9. PRINCIPY VÍCENÁSOBNÉHO VYUŽITÍ PŘENOSOVÝCH CEST Modulace tvoří základ bezdrátového přenosu informací na velkou vzdálenost. V minulosti se ji využívalo v telekomunikacích při vícenásobném využití přenosových cest pomocí tzv. kmitočtového multiplexu. V součastné době se modulace používají pouze pro bezdrátový přenos informací v mobilních sítích ( GSM ) nebo v bezdrátových počítačových sítích ( Wifi ), dále pak pro přenos rozhlasu a televize. Modulace je prostředek pro transformaci signálu využívající pro přenos informace na velkou vzdálenost vysokofrekvenční elektromagnetické vlnění. Vysokofrekvenční elektromagnetická vlna samotnou informaci nepřenáší, ale slouží jako spojovací linka mezi vysílačem a přijímačem, po kterém se informace ( řeč, obraz ) přenášejí. Informaci tedy musíme do vysoko frekvenční elektromagnetické vlny určitým způsobem vložit, říká se tomu modulace. Velikost vysílací i přijímací antény by měla odpovídat pro optimální vysílání a příjem λ, λ / 2, λ / 4. C Vztah pro výpočet λ je: λ = f c.. rychlost světla ve vakuu 3*10 8 m/s f... kmitočet Používají se vysoké kmitočty, abychom nemuseli používat dlouhé antény. Přehled modulačních metod: Analogové modulace : Jako vysokofrekvenční elektromagnetická vlna se používá sinusový harmonický signál. Tomuto signálu se říká nosná vlna. Modulace se provádí v zařízení zvaném modulátor. Do modulátoru vstupují dva signály, a to nosná vlna a modulační signál. Z modulátoru vystupuje modulovaný signál vznikají tzv. modulační produkty. Průběh nosné vlny je dán vztahem: i = An * cos( wt + ϕ ) = An.cos(2πft + ϕ) i okamžitá hodnota proudu nosné vlny f kmitočet nosné vlny An. Amplituda nosné vlny ϕ.. okamžitá hodnota fáze nosné vlny 1
U analogových modulací dochází k ovlivňování parametrů nosného signálu signálem modulačním. Podle toho který parametr nosného signálu se mění, dělíme analogové modulace na: a) Amplitudovou modulaci ovlivňujeme An b) Frekvenční modulaci ovlivňujeme f c) Fázovou modulaci ovlivňujeme ϕ Amplitudová modulace ( AM ) Amplituda nosné vlny An se mění podle okamžité hodnoty amplitudy modulačního signálu Am. Amplituda i kmitočet modulačního signálu je v modulovaném signálu obsažen ve formě obálky. Hlavním parametrem amplitudové modulace je HLOUBKA MODULACE což je poměr modulačního signálu k nosnému signálu, značí se písmenem m. Vztah pro ýpočet je Am m = 100 0 Když je m > 100% dochází ke zkreslení modulačního signálu. tedy: [ ] = An 0 Většinou nepřenášíme jen jeden kmitočet, ale určité spektrum akustických kmitočtů. Amplitudová modulace se v součastné době používá pro přenos rozhlasového signálu na středních a krátkých vlnách. V minulosti se jich využívalo pro vícenásobné využití přenosových cest pomocí kmitočtového multiplexu FDM ( na jednom vedení je součastně 2
přenášeno několik hovorů, a to tak, že každý hovor byl modulován na jinou nosnou vlnu. Jako přenosového media se používalo přenosového kabelu. Nevýhodou této modulace a tímpádem i kmitočtového multiplexu spočívá v tom, že většina rušení má amplitudový charakter a protože je přenášená informace v nosné vlně vložena ve formě změny amplitudy, tak rušení způsobí změnu amplitudy modulovaného signálu a tím i změnu původně přenášené informace. Frekvenční modulace ( FM ) Modulačním signálem se ovlivňuje kmitočet nosné vlny o tzv. Frekvenční zdvih f. Frekvenční zdvih je maximální změna kmitočtu od dominantního kmitočtu tj. ( od kmitočtu nosné v době kdy není přiveden modulační signál ). Čím je větší amplituda modulačního signálu, tím je kmitočet nosné vyšší a naopak. U této modulace nezávisí na velikosti kmitočtu modulačního signálu, ale na velikosti amplitudy modulačního signálu. Při modulaci nosné vlny ať už jedním kmitočtem nebo pásmem kmitočtu vznikají rozsáhlejší postranní pásma než u amplitudové modulace, s čehož vyplívá, že je zapotřebí použít větší šířku pásma. AM B = 2*fm = 6,8 khz B = 2*( f * fm ) fm.. maximální přenášený kmitočet Frekvenční modulačí se dosahuje mnohem kvalitnějšího přenosu než u amplitudové modulace ( rušení má většinou amplitudový charakter ), ale nevýhodou je potřeba větší šířky pásma. Frekvenční modulace najde uplatnění především v přenosu rozhlasu na VKV ( 88-108Mhz ), dále pak přenos televizního signálu, analogové buňkové sítě NMT. Fázová modulace ( PM ) i = An. cos 2π Ft + ϕ Při této modulaci se mění okamžitá hodnota fáze ϕ nosného signálu v závislosti na strmosti modulačního signálu. Ke změně fáze nosného signálu dochází jenpři změně velikosti amplitudy modulačního signálu. Z toho vyplívá, že stejnosměrný signál nelze prostřednictvím fázové modulace převést. Impulzní modulace : Základem těchto modulací je odebírání vzorků z původně spojitého modulačního signálu. Vzniká tím tzv. nespojitý signál tvořený impulzy odpovídající amplitudě původního signálu. 3
Tomuto procesu se říká vzorkování, které musí probíhat v pravidelných časových intervalech tv. Doba mezi dvěma vzorky je stanovena SHANNON Kotelníkovým teorémem. 1 Vztah pro výpočet je : tv = 1 fvz = = tv 2 f max 2. f max f max maximální přenášený kmitočet Pro obnovení původního spojitého signálu musí být vzorkovací kmitočet v každém okamžiku nejméně dvojnásobně větší, než je největší přenášený kmitočet fm přenášený v původním signálu. Vzorkovací kmitočet představuje počet vzorků odebraných za 1 vteřinu. Podle způsobu vyjádření jednotlivých vzorků se impulzní modulace dělí na : a) Nekvantovanou impulzní modulaci -PAM ( pulzně amplitudová modulace ) -PSM ( pulzně šířková modulace ) -PPM ( pulzně polohová modulace ) b) Kvantovanou impulzní modulaci -PCM ( pulzně kódová modulace ) -DM ( delta modulace ) Pulzně amplitudová modulace ( PAM ) Při této modulaci dochází k odebírání vzorků s původního spojitého signálu ( proces vzorkování ) amplituda vzorku odpovídá amplitudě signálu v době vzorkování. Amplituda každého vzorku má stále analogový charakter - může nabývat nekonečného množství hodnot. Vlivem rušení při přenosu může docházet ke zkreslení těchto vzorků. Pulzně polohová modulace ( PPM ), pulzně šířková modulace ( PŠM ) U PPM se velikosti okamžité hodnoty spojitého modulačního signálu v době vzorkování neovlivňuje amplituda impulzu, ale jejich posun t vzhledem k době začátku vzorkování (jejich poloha tedy velikost amplitudy modulačního signálu je přímo úměrná době zpoždění impulzu t ). U PŠM se velikosti okamžité hodnoty spojitého signálu modulačního signálu v době vzorkování ovlivňuje šířka impulzu Ti. Princip realizace obou těchto modulací spočívá v pozorování spojitého modulačního signálu s pomocným pilovým průběhem, jehož začátek je shodný s okamžiky vzorkování. Amplituda spojitého modulačního signálu rozhoduje o proniknutí části pilového průběhu na výstup porovnávajícího zařízení následnou úpravou tohoto signálu pak vzniká PPM a PŠM. Pulzně kódová modulace ( PCM ) Jedná se o kvantovanou impulsní modulaci. Digitální telekom.systémy využívají modulaci PCM k digitalizaci analogového signálu (hovorový signál) zároveň tato modulace tvoří základ pro časový multiplex TDM- tj. v součastné době používaný systém pro vícenásobné využití přenosových cest pomocí časového sdružování jednotlivých hovorových signálu (které už musí být v digitální podobě). Výhody digitálního signálu: Vzorky vyjádřené v digitální podobě mají velkou odolnost proti rušení na přenosové cestě. Umožňují teoreticky nezkreslený přenos na libovolnou vzdálenost-po určité vzdálenosti se v opakovačích obnoví původní amplituda jednotlivých impulsů ( opakovač= zesilovač pro analogový přenos). Snadné elektrické propojování signálu. Nevýhody digitálního signálu: Při přenosu v základním pásmu se musí přenášet velmi úzké impulsy, které mají velkou šířku pásma, řešení spočívá v přeložení PCM signálu do tzv. přenosového pásma. K určitému zkreslení signálu dochází už přímo při digitalizaci signálu vlivem tzv. KVANTIZAČNÍHO ZKRESLENÍ. Proces digitalizace analogového signálu probíhá ve třech fázích : VZORKOVÁNÍ- odebírání vzorků původního spojitého signálu,čímž vzniká diskrétní signál. 4
KVANTOVÁNÍ- jednotlivé vzorky se přiřazují k určité kvantizační hladině- vzniká kvantovaná Pulzně amplitudová modulace. KÓDOVÁNÍ- jednotlivým kvantovaným vzorkům se přiřazuje digitálním vyjádřením- vzniká tak binární signál- digitální slovo o určitém počtu bitů. VZORKOVÁNÍ: Musí u PCM odpovídat Shannon-Kotelníkovému teorému tzn. musí být aspoň 2x větší než je maximální přenášený kmitočet signálu, který chceme digitalizovat. V případě digitalizace telefonního hovoru (300 3400 Hz) by měl fvz být aspoň 6800 Hz, ale v praxi se z důvodu rezervy používá kmitočet 8kHz což znamená, že se za 1 s odebere 8000 vzorků. Každých 125µs se odebírá z tel. hovoru 1 vzorek. KVANTOVÁNÍ: Možný amplitudový rozsah vzorků je rozdělen do konečného počtu kvantizačních hladin což umožňuje vyjádřit tyto hladiny jejich velikost symboly dvojkové soustavy (0,1). Vzorky se přiřazují vždy k bližší kvantizační hladině (dochází k zaokrouhlování vzorků ke vzniku kvantizačního zkreslení). Kvantizační zkreslení je tedy rozdíl mezi skutečným analogovým signálem a kvantovaným signálem. Rozeznáváme dva druhy kvantování: a) lineární: Jednotlivé kvantizační hladiny jsou od sebe stejně vzdáleny. Kvantizační zkreslení je rovno polovině kvantizačního intervalu, protože na přijímací straně se nevytváří napěťová hodnota odpovídající kvantizační hladině, ale hodnota ležící uprostřed intervalu. Toto kvantování není moc výhodné, protože vzorky s menší úrovní jsou zkresleny víc než vzorky s vyšší úrovní. b) nelineární: Velikost kvantizačních intervalů zde není konstantní tím se docílí toho, že menší vzorky budou na přijímací straně obnoveny s menší chybou neboli s menším kvantizačním zkreslením, protože v oblasti nižších hodnot napětí je více kvantizačních hladin. V telekomunikační technice se používá nelineární kvantování. KÓDOVÁNÍ: Jedná se o převod určité hodnoty napětí do dvojkového kódu. Takovýto signál má značnou odolnost proti rušení- dá se jednoduše obnovit opakovači. 5