POSTUPCI OBRADE SIGNALA - MODULACIJE I MULTIPLEKSIRANJE

Dva načina prenosa signala u osnovnom (baseband) opsegu učestanosti, tj u prirodnom (originalnom) opsegu učestanosti u kojem se signal nalazi na izlazu iz pretvarača poruka-signal. u transponovanom opsegu učestanosti – ovakav postupak prenosa podrazumeva translaciju spektra originalnog signala poruke u neko drugo (više) frekvencijsko područje, što se ostvaruje primenom nekog od postupaka modulacije.

Prenos (analognih i digitalnih) signala u osnovnom opsegu učestanosti Analogno/digitalna (A / D) konverzija signala

Prenos signala u transponovanom opsegu učestanosti Zasniva se na primeni odgovarajućih tehnika modulacije nosioca Modulacija = proces promene nekog od značajnih parametara pomoćnog determinističkog signala (nosioca) u skladu sa promenama signala poruke (modulišućeg signala) Na taj način, pomoćni signal postaje nosilac signala kojeg je potrebno preneti (nosilac poruke). Postupci modulacija omogućavaju translaciju spektra modulišućeg signala u oblast visokih učestanosti (u okolini učestanosti nosioca).

Prenos signala u transponovanom opsegu učestanosti Osnovni razlog za primenu postupaka modulacije nosioca je da se signal kojeg je potrebno preneti tako obradi da bude podesan za prenos, odnosno u cilju: prilagođenja signala na dati medijum za prenos (liniju veze), boljeg iskorišćenja medijuma za prenos - multipleksni (višekanalni) prenos, povećanja otpornosti prenošenog signala na uticaje šumova i smetnji (interferencija), povećanja spektralne efikasnosti, ostvarivanja zahtevane brzine prenosa podataka

Signali u postupku modulacije modulišući signal (ekvivalent poruke) nosilac - deterministički periodični signal (pomoćni signal koji ne sadrži nikakvu informaciju) modulisani signal (rezultat obrade) = modulišućim signalom modifikovani nosilac. Signalom koji nosi informaciju (modulišući) moduliše se (obradi, promeni) neka od karakteristika poznatog determinističkog signala (nosioca)  rezultat je modulisani signal; ta promena neke karakteristike nosioca obavlja se sklopu koji se naziva modulator. nosilac

Demodulacija Proces obrade modulisanog signala u prijemniku sa ciljem da se iz njega izdvoji modulišući signal naziva se demodulacija ili detekcija. U osnovi, to je proces koji je inverzan onome u predajniku (procesu modulacije). Dobijeni signal na izlazu iz demodulatora naziva se demodulisani signal. Modulacija i demodulacija predstavljaju, dakle, dva povezana procesa obrade signala pri njihovom prenosu kroz telekomunikacioni sistem. Sklop kojim se obavlja modulacija naziva se modulator, a sklop u kome se obavlja demodulacija demodulator. Modulator + demodulator = modem.

Klasifikacija postupaka modulacija Prema talasnom obliku nosioca Modulacije kontinualnog nosioca – nosilac je prostoperiodični deterministički signal (sin oblika), čija je učestanost mnogo puta veća od učestanosti modulišućeg signala. Sinusni signal se karakteriše svojom: amplitudom, učestanošću i faznim stavom. Modulacije impulsnog (diskretnog) nosioca – nosilac je obliku periodične povorke (uobičajeno pravougaoih) impulsa. Povorka impulsa se karakteriše: amplitudom, trajanjem i periodom ponavljanja (vremenskim položajem) impulsa.

Modulacije sa kontinualnim (sin) nosiocem 1. Analogne modulacije: modulacije nosioca analognim modulišućim signalom: AM – amplitudska modulacija FM – frekvencijska modulacija FM – fazna modulacija Digitalne modulacije modulacije nosioca digitalnim modulišućim signalom: ASK (Amplitude Shift Keying) – digitalna amplitudska modulacija FSK (Frequency Shift Keying) – digitalna frekvencijska modulacija PSK (Phase Shift Keying)– digitalna fazna modulacija QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Analogne modulacije kontinualnog nosioca   Analogne modulacije kontinualnog nosioca Tip Simbol U(t) f(t) φ(t) Zakon Amplitudska modulacija AM Uo + ΔU(t) fo ωot U(t) ~ um(t) Frekvencijska FM Uo fo+ Δf(t) ωot+ Δ φ(t) f(t) ~ um(t) Fazna ΦM φ (t) ~ um(t) nosilac modulisani signal Kod različitih tipova analognih modulacija sa sinusoidalnim nosiocem neki od parametara modulisanog signala u(t) menjaće se proporcionalno sa modulišućem signalom, um(t), kao što je to prikazano u Tabeli. Promenljive veličine ΔU(t) , Δf(t) i Δ φ(t) su trenutne devijacije amplitude, frekvencije i faze, respektivno. Sa ΔU , Δf i Δ φ se označavaju njihove maksimalne vrednosti. Trenutna učestanost nosioca

AMPLITUDSKA MODULACIJA Postoji više tipova AM : KAM – konvencionalna amplitudska modulacija DSB (Double-Sideband), odnosno AM-2BO SSB (Single-Sideband), odnosno AM-1BO VSB (Vestigial-Sideband), odnosno AM-NBO

Spektar KAM signala KAM=nosilac + AM-2BO Modulišući signal | U ( j w ) - m VBO NBO + Modulišući signal – signal koji nosi informaciju se nalazi i u gornjem i u donjem bočnom opsegu  dovoljno je preneti bilo koji od njih. Nosilac ne nosi informaciju (može se ukinuti), ali se njegovim prenošenjem olakšava demodulacija.

Spektar AM-2BO signala (DSB) Modulišući signal Modulisani signal

Modulisani signal – AM-1BO SSB AM-1BO DSB i KAM imaju spektar širine 2fm, gde je fm širina spektra modulišućeg signala  logično je da se prenosi samo jedan od bočnih opsega (donji ili gornji), jer se poruka sadrži u svakom od njih. frekvencija Modulišući signal nosilac Baseband I Fn I Modulisani signal – AM-1BO Nosilac se može i ukinuti jer ne nosi poruku

AM –NBO amplitudska modulacija sa nesimetričnim bočnim opsezima I Fn I nosilac Modulišući signal Amplitudska modulacija sa jednim bočnim opsegom, nesimetričnim delom drugog bočnog opsega i potisnutim nosiocem se primenjuje u prenosu slike. Video signal ima spektar koji ide od nekoliko (10) Herca, pa do iznad 5MHz. Potpuno odvajanje gornjeg od donjeg bočnog opsega je nemoguće zbog nesavršenosti filtra, tako da se prenosi gornji bočni opseg, ali se prenosi i jedan deo donjeg bočnog opsega. Zato će spektar modulisanog video signala zauzeti opseg od približno 6 MHz. frekvencija Baseband I Fn I Modulisani signal – AM-NBO frekvencija Baseband

Klasifikacija ugaonih modulacija na osnovu funkcionalne zavisnosti trenutne devijacije faze nosioca od modulišućeg signala, UM se mogu podeliti na: faznu i frekvencijsku Ako je trenutna devijacija faze nosioca direktno srazmerna modulišućem signalu tada se posmatrana UM naziva fazna modulacija. Ukoliko je izvod trenutne devijacije faze (kružna učestanost) nosioca direktno srazmeran(na) modulišućem signalu tada se posmatrana UM naziva frekvencijska modulacija.

FREKVENCIJSKA MODULACIJA (FM) Promena frekvencije nosioca proporcionalna trenutnoj amplitudi modulišućeg signala amplituda nosioca ostaje sve vreme nepromenjena U0 - U0 Um - Um

Primer: modulacija prostoperiodičnim (sin) signalom frekvencija Modulišući signal nosilac I FnI FM modulisani signal fm Prostoperiodični (sin) modulišući signal f0 fm Spektar FM signala sadrži beskonačno komponenata na učestanostima

Digitalne modulacije kontinualnog nosioca Tri osnovna tipa digitalnih modulacija: Digitalna amplitudska modulacija (ASK, amplitude shift keying) Digitalna frekvencijska modulacija (FSK, frequency shift keying) Digitalna fazna modulacija (PSK, phase shift keying) Različitim kombinacijama ova 3 postupka, može se dobiti veliki broj postupaka digitalnih modulacija (danas je raspoloživo preko 60 postupaka modulacija)

ASK – amplitude shift keying modulacija Najjednostavniji tip digitalnih modulacija je AM on-off keying modulacija (OOK) ili binarna ASK. vreme napon 0 V 5 V 1 binarni signal OOK signal Nosilac f0

FSK Frequency shift keying Najstariji tip modulacije koji se primenjivao za modemski prenos u tf mreži. Svaki bit (modulišućeg signala) reprezentuje se jednom od dve frekvencije: Binarnoj 0 odgovara frekvencija f1 Binarnoj 1 odgovara frekvencija f2 vreme napon 0 V 5 V 1 Binarni signal (modulišući) FSK signal

PSK Phase shift keying promena faze nosioca - u slučaju binarne PSK (BPSK), faza nosioca može biti 0 ili 180. “1” faza nosioca ostaje nepromenjena. “0” faza nosioca se menja za 180.

Primene digitalnih modulacija 1. Modemi u personalnim računarima 2. Digitalne pretplatničke linije (xDSL Digital Subscriber Lines ) 3. Digitalni mikrotalasni linkovi 4. Satelitski komunikacioni sistemi 5. Celularni sistemi ...

Vrste impulsnih modulacija Impulsna amplitudska modulacija (IAM) (PAM, pulse amplitude modulation) Impulsna položajna modulacija (IPM) (PPM, pulse position modulation) Impulsna modulacija po trajanju (ITM) ili impulsna širinska modulacija (PDM, pulse duration modulation PWM, pulse width modulation )

Impulsne modulacije se zasnivaju na diskretizaciji signala po vremenu.

IAM – impulsna amplitudska modulacija Volti vreme Diskretizacija signala po vremeu = PAM Amplituda impulsa proporcionalna vrednosti odbirka signala Volti vreme

Fiksna amplituda impulsa ITM Impulsna modulacija po trajanju ili impulsna širinska modulacija PAM Volti vreme PDM / PWM Fiksna amplituda impulsa vreme max (najveća pozitivna amplituda) min (najveća negativna amplituda

IPM Impulsna položajna modulacija PAM Volti vreme PPM Fiksno trajanje i amplituda impulsa vreme max (najveća pozitivna amplituda) min (najveća negativna amplituda

Impulsna kodna modulacija – PCM (IKM) Postupak digitalizacije signala sastoji se od 3 koraka: Odabiranje (diskretizacija) signala po vremenu (IAM) Kvantizacija (diskretizacija po amplitudi) Kodovanje kvantiziranih odbiraka (uobičajeno binarnim kodom)

DISKRETIZACIJA I KVANTIZACIJA SIGNALA Stvarne vrednosti odbiraka PO VREMENU kvantizirane vrednosti odbiraka PO AMPLITUDI (kvantizacija) Kontinulani signal može imati beskonačno mnogo različitih mogućih vrednosti amplituda. U postupku kvantizacije vrši se “zaokruživanje” stvarnih vrednosti odbiraka signala na unapred definisane kvantizacione nivoe (kojih ima konačan broj). Pošto je taj skup konačan, znači da se mogu numerisati te moguće vrednosti. Sada možemo umesto stvarnih vrednosti odbiraka prenositi cifre (brojeve koji odgovaraju kvantizacionim nivoima), ali se pokazuje nepraktično vršiti prenos cifara dekadnog brojnog sistema. U električnom smislu, mnogo je povoljnije numerisanje odbiraka ciframa binarnog brojnog sistema, jer on ima svega dva različita stanja: 0 i 1. Ovakva dva simbola u nekom električnom sistemu mogu vrlo lako da se predstave (npr. 1 - ima struje, 0 - nema struje). Na strani predaje impulsi, se zahvaljujući kvantizaciji i kodiranju mogu predstaviti u obliku 011, 001, 110, 111, 011, 101 itd. Ovakvi skupovi u nekom električnom sistemu mogu da se predstave povorkom impulsa i pauza. Ta operacija obavlja se u koderu. Broju 1 odgovara znak, a broju 0 pauza. Na taj način vrši se kodna modulacija kvantiziranih odbiraka signala u(t). Postupkom kvantizacije se već na samom početku pravi izvesna greška. Veličina te greške zavisi od broja kvantizacionih nivoa, odnosno od “finoće zaokruživanja” Kvantizacioni nivoi Greška usled kvantizacije

Kodovanje (1) Svakom kvantizacionom nivou q se dodeli niz impulsa prema nekom usvojenom pravilu koje se naziva kod Iz broja kvantizacionih nivoa potrebnog da se signal prenese uz zahtevani kvalitet q=2n, određuje se potreban broj bita n za kodovanje binarnim kodom (n = log2 q , Tb=T0/n , Vb=1/Tb = f0 n - binarni protok) Broj N u brojnom sistemu čija je osnova R može se predstaviti u obliku U binarnom brojnom sistemu (R = 2) koeficijenti ai mogu da uzmu samo jednu od dve moguće vrednosti: 0 ili 1

MULTIPLEKSNI PRENOS

Vrste multipleksiranja Frekvencijski multipleks (FDM, frequency division multiplexing) Vremenski multipleks (TDM, time division multiplexing Kodni multipleks (CDM, code division multiplexing) Multipleks po talasnim dužinama WDM(wavelength division multiplexing)

FDM – Frequency Division Multiplexing SSB – Single Side Band modulacija (AM sa jednim bočnim opsegom) Svaki od više kanala moduliše nosioce na različitim frekvencijama koje su međusobno pomerene za širinu kanala, tako da nema preklapanja njihovih spektara. Na prijemu se svaki kanal izdvaja odgovarajućim filtrom i vodi na demodulator.

Frekvencijski multipleks - telefonija Vremenski domen Frekvencijski domen

Vremenski multipleks (TDM – time division multiplexing) TDM je tehnika vremenskog multipleksiranja koja se koristi za prenos više nezavisnih signala istim frekvencijama (istim komunikacionim kanalom) u različitim vremenskim slotovima (raspodelom vremena na slotove i dodelom po jednog slota za svaki prenošeni signal). vreme Ts 2Ts Ts vreme Vremenski odbirci iz 1. kanala Vremenski odbirci iz 2. kanala TDM signal obrazovan od 2 kanala Diskretiziranjem svakog nezavisnog signala (nakon ograničavanja njihovog spektra NF filtrom) uzimaju se u tačno određenim sukcesivnim trenucima vremena njihovi odbirci, koji se u vidu impulsa prenose sistemom za prenos. Kod vremenske raspodele kanala signali različitih kanala se prenose po zajedničkoj liniji veze tako što se na nju sukcesivno i periodično, u toku nekog intervala vremena ∆t, spajaju predajni i njemu odgovarajući prijemni kanalski sklopovi koji određuju dotični kanal. Posle filtriranja NF filtrima izdvojeni signali se odabiraju (u skladu sa teoremom o odabiranju) pomoću elektronskih prekidača kojima upravljaju taktni impulsi iz generatora takta. Za rad ovoga sistema od presudne važnosti je postojanje sinhronizacije predajnog i prijemnog komutatora kako bi u određenom trenutku samo jedan prekidač bio zatvoren a svi ostali otvoreni. Zato se pored odbiraka samih signala prenosi i signal sinhronizacije.Ceo ciklus se mora obaviti unutar periode odmeravanja jer je potrebno obezbediti nailazak sledećeg odmerka od prvog signala tačno posle T0 kako bi se, prema teoremi o odmeravanju, omogućio kontinuitet radi naknadne rekonstrukcije. 1 2 3 4 Time TDM signal obrazovan od 4 kanala Blok šema TDM sistema

Kodno multipleksiranje - CDM Napredna tehnika multipleksiranja koja omogućava svim aktivnim korisnicima da emituju signale na istim frekvencijama u isto vreme. Koristi se posebno u mobilnim komunikacijama. Prednosti: veliki kapaciteti pri prenosu i skalabilnost, a osnovni nedostatak kompleksnost sistema. Zasniva se na tehnikama proširenog spektra (SS-spread spectrum): Sa frekvencijskim skakanjem (FHSS – frequency hopping spread spectrum) Sa direktnom sekvencom (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) Tehnike sa proširenim spektrom baziraju se na višestrukom proširenju opsega učestanosti u kojem se vrši prenos signala. Proširenje spektra ima nekoliko svojih prednosti. Ipak glavna prednost ovih tehnika predstavlja otpornost na šum i uskopojasne interferencije.