zvuk MPEG Layer 2 (typická hodnota rychlosti datového toku po kompresi 192 kb/s) Obraz MPEG2 (typická hodnota rychlosti datového toku po kompresi 4 Mb/s DVB různé verze systému podle přenosového kanálu Satelitní DVB-S (Satellite) ETSI standard v r Nízké příkony na družici, účinné ale nelineární koncové stupně Vysoká směrovost parabolických antén, relativně velký kmitočtový prostor v satelitních pásmech Kabelový DVB-C (Cable) ETSI standard v r Kvalitní (správně přizpůsobený) kabelový spoj koaxiální kabel ale také optické vlákno Terestrický DVB-T (Terrestrial) ETSI standard v r Nejvíce rušené přenosové prostředí Uvažují se odražené signály Jediný způsob pro skutečně mobilní příjem 12/33

7 DVB vyznačení společných bloků pro -S, -C a -T DVB-C DVB-S DVB-T 13/33 DVB vnější ochranné kódování Stejné pro -S, -C a -T Reed-Solomonův kód (zkrácený cyklický kód, po bajtech) 188 vstupních a 204 výstupních bajtů, přidáno 16 kontrolních bajtů Opravit lze 8 bajtů (bez ohledu na počet chybných bitů v chybném bajtu) DVB vnitřní ochranné kódování Stejné pro -S a -T (v -C se nepoužívá) Konvoluční kód (po bitech) 2 výstupní větve z kodéru Vynecháním některých výstupních bitů (punkturováním) kódové poměry: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 nebo 7/8 (robustnost vs. nejvyšší užitečný datový tok) 14/33

8 DVB-T Kanálové kódování OFDM Módy 2K (N = 1705 nosných vln) a 8K (N = 6817 nosných vln) Ochranný interval 1/4, 1/8, 1/16 nebo 1/32 Užitečná část T u = 224 µs v módu 2K a 896 µs v módu 8K (pro šířku kanálu 8 MHz) Porovnání spektra reálného signálu DVB-T se spektrem signálu zemské analogové TV: nosná jas. sig. 2 nosné zvuk. sig. nosná barvonosného sig. 15/33 DVB-T Kanálové kódování Mapování stavy všech nosných OFDM signálu (komplexní čísla pro výpočet) Datové nosné vlny 64-QAM (nejvyšší užitečný datový tok), 16-QAM (nižší užitečný datový tok, odolnější) nebo QPSK (nejodolnější, nejnižší užitečný datový tok) Přenos obrazových, zvukových a případně doplňkových dat 1512 v módu 2K a 6048 v módu 8K (cca 89 %) Pilotní signály Nemodulované (s vyšším výkonem 16/9), 2 možné hodnoty fáze 0 a 180 st. (dle PRBS) Odhad stavu kanálu (reference fáze), AFC (frekvenční synchronizace) Nosné vlny se stálou pozicí kontinuální, 45 v módu 2K a 177 v módu 8K a nosné sloužící alternativně i jako datové nosné vlny rozptýlené či rozprostřené, pozice každá 12. a o 3 se posouvá v následujícím symbolu (~ celkem cca 10 %) TPS (Transmission Parameter Signalling) signály Modulovány DBPSK (diferenciální dvoustavová PSK) Informace o modulaci datových nosných vln, o hodnotě ochranného intervalu, o zvolené hodnotě kódového poměru konvolučního kodéru, o vysílacím módu a o číslu rámce (v jednom symbolu nesou všechny TPS vlny stejnou informaci 1 bit TPS sekvence) 17 v módu 2K a 68 v módu 8K (cca 1 %) 16/33

9 DVB-T Kanálové kódování nosné vlny 17/33 DVB-T Užitečné přenosové rychlosti v Mbit/s (8 MHz) modulace kód. poměr ochr. int. 1/4 ochr. int. 1/8 ochr. int. 1/16 ochr. int. 1/32 DVB-T kmitočty VF signálu Kanály odpovídají analogové TV: III. TV pásmo (174 až 230 MHz), IV. a V. (474 až 860 MHz) Šířka kanálu obvykle 8 MHz pro IV. a V. TV pásmo, 7 MHz pro III. TV pásmo Šířka pásma signálu např. pro 8 MHz kanál B = (N-1) f = MHz 18/33

10 DVB-S Nízké vysílací výkony (omezený příkon družice) Nepatrný vliv odrazů QPSK (nepoužívá OFDM) Protichybové zabezpečení FEC: RS a konvoluční kód jako u DVB-T Velká šířka kanálu 26 až 54 MHz, užitečný datový tok např. 40 Mbit/s (pro šířku kanálu 33 MHz) Stejná pásma jako satelitní analogová TV příklad Astra 2B [ 19/33 DVB-C Kabelový spoj vysoké kvality 16, 32, 64, 128 nebo 256-QAM (64-QAM koax, 256-QAM optické vlákno; nepoužívá OFDM) Pouze vnější ochranné RS kódování a prokládání Šířka kanálu 2, 4 nebo 8 MHz, užitečný datový tok např. 38 Mb/s (pro šířku kanálu 8 MHz a pro 64-QAM) 20/33

11 DAB (Digital Audio Broadcasting) Standard pro digitální přenos rozhlasu Vývoj dokončen v roce 1995 (stejně DVB-T) Varianty obdobně jako DVB terestrický (T-DAB) / satelitní (S-DAB) / kabelový (C-DAB) Zdrojové kódování MPEG Audio Layer 2 (vzork. kmitočet 24 nebo 48 ksa/s, bitový tok 8 až 384 (192) kb/s Cca 6 programů (každý může mít jiné protichybové zabezpečení mobilní příjem, tok 2.4 Mbit/s) Kanálové kódování Prokládání (časové i kmitočtové), konvoluční kódování s kódovým poměrem 1/4 až 4/5 (osm hodnot) OFDM DQPSK (diferenciální QPSK), jednofrekvenční sít (SFN) 4 přenosové módy Lišící se délkou rámce, počtem nosných vln a délkou ochr. intervalu (2 vhodné pro T-DAB I a II) DAB+ Doplněk ke standardu v roce 2007 Zdrojové kódování MPEG4 High Efficiency AAC v2 Vzorkovací kmitočet 16, 24, 32 nebo 48 ksa/s (při SBR 16 nebo 24 ksa/s; bez SBR 32 nebo 48 ksa/s) Až 20 programů v multiplexu 21/33 T-DAB vhodné kmitočty Jeden blok má šířku MHz III. TV pásmo: 174 až 230 MHz, na obr. např. 12. TV k. (4 bloky do TV kanálu) Určeno pro SFN, 1536 nosných vln (mód I) s odstupem 1 khz (T u = 1/ f = 1 ms) 0,160 0,176 0,176 0,176 0,160 A B C D 223, , , , f 1,536 1,536 1,536 1,536 (MHz) Pásmo L 1452 až 1492 MHz Lokální programy, 384 nosných vln (mód II) s odstupem 4 khz (T u = 1/ f = 250 µs) T-DAB 9 bloků LA až LI S-DAB 1452, , f (MHz) 22/33

12 (evropské digitální systémy pro mobilní komunikaci velkého dosahu) 23/33 GSM Global System for Mobile Communication 2. generace veřejné pozemní radiokomunikace, plně digitální systém, buňková struktura Specifikace 1990 Komunikace se spojováním okruhů (také vytáčené připojení) kanál stále přiřazen uživateli Řečový signál vzorkován 8 khz a kvantován 13 bity (datový tok 104 kbit/s) Datový tok je komprimován na 13 kbit/s Ochrana dat konvolučním kódováním a prokládáním Kódový poměr 1/2 Zakódovaný (hrubý) datový tok 22.8 kbit/s (některé skupiny bitů se nezabezpečují) Při přenosu dat a při užití konv. kódování je užitečnápřenosovárychlost (rychlost před konv. kódováním) cca 14.4 kbit/s Využívá se kombinace FDMA a TDMA dělení rádiového prostoru a FDD duplex Viz obr. na následujících blanách Modulace GMSK (speciální případ 2 stavové FSK) Šířka kanálu 200 khz Max. výkon je 2 W pro GSM900 a 1 W pro GSM /33

13 GSM FDMA, TDMA a FDD v pásmu 900 MHz duplexní odstup 45 MHz 890 MHz 915 MHz 935 MHz 960 MHz 125 nosných po 200 khz pro uplink 125 nosných po 200 khz pro downlink FDMA 124 kanálů frekvence TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 čas TDMA 8 intervalů (timeslot, TS0 až TS7) ms TDMA/FDMA celkem 992 kanálů (párů) 25/33 GSM FDMA, TDMA a FDD v pásmu 1800 MHz duplexní odstup 95 MHz 1710 MHz 1785 MHz 1805 MHz 1880 MHz 375 nosných po 200 khz pro uplink 375 nosných po 200 khz pro downlink FDMA 374 kanálů frekvence TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 čas TDMA 8 intervalů (timeslot, TS0 až TS7) ms TDMA/FDMA celkem 2992 kanálů (párů) 26/33

14 GPRS General Packet Radio Service Zásadní doplněk do GSM pro směřování mobilních sítí 2. generace ke generaci 2.5; 1997 Zprostředkovává komunikaci s paketovými datovými sítěmi (hlavně Internet) Paketově orientovaný přenos dat v sítích GSM Na rozdíl od staršího vytáčeného připojení nedochází ke stálému obsazení fyzických kanálů jedním účastníkem (v době kdy nepotřebuje přenášet data), rádiové kanály tak zůstávají k dispozici ostatním účastníkům a jsou využity dle aktuálních požadavků pro přenos paketů dat Základní idejí zvyšování přenosové rychlosti v GSM a GSM-GPRS je sdružování (původně) hovorových slotů (např. 3 až 5) Volba různých úrovní protichybového zabezpečení zdroj: Mikuláštík, K., Ulovec, K.: BKS - Laboratorní cvičení 3. GSM/UMTS Rádiové rozhraní, datové přenosy, FEL ČVUT, /33 GPRS/EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution Rozšíření GPRS (v sítí GSM, generace 2.75); 1998 Použití (také) vícestavové modulace na rádiovém rozhraní 8PSK (Phase Shift Keying fázové klíčování), dosahovaná přenosová rychlost tak může být u EDGE až trojnásobná oproti klasickému GPRS užitečné rychlosti na 1 timeslot (kb/s) CSx/MCSx - Coding Scheme/Modulation Coding Scheme zdroj: Mikuláštík, K., Ulovec, K.: BKS - Laboratorní cvičení 3. GSM/UMTS Rádiové rozhraní, datové přenosy, FEL ČVUT, Protichybového zabezpečení od žádného: CS4, resp. MCS9 do nejvíce robustního: CS1, resp. MCS1 28/33

15 ; Základní princip radiové navigace UMTS Universal Mobile Telecommunications System Bezdrátový telekomunikační systém 3. generace (evropské konsorcium 3GPP 3rd Generation Partnership Project) Specifikace 1999 Sítě UMTS mají velmi podobnou strukturu jako sítě GSM Budovány formou malých ostrůvků (velká města); uživatel UMTS, který opustí oblast sítě UMTS, může dále využívat některé ze služeb operátora v GSM síti Pouze paketový režim Možné duplexní techniky FDD nebo TDD Přístupová metoda WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access širokopásmová CDMA) Použité modulace QPSK nebo 16-QAM Šířka kanálu 5 MHz Datové rychlosti rel. 99 (1999): downlink 384 kb/s (reálně do 200 kb/s) a uplink 64 kb/s rel. 4 (2001): downlink 384 kb/s (reálně okolo 300 kb/s) a uplink 384 kb/s Teoretická maximální rychlost (při sdružování kanálů) okolo 2 Mb/s pro stacionárního uživatele, pro mobilního uživatele do 384 kb/s při chůzi a 128 kb/s při jízdě v automobilu 29/39 AD1B37 ZS ; Základní princip radiové navigace HSDPA High Speed Downlink Packet Access Označovaný jako technologie 3.5 G Modernizovaná verze UMTS rel. 5 (2002) Inovace architektury (rychlejší reakce na změnu vlastností kanálu a zpracování automatického požadavku na opakování přenosu), vylepšené rádiové rozhraní (dynamická adaptivní modulace a kódování, vícekódové operace, rychlé plánování a retransmise) Vyšší přenosové rychlosti teoreticky možné maximálně 14.4 Mb/s (na jednu buňku), efektivní rychlosti při sdílení více účastníků maximálně do 1.8 Mb/s Lepší propustnost sítě prodlevy mezi jednotlivými přenosy přibližně 150 ms HSUPA High Speed Uplink Packet Access Modernizovaná verze UMTS rel. 6 (2005) Podobné jako HSDPA ale pro uplink Vyšší přenosové rychlosti až 5.76 Mb/s HSPA High Speed Packet Access = HSDPA + HSPUA HSPA+ Modernizovaná verze UMTS rel. 7 (2007) Využití MIMO (systémy s více anténami); Modulace až 64-QAM Datové rychlosti až 42 Mb/s pro downlink a 22 Mb/s pro uplink 30/39 AD1B37 ZS

16 LTE Long Term Evolution (také E-UTRA Evolved UMTS Terrestrial Radio Access nebo E-UTRAN E-UTRA Network) Modernizovaná verze UMTS rel. 8 (2008) Stává se základem pro sítě 4. generace Charakteristiky (dle původních požadavků) Variabilní šířka pásma kanálu 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz Přenosová rychlost 100 Mb/s pro DL a 50 Mb/s pro UL v 20MHz šířce pásma, 2 vysílací a 1 přijímací anténa na mob. stanici Latence jednocestné zpoždění přenosu informace do 5 ms Funkční koexistence se staršími systémy např. handover s GSM, EDGE, HSPA do 300 ms Mobilita beze změny do 15 km/h, omezené použití i při vysokých rychlostech do 120 km/h, základní služby do rychlosti 350 km/h FEC konvoluční (turbo) kód s poměrem 1/3 Duplex FDD (FD-LTE) nebo TDD (TD-LTE) Downlink OFDMA, modulace dílčích nosných vln QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM Uplink SC-FDMA, modulace dílčích nosných vln QPSK, 16-QAM, nebo 64-QAM MIMO např. vysílací diverzita s 2 nebo 4 antény na DL, 2 na UL nebo formování svazků na DL (zaměření směru vysílání pomocí anténní řady) 31/33 Pásma UMTS Šířka Duplexní Označení pásma UL DL Šířky kanálů [MHz] pásma odstup Duplex UMTS od [MHz] do [MHz] od [MHz] do [MHz] [MHz] [MHz] 1, FDD A A A A FDD A A A A A A FDD A A A A A A FDD A A A A A A FDD A A A A FDD A A A A FDD A A A A ,9 1784,9 1844,9 1879, FDD A A A A FDD A A A A ,9 1447,9 1475,9 1495, FDD A A FDD A A A A FDD A A FDD A A FDD A A FDD A A A FDD A A A FDD A A A A ,9 1462,9 1495,9 1510, FDD A A A TDD A A A A TDD A A A TDD A A A A A A TDD A A A A A A TDD A A A A TDD A A A A TDD A A A A TDD A A A 32/33

17 Děkuji za pozornost, prosím vaše dotazy 33/33