Úvod do modulací a linkových kódů

1.1 Informace, zpráva a signál

Potřeba člověka dorozumět se (přenášet určitou informaci) na větší vzdálenost, než na jakou mu to umožňují jeho smysly, daly vzniknout oboru, který dnes nazýváme telekomunikace. Vzhledem k rostoucím nárokům na objem a rychlost přenášených informací, se postupně zdokonalovaly izpůsoby vzdáleného dorozumívání.

---

---

E=m·c2
Každá zpráva se skládá z jednotlivých prvků neboli elementů (typicky písmena, číslice, apod.). Tyto elementy tvoří tzv. abecedu zdroje zpráv. Abeceda může být omezená, pokud obsahuje pouze konečný počet elementů, nebo může být neomezená, pokud má počet elementů neomezený. Vpřípadě, že máme k dispozici neomezený počet elementů, jsme schopni vytvořit spojitou zprávu (analogovou). V opačném případě můžeme vytvářet pouze zprávu nespojitou (diskrétní).

---

---

Volba formy signálu (akustický, optický, elektrický) musí korespondovat s prostředím, ve kterém se signál má šířit. Např. optický signál je vhodný pro přenos pomocí optického vlákna, apod. Signály lze rozdělovat na:

• Signál spojitý (analogový) – tedy takový, který vyjadřuje zprávu pomocí neomezeného počtu hodnot určité fyzikální veličiny (například amplitudy).
• Signál nespojitý (diskrétní) – takovýto signál je nespojitý buď v čase, nebo v amplitudě, případně je nespojitý v čase i amplitudě.
• Signál číslicový (digitální) – je speciálním případem signálu nespojitého, který vyjadřuje zprávu pomocí omezeného počtu hodnot – signálových stavů (například pouze pomocí dvou).

Doby, kdy se pro přenos zprávy využívalo třeba kouřových signálů a ohně obecně, jsou nenávratně pryč. Vdnešní době se vzdálené dorozumívání uskutečňuje výhradně prostřednictvím tzv. sítí elektronických komunikací, diskrétních zpráv a číslicových signálů.

1.2 Digitální signál a jeho přenos

Před vlastním přenosem zprávy je nutné vytvořit jednoznačný vztah (přiřazení) mezi jednotlivými elementy zprávy a konkrétní hodnotou fyzikálního parametru signálu. Tento proces přiřazení nazýváme kódování zprávy. Opačný postup na straně příjemce zprávy nazýváme dekódování zprávy.

---

Pro lepší představu. Tvoří-li elementy zprávy písmena A, B, C, atd., lze kódování přiřadit jednotlivým elementům amplitudu napětí signálu +1 V, +2 V, +3 V, atd. Přiřazovat lze ale i například frekvenci, délku impulsu, šířku impulsu, apod. Vdnešním světě výpočetní techniky se procesem kódování přiřazují jednotlivým elementům zdroje zpráv určité sekvence, skládající se z logických 0 a logických 1.

Kódovaná zpráva však nemusí být stále vhodná pro dálkový přenos. Například amplituda signálu může být negativně ovlivněna útlumem přenosové cesty, a tedy příjem zprávy nemusí být bezchybný. Je proto vhodné dále upravit přenášený signál s ohledem na konkrétní parametry přenosové cesty.

Při přenosu digitálního signálu máme dvě možnosti jak přizpůsobit (upravit) signál s ohledem na parametry přenosové cesty. Rozlišujeme:

• Přenos vzákladním pásmu prostřednictvím linkového kódu (např. AMI, HDB3, atd.).
• Přenos v přeloženém pásmu prostřednictvím modulace (např. ASK, QAM, OFDM).

Digitální signál je obecně charakterizován svou přenosovou rychlostí. Požadovaná přenosová rychlost závisí na počtu stavů digitálního signálu a rychlosti změn těchto stavů – tzv. modulační rychlost. Je zřejmé, že čím více stavů bude digitální signál nabývat a čím rychleji bude možné tyto stavy měnit, tím vyšší přenosovou rychlost dosáhneme a přeneseme větší množství zpráv za jednotku času. Zvyšovat oba uvedené parametry však nemůžeme libovolně. Při přenosech jsme limitováni parametry přenosového kanálu. Především pak šířkou kmitočtového pásma a rušením, které se v daném kanále vyskytuje. Volbou vhodného linkového kódu nebo modulace můžeme zajistit požadované parametry datového přenosu (odolnost proti rušení, synchronizaci, šířku využívaného kmitočtového pásma, apod.).

1.3 Přehled a rozdělení linkových kódů

Prostřednictvím linkových kódů realizujeme přenos signálu v tzv. základním pásmu, tedy v nezměněné kmitočtové poloze. Linkové kódy je možné dělit, sohledem na jejich různé vlastnosti, podle několika kritérií. Jedním z nejdůležitějších však je dělení na:

• Linkové kódy pro přenos se stejnosměrnou složkou.
• Linkové kódy pro přenos bez stejnosměrné složky.

U moderních přenosových systémů se výhradně využívají linkové kódy pro přenos bez stejnosměrné složky. Využívané kmitočtové pásmo začíná velmi blízko 0 Hz, ale vlastní stejnosměrná složka se nepřenáší z důvodu instalace translátorů v přenosovém okruhu.

Další kritérium dělení zohledňuje fakt, že linkové kódy mohou nabývat různé počty stavů. Proto je možné rozlišovat:

• Kódy dvoustavové – jinak nazývané jako dvojkové.
• Kódy třístavové:
• Kódy bipolární–například HDB3 u hierarchie PDH1.řádu.
• Kódy trojkové – například 4B3T u některých variant základní přípojky ISDN.
• Kódy vícestavové – typickým příkladem je linkový kód 2B1Q přípojky euroISDN2 (používáno i v ČR), nebo kód 4B5B u technologie Fast Ethernet, PAM u technologie SHDSL, atd.

Linkové kódy je možné dělit i s ohledem na polaritu signálových prvků. Pokud hodnoty signálových prvků kódu nabývají pouze jedné polarity, nazývá se takovýto kód unipolární. V případě, že signálové prvky nabývají obě polarity (jak kladné tak i záporné od nuly), nazývá se kód dvojí polarity (polární).

Pokud se signálový prvek během doby svého trvání vrací k nule, jedná se o linkový kód s návratem k nule (RZ, Return to Zero). V opačném případě se takovýto kód označuje jako kód bez návratu k nule (NRZ, No Return to Zero).

1.4 Přehled a rozdělení modulačních principů

Druhým způsobem, kterým můžeme přizpůsobit kódovanou zprávu (signál) na přenos konkrétním přenosovým kanálem, je proces modulace na vysílací straně (na přijímací straně je nutné provést inverzní proces – demodulaci).

---

---

Parametrem, jenž se ovlivňuje uelektromagnetického vlnění je obvykle – amplituda, fáze, frekvence. Modulace rozlišujeme:

• Analogová modulace – o tomto typu modulace hovoříme v případě, že modulační signál nesoucí zprávu může nabývat nekonečného počtu stavů. Takovéto modulace se označují jako amplitudová modulace (AM), fázová modulace (PM) a frekvenční modulace (FM).
• Digitální modulace – o tomto typu modulace hovoříme v případě, kdy modulační signál je digitální skonečným počtem stavů. Takovémuto ovlivňování nosné vlny se říká klíčování (Shift Keying) amodulace se označují jako amplitudové klíčování (ASK), fázové klíčování (PSK) a frekvenční klíčování (FSK).

Je možné samozřejmě ovlivňovat modulačním signálem ivíce parametrů elektromagnetického vedení zároveň. Kvadraturně amplitudová modulace (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) kombinuje princip modulace fázové a amplitudové. Obdobně existuje i digitální varianta QASK (Quadrature ASK).

V závislosti na způsobu, jak modulační princip využívá dostupné kmitočtové pásmo, hovoříme o:

• Modulaci sjednou nosnou (SCM, Single-Carrier Modulation). Do této skupiny spadají všechny dříve zmíněné modulace.
• Modulaci svíce nosnými kmitočty (MCM, Multi-Carrir Modulation). Příkladem takovéhoto modulačního principu je OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nebo modulace DMT (Discrete Multitone).

Obdobně jako u linkových kódů, se i u modulací zavádí větší počet stavů tak, aby se bez změny modulační rychlosti zvýšila rychlost přenosová. Čtyř stavová modulace QPSK (neboli 4-PSK) je schopna jedním stavem přenést 2 bity. Modulace 16-PSK přenese jedním stavem 4 bity, atd.

1.5 Princip modulace QAM a QASK

V předchozí kapitole bylo zmíněno, že kvadraturně amplitudová modulace v sobě zahrnuje dva modulační principy. A to modulaci amplitudovou a fázovou. Umožňuje tedy přenos dvou signálů ve stejném kmitočtovém pásmu. Z tohoto vyplývá, že jsme schopni pomocí modulace QAM docílit stejné přenosové rychlosti při poloviční rychlosti modulační, nebo naopak při stejné rychlosti modulační dvojnásobnou rychlost přenosovou.

Každým vstupním signálem se moduluje jeden nosný kmitočet (fc). Nosné kmitočty mají shodný průběh (amplitudu a kmitočet), ale jsou vzájemně fázově posunuty o 90° (tzn. jsou v kvadratuře – odtud název modulace). Výsledky obou modulací jsou sečteny vsoučtovém členu. Při tomto postupu využíváme ortogonalitu nosných kmitočtů.

---

---

Princip digitální modulace QASK vychází z modulace analogové – rozdílem je, že modulátor je buzen digitálním signálem. Například pro modulaci 4-QAM je vstupní digitální datový tok sdružován do dvojic bitů - tzv. dibitů a rozdělen do dvou větví (principiálně sérioparalelní převodník) a následným převodem do analogové formy. Další postup je pak stejný jako u QAM. Blokové schéma modulátoru QASK je uvedeno na obrázku.

Blokové schéma modulátoru QASK.

1.6 Konstelační diagram QAM

Bylo zmíněno, že modulace QAM (respektive QASK) probíhá ve dvou paralelních větvích. Podle toho, zda modulační signál ovlivňuje přímo nosnou vlnou či vlnou fázově posunutou, se příslušná větev modulátoru nazývá soufázová nebo kvadraturní (V angl. In Phase, Quadrature. Jednotlivé větve a signály se proto označují jako I resp. Q). Signálové prvky QAM je možné interpretovat pomocí tzv. konstelačního diagramu, který tvoří komplexní rovinu, kde reálná osa odpovídá ose I a imaginární osa odpovídá ose Q. Konstelační diagram pro 16- QAM je uveden na obrázku.

Ideální konstelační diagram pro 16-QAM.

Nevýhodou vícestavových modulací je, že s rostoucím počtem stavů přenášeného užitečného signálu roste ináchylnost na rušení, které je přítomné vkaždém přenosovém kanálu. Jinak řečeno, pro bezchybné přenosy se pro vícestavové modulace vyžaduje vyšší odstup signálu od šumu (SNR, Signal to Noise Ratio). Vzobrazeném konstelačním diagramu jsou polohy jednotlivých signálových prvků ideální – vždy stejné. V případě, že se podmínky přenosu zhoršují vlivem zvyšování úrovně rušení (a tedy snižování SNR), dochází ke kolísání jednotlivých signálových prvků kolem ideální polohy. Názorně je to zobrazeno na následujícím obrázku. Při příliš vysokém rozptylu poloh signálových prvků, může dojít i k chybnému vyhodnocení signálového stavu.

Konstelační diagram pro 16-QAM při nižším poměru SNR.

Výhodou modulace QAM je vyšší spektrální účinnost. Modulací QAM tedy šetříme kmitočtové pásmo potřebné pro přenos.

---

Konstelační diagram jednotlivých stavů je samozřejmě zaveden i pro ostatní modulační schémata a není výsadou pouze QAM či QASK.