Základy rádiové digitální komunikace. Doc. Dr. Ing. Pavel Kovář Katedra radioelektroniky K13137

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Základy rádiové digitální komunikace. Doc. Dr. Ing. Pavel Kovář Katedra radioelektroniky K13137"

Lubomír Bláha
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Základy rádiové digitální komunikace Doc. Dr. Ing. Pavel Kovář Katedra radioelektroniky K13137

2 (Shannonovo) Schéma digitálního komunikačního řetězce Modeluje zpracování informace v digitálních komunikačních systémech diskrétní sdělovací kanál spojitý sdělovací kanál zdroj zpráv kodér zdroje kodér kanálu modulátor místo určení dekodér zdroje dekodér kanálu demodulátor

3 DVB-T příklad digitálního komunikačního systému MPEG 2(4) Kodér kanálu OFDM modulátor Vysílač MPEG 2(4) Dekodér kanálu OFDM demodulátor DTV tuner Řetězový kód 1. vnější kodér Reed Solomonův kód RS (204,188) 2. vnější bytový prokladač 3. vnitřní kodér knovoluční kód s kódovou rychlostí 1/2 s možností punktování na 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 4. vnitřní bitové prokládání OFDM ortogonální frekvenční multiplex Data se vysílají na velkém množství nosných vln volených tak, aby byly navzájem ortogonální

4 Zdroj zpráv Zařízení, které generuje číslicové zprávy (data), která je třeba přenést na místo určení Počítačová data Řečový signál digitalizovaný A/D převodníkem Digitalizovaný video signál Důležité parametry zdroje zpráv Bitová rychlost - objem dat vygenerovaných za jednotku času [bit/s] (bit binary digit) Informační rychlost - množství informace vygenerovaných za jednotku času [bit/s] (bit binary unit) Redundance nadbytečná informace = rozdílu mezi velikostí dat [bit] a množství informace v těchto datech obsažené [bit]

5 Kodér zdroje Zmenšuje (komprimuje) objem dat generovaných zdrojem zpráv Způsoby kódování kanálu Bezeztrátové kódování odstranění redundantní informace, (redundantní informaci není nutno přenášet, lze ji při dekódování do zprávy znovu doplnit) Dekódovaná data jsou identická s kódovanými daty! počítačová data Ztrátové kódování odstraňuje se redundantní a irelavantní informace Dekódovaná data nejsou identická s kódovanými daty, ale je zajištěno, že vjem zůstane zachovaný! obrázky, řeč, hudba, video Irelevantní informace nepodstatné složka, není důležitá z hlediska vjemu a interpretace dat

6 Příklad redundance Ve videosignálu můžeme rozeznat dva druhy redundance: 1. Prostorovou redundanci - dva blízké body mají podobný (korelovaný jas) 2. Časová redundance po sobě jdoucí snímky jsou většinou velmi silně korelované Příklad irelevantní informace Psychovizuální vlastnosti lidského oka: Maskovací efekt lidského oka (omezená schopnost vnímání jemných detailů obrazu) Omezená citlivost na detaily v blízkosti rozhraní dílčích objektů Omezené vnímání detailů rychle se měnících partií obrazu

7 Zdrojové kódování jakostního audio signálu L R L A/D 16 bit f s = 48 khz Nekódovaný signál CD kvalita 2x16x48000= 1,536 Mbit/s 192kByte/s Kodér r MPEG1 Layer 3 (MP3) Redukce objemu dat v poměru 1:7,7 (DVB-T) Signály nejsou stejné! => ztrátov tové kódování 199 kbit/s (DVB-T) R D/A 1,536 Mbit/s Dekodér MP3 199 kbit/s

8 Příklady kódování multimediálních dat Nekódováno Bezeztrátová komprese Ztrátová komprese Audio CD 192kByte/s MP3 Statický obrázek BMP GIF TIF JPEG Video MPEG 2 MPEG 4

9 Kódování kanálu Detekce a oprava chyb při přenosu Do přenášených dat se definovaným způsobem přidá informace, která na straně přijímače slouží 1. Rozpoznání chybně přenesených dat - detekční kódy parita, kontrolní součet, CRC 2. Opravě chybně přenesených dat - korekční kódy FEC (Forward Error Correction) lineární blokové kódy konvoluční kódy řetězové kódy turbo kódy

10 Lineární blokové kódy Zdrojová slova se kódujk dují nezávisle Zdrojová data Kódová data Zdrojové slovo k -tice Kódové slovo n -tice Paritní slovo

11 Kódy s pamětí Konvoluční kódy Turbo kódy k -tice n -tice Zdrojová data Sekvenční obvod Kódová data Data jsou kódovk dována průběž ěžně.. Do kodéru vstupuje k-ticek zdrojových symbolů. Ta je v kodéru zakódov dována do n-ticen kódových symbolů. Kodér r mám paměť => zdrojové k-tice nejsou kódovány nezávisle. Rychlost kódovk r = k n dování c 0 r c 1

12 Modulátor Číslicová data signál diskrétní v čase a v amplitudě (posloupnost symbolů; ze spočetné množiny prvků (abecedy)) Rádiový kanál spojité přenosové médium (umožňuje přenášet spojitý signál) => Signál diskrétní v čase a v amplitudě je třeba převést na analogový signál patřičných vlastností. Proces se nazývá modulace.

13 Digitální modulace - představa ck { 0,1} c i =0 nebudu vysílat po dobu T s Úloha přenést binární posloupnost c k rádiovým kanálem, Řešení c i =1 zaklíčuji vysílač na dobu T s (doba trvání symbolu) c k Klíčovací signál Vysílaný signál T s 2T s 3T s 4T s 5T s 6T s 7T s 8T s 9T s 10T s 11T s 12T s t t T s 2T s 3T s 4T s 5T s 6T s 7T s 8T s 9T s 10T s 11T s 12T s = modulace OOK (On Off Keying)

14 Kapacita kanálu

15 Kanál s AWGN vstupní signál sin ( t) sdělovací kanál n( t) výstupní signál out ( ) = ( ) + ( ) s t s t n t in Spektrální výkonová hustota bílého šumu S ( ω) N0 2 ω AWGN aditivní bílý gaussovský šum aditivní - šum se přičítá bílý - konstantní spektrální výkonová hustota gaussovský - normální rozložení amplitudy SNR odstup výkonu signálu P S od výkonu šumu P N PS PS SNR = P = N N 0 2 B. B šumová šířka pásma přijímače 2

16 Kapacita kanálu Maximální množství informace, které lze přenést daným kanálem za jednotku času P C = Blog2 1+ = Blog 2 1+ SNR N0B ( ) B - šířka pásma přenášeného signálu P - výkon přenášeného signálu N 0 /2 - oboustranná spektrální výkonová hustota aditivního bílého šumu o normálním rozložení SNR - odstup signálu od šumu ve smyslu poměru výkonů Kapacita kanálu závisí na výkonu přenášeného signálu, spektrální výkonové hustotě šumu, ale také na modulační šířce pásma přenášených signálů. Maximální kapacitu C max pro daný výkon a spektrální výkonovou hustotu šumu dosáhneme pro B. C max = P N 0 1 ln 2 ( )

17 Závislost kapacity kanálu na šířce pásma N 0 C P l ln ( 2) Příklad Kapacita kanálu systému DVB-T pro SNR = 20 db (šířka pásma 7,5 MHz) N 0 B P C B.log 2 ( 1 SNR) 7,5.10 log = + = = 49,9 Mbit / s Pro SNR 20 db lze zvolit přenosovou rychlost kolem 20 Mbit/s, což je asi 40% maximální kapacity.

18 Šíření rádiových vln

19 Způsoby šíření rádiových vln Elektromagnetické vlny vyzařované vysílací anténou mohou dosáhnout přijímací anténu několika způsoby, záleží na okolním prostředí, vlnové dálce apod. Přímá vlna izotropní a homogenní prostředí, šíří se přímočaře Přízemní vlna šíří se v blízkosti zemského povrchu na rozhraní polovodivého povrchu a vzduchu a) Přímá vlna ohybová (h/λ)<1/2, kopíruje zemský povrch, tlumení závisí na ε a σ zemského povrchu b) Přízemní a přízemní odražená vlna (h/λ)>1/2 Ionosférická vlna jeden nebo vícenásobný odraz od ionosférické vrstvy Troposférická vlna příjem rozptýlené vlny v troposféře

20 Způsoby šíření rádiových vln vlna troposférická vlna přízemní přímá vlna přízemní ohybová vlna přízemní odražená vlna

21 Rádiové kmitočty a způsoby šíření Kmitočty Malé vzdálenosti den Velká vzdálenost noc Poznámka ELF 3mHz- 3kHz povrchová, šíření v zemi i mořské vodě VLF 3-30 khz povrchová, malý útlum a únik, extrémně stabilní fáze a kmitočet, velké antény LF khz povrchová, velký atmosférický šum, slabý únik MF khz povrchová, povrchová znatelný únik, spojení spolehlivé HF 3-30 MHz povrchová, vícecestné šíření, únik VHF MHz přízemní přímá a odražená přízemní přímá a odražená troposférická přízemní přímá a odražená troposférická vícecestné šíření, únik, rozptyl UHF MHz přízemní přímá a odražená přízemní přímá a odražená troposférická přízemní přímá a odražená troposférická SHF 3-30 GHz přízemní přímá a odražená přízemní přímá a odražená troposférická přízemní přímá a odražená troposférická EHF GHz přímá přímá přímá absorpce ve vodní páře a některých plynech

22 Radiokomunikační rovnice Vztah mezi dosažitelným přijímaným výkonem P dp a vysílaným výkonem P v P λ = PG G 4π R dp v v p 2 G v G p λ R zisk vysílac lací antény ny zisk přijp ijímací antény ny vlnová délka vzdálenost Zisk antény ny vyjadřuje, kolikrát t více v výkonu anténa na vyzařuje do daného směru vzhledem k izotropnímu zářiči. z i. Vyzařování izotropního zářiče Vyzařování směrové antény

23 Radiokomunikační rovnice rádiová anténa vyzařuje kulovou vlnu izotropní zářič vyzařuje do všech směrů rovnoměrně směrová anténa vyzařuje do určitého směru G v krát více než izotropní zářič ( G v - zisk antény) hustota výkonu S ve vzdálenosti R od antény o zisku G v PG v v S = 2 4π R dosažitelný výkon na zátěži přijímací antény ve volném prostoru 2 λ PG v vgp Ppd = SAe = PG v vgp = 4π R L R Vyzařování izotropního zářiče Vyzařování směrové antény A e - efektivní plocha přijímací antény 2 4π R = L λ R - útlum volného prostoru - závisí jednak na vzdálenosti a jednak na vlnové délce dosažitelný výkon na přijímací anténě ve ztrátovém prostředí, přízemní vlnou, přímou a odraženou vlnou od země... PG v vgp 2 Pdp = F LR F - činitel tlumení

Podobné dokumenty

1. Základy teorie přenosu informací

1. Základy teorie přenosu informací Úvodem citát o pojmu informace Informace je název pro obsah toho, co se vymění s vnějším světem, když se mu přizpůsobujeme a působíme na něj svým přizpůsobováním. N.