Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 1 (16)

MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄTFDM, TDM, CDM JA QM

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 2 (16)

Multipleksointimenetelmät

� Usein on tarve yhdistää eri lähteistä tulevia toisi staan riippumattomia signaaleja multipleksoinnin keinoin, jotta ne voidaan lähettää tehokkaammiin yhtä tiedonsiirtoyhteyttä kä yttäen (esim. jokaiselle puhelinyhteydelle ei tarvita omaa siirto kaapelia).

� Multipleksoinnissa on perusideana ryhmitellä eri lä hteistä tulevat signaalit yhdeksi “nätiksi kantataajuusspektripaket iksi”.

� Multipleksointi on hyvin läheistä sukua radiotaajuu sspektrin hallintaan liittyvän käsitteen monikäyttömenetelmä kanssa (käytännössä sama asia).

� Multipleksointi- vs. monikäyttömenetelmät (multiple-access):� taajuusjakomultipleksointi ( FDM) vs. taajuusjakomonikäyttö ( FDMA)� aikajakomultipleksointi ( TDM) vs. aikajakomonikäyttö ( TDMA)� koodijakomultipleksointi ( CDM) vs. koodijakomonikäyttö ( CDMA)� kvadratuurimultipleksointi ( QM) QDSB-modulaatiota käyttäen

� Tässä tarkastellaan lähemmin vain FDM, TDM ja QM.

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 3 (16)

Taajuusjakomultipleksointi (FDM)

� Alikantoaalloilla (subcarrier) suoritetaan kantataajuisen spektrin ryhmittely taajuusorigon ympärille . Modulaatioiden ei tarvitse olla samoja (kuvassa DSB, U-SSB ja FM). Kokonaiskaistanl eveys osien summa ja lisäksi suojakaistojen (quardbands) vaatim a osuus.

� Suojakaistat radiotaajuisten häiriöiden vuoksi (kes keismodulaatiot).

� Ryhmitelty kantataajuinen spektripaketti lähetetään varsinaisella kantoaaltomodulaattorilla kaistanpäästösignaalina j oko kaapeliin tai radiotielle (suuri kantoaaltotaajuus verrattuna ali kantoaaltoihin).

Kantataajuus onnollataajuudenympäristössä

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 4 (16)

Taajuusjakomultipleksointi (FDM)

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 5 (16)

Analogisen puhelinkeskuksen FDM� Vanhat lankapuhelinkeskusjärjestelmät peustuivat SS B-FDM-

tekniikkaan.

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 6 (16)

Analogisen puhelinkeskuksen FDM

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 7 (16)

Analogisen puhelinkeskuksen FDM

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 8 (16)

Mono- ja sterolähetyksen FDM� Oikeasta ja vasemmasta kanavasta muodostetaan ero- j a

summasignaalit.

� Monovastaanotossa tarvitaan vain summasignaali.

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 9 (16)

Mono- ja sterolähetyksen FDM� Monolähetyksen sanoman kaista 15 kHz ja stereolla 5 3 kHz. FM-

radion huippudeviaatiolla on tietty maksimiarvo kan avavälille. Siksi D pienenee stereolla kertoimella 53/15=3.52 suhtees sa monolähetykseen. Se ilmenee huonompana siirron laat una verrattuna tilanteeseen jossa sama kaista olisi all oloitu kokonaan monolähetykselle, sillä: SNR FM=3D2mn

2(PT/N0W).

� Erotuskaistan ilmaisu voidaan tehdä myös PLL-teknii kalla ja myös kohinasietoisemmin silmukan kapean LPF:n vuoksi.

Hyvä PLL-kirja: U. Manassewitsch, “Frequency Synthesizers”, Wiley, 1987.

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 10 (16)

� Käytetään kvadratuurisia kantoaaltoja samalla kantoaaltotaajuu della ja kaistalla . Ne muodostavat kaksiulottisen signaaliavaruuden kantafunktiot (vrt. i, j ja k kantavektorit kartees isessa koordinaatistossa). Niihin DSB-moduloidut informaatiot m1(t) ja m 2(t) eivät häiritse toisiaan, koska ne vaikuttavat ortog onaalisina eri dimensioissa. Multipleksoinnin purkamiseen avaimena on vastaanoton koherentit ilmaisukantoaallot kosini ja sini I/Q -tasossa.

Kvadratuurimultipleksointi (QM)

D = I = directQ = quadrature

[ ]ttmttmAtx cccc ωω sin)(cos)()( 21 +=

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 11 (16)

Kvadratuurimultipleksointi (QM)� QM-periaatetta sovelletaan paljon tietoliikenteessä. Esimerkiksi

analogiset SSB ja VSB sekä monet digitaaliset QPSK, OQPSK, MSK ja QAM kantoaaltomodulaatiot soveltavat sitä.

� Kummankin kanavan kaistanleveys on 2W DSB-modulaati olle tyypilliseen tapaan, eli kokonaiskaistanleveys on 2 W, jossa voidaan siirtää kaksi W - levyistä eri sanomasignaalia .

� Kaistankäytöntehokkuus paranee siis kertoimella 2. Niin kävi mm. SSB-modulaation tapauksessa, kun lähetettiin DSB-mo duloidusti sanoma ja sen Hilbert-m. versio samalla taajuudella .

� Haittana on kanavien ylikuuluminen ja sanoman vaimennus , jos ilmaisukantoaallossa on vaihevirhettä. I-kanavalle saadaan:

� Kvadratuurinen Q -kanava demoduloidaan kertomalla 2sin( ωωωωct+θθθθ):lla.

[ ][ ]θθ

θθθωθω

θθθω

cos)(sin)()(

sin)(cos)()(

)]2sin()()2cos()(

sin)(cos)([)cos(2)(

21

21

21

21

tmtmAty

tmtmAty

ttmttm

tmtmAttx

cDQ

cDD

cc

ccr

−=−=

+−+++−=+⋅

L

L

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 12 (16)

Aikajakomultipleksointi (TDM)� Tarvitaan näytteenotto Nyquistin teoreeman mukaisesti, sekä joku

analoginen tai digitaalinen pulssimodulaatiomenetelmä . Jos kaikilla sanomilla on sama kaistanleveys, näytteitä otetaan kustakin sanomasta vakionopeudella (T=näyteväli); muuten eri nopeudella.

� Jos esimerkiksi signaalien s 1(t), s 2(t), s 3(t) ja s 4(t) kaistanleveydet ovat W, W, 2W ja 4W, kanavassa siirtyy aikajaetusti s1s4s3s4s2s4s3s4...

∑

∑

∑

=

=

=

==

==

=

N

iiFDMTDM

N

iis

N

iis

WBB

TWBTn

TWn

1

1

1

22

2

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 13 (16)

Aikajakomultipleksointi (TDM)� TDM/TDMA-periaatteen käyttökohteita:

� lankapuhelinverkkojen PCM -tekniikan toteuttaminen� digitaaliset 2. generaation matkapuhelinjärjestelmä t (esim. GSM)� radiolinkit, satelliittitietoliikenne� viranomaisverkot

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 14 (16)

4032 kanavaa274,176 M bit/s

1,544 M bit/s

96 kanavaa

672 kanavaa

Digitaalisen puhelinverkon PCM −TDM

� Euroopassa ja USA:ssa käytössä erilaiset PCM -standardit (vrt. tilanne matkapuhelinjärjestelmissä). Alla esimerkki USA:n järjestelmästä. Signalointibitit tarvitaan synkronointia varten . Kehys 24⋅⋅⋅⋅8+1=193 bittiä.

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 15 (16)

Digitaalisen puhelinverkon PCM −TDM

Tietoliikennetekniikka I 521357A Kari Kärkkäinen Osa 22 16 (16)

Multipleksointimenetelmien vertailu� FDM on yksinkertainen toteuttaa. Jos kanava on line aarinen (ts.

keskeismodulaatiota ei esiinny), haittoja on vaikea havaita.

� Käytännössä esiintyy epälineaarisuuksia, jotka aihe uttavat keskeismodulaatiosäröä FDM:lle. Keskeismodulaatio ilmenee kanavien ylikuulumisena kantataajuudella .

� TDM-menetelmällä keskeismodulaatiota ei esiinny, koska kukin lähettäjä käyttää kanavaa vuorollaan eikä samanaika isesti.

� TDM haittana on näytteenoton järjestäminen. Suurin haitta kuitenkin on sykronismin vaatimus lähetys- ja vastaanottopään välillä.

� Koska kehyksiä ryhmitellään yhä pitemmiksi ylikehyk siksi, synkronismin totaalinen menetys aiheuttaa sen, että jopa tuhansia puheluita saattaa katketa kerralla.

� QM:n etuna on kaistankäytön tehokkuus, koska kaksi toisistaan riippumatonta lähetettä voidaan lähettää päällekkäi n samalla kaistalla.

� QM vaatii koherentit ilmaisukantoaallot ( ylikuulumisongelma ).

� Jos QM ja FDM käytetään yhdessä, on keskeismodulaat iosta haittaa.