Digitala överföringsmetoder
Navigeringshjälp
Den här navigeringshjälpen visar de första stegen för att använda presentationen. Du kan hoppa över den med ⟶ (högerpil).
Navigering
Du kan bläddra mellan bilder och avsnitt med piltangenterna på datorn.
- Pil ned och upp: nästa / föregående bild
- Pil höger och vänster: nästa / föregående avsnitt
- Blanksteg eller ”n”: visa elementen på bilden ett i taget eller gå till nästa bild
- Skift-blanksteg eller ”p”: dölj elementen baklänges eller gå till föregående bild
Fler funktioner
Med några kortkommandon kommer du åt fler funktioner. De viktigaste är:
- F1
- Help / hjälp
- o
- Overview / översikt över alla bilder
- s
- Speaker View / talarvy
- f
- Full Screen / helskärmsläge
- b
- Break, Black, Pause / dölj presentationen
- Alt-klick
- Zooma in på eller ut från bilden
Översikt
Presentationen är tvådimensionell: kolumnerna är kapitlets avsnitt och raderna är bilderna i respektive avsnitt.
Skriver du ett ”o” får du en översikt över alla bilder i presentationen. Det hjälper dig att få en överblick eller hitta tillbaka om du känner att du ”gått vilse”. Navigera med piltangenterna.
Klicka på en bild för att visa den.
Talarvy
Skriver du ett ”s” öppnas ett nytt fönster, talarvyn.
Under ”Layout” kan du välja mellan olika placeringar av elementen.
Talarvyn innehåller följande:
- Till vänster syns den aktuella bilden
- Uppe till höger syns nästa bild
- I mitten till höger finns hjälpmedel för tidsplaneringen
- Nere till höger finns ”anteckningar för talaren”
- Längst ned finns navigeringspilarna
Praktiska tips för talarvyn
- Om du använder en projektor ställer du in operativsystemet på två skärmar: talarvyn visas då till exempel på laptopen medan deltagarna ser presentationen.
- Vid en onlinepresentation delar du webbläsarfliken och navigerar i fönstret ”Speaker View”.
- Talarvyn gäller alltid ett kapitel. I slutet av kapitlet måste den stängas för att kunna öppna en ny talarvy i nästa kapitel.
- För att markera något med muspekaren eller använda zoom måste du byta till det fönster där presentationen visas.
Helskärm
Skriver du ett ”f” visas den aktuella bilden i helskärm. Med ”Esc” lämnar du helskärmsläget.
Det är särskilt praktiskt för skärmen som visar presentationen för publiken.
Dölj
Skriver du ett ”b” döljs presentationen.
Du visar den igen på något av följande sätt:
- Klicka i fönstret.
- Tryck på ”b” igen.
- Klicka på knappen ”Resume presentation”.
Zoom
Håller du ned Alt-tangenten och klickar i presentationen zoomas den delen in. Det är praktiskt för att lyfta fram detaljer i kopplingar. Ett nytt klick tillsammans med Alt zoomar ut igen.
Zoomen fungerar bara i det valda fönstret. Talarvyn är inte synkroniserad med presentationsvyn när det gäller zoom.
Analog och digital
Vid informationsöverföring skiljer man i princip mellan analoga och digitala metoder.
- Digital: i steg, bara vissa värden, inga värden där emellan
- Analog: kontinuerlig, godtyckliga mellanvärden
- I radio kan det uppnås t. ex. med fasta amplitudnivåer (25 %, 50 %, 75 %, 100 %)
- Många överföringsmetoder i vardagen arbetar numera digitalt
- t. ex. WLAN, LTE eller DVB
Binära tal
Decimalsystemet
- Människor är vana vid att använda de tio siffrorna från $\num{0}$ till $\num{9}$
- Man talar om ett tiosystem eller decimalsystem
Binärsystemet
- För datorer är det däremot enklare att arbeta med bara 2 siffror: $\num{0}$ och $\num{1}$
- Det motsvarar två tillstånd: till exempel avstängd och påslagen eller också $\qty{0}{\volt}$ och $\qty{5}{\volt}$
- Med en bit är två värden möjliga ($\num{0}$ och $\num{1}$)
- Med två bitar redan fyra ($\num{00}$, $\num{01}$, $\num{10}$ och $\num{11}$) och med varje ytterligare bit dubbelt så många
- Matematiskt uttryckt: med $n$ bitar kan $2^n$ olika tal representeras
Omvandling
Binära tal till decimala tal med $\num{10001110}$ som exempel
| $2^7$ | $2^6$ | $2^5$ | $2^4$ | $2^3$ | $2^2$ | $2^1$ | $2^0$ |
| $\num{128}$ | $\num{64}$ | $\num{32}$ | $\num{16}$ | $\num{8}$ | $\num{4}$ | $\num{2}$ | $\num{1}$ |
| $\num{1}$ | $\num{0}$ | $\num{0}$ | $\num{0}$ | $\num{1}$ | $\num{1}$ | $\num{1}$ | $\num{0}$ |
$$128 + 8 + 4 + 2 = 142$$
Morsetelegrafi
- Bärvåg slås på och av
- Ett morsealfabet infördes 1838 av Samuel Morse
- Morseprov var länge ett krav för radioamatörer på kortvåg
- Sedan mitten av 1990-talet bestämmer länderna själva om morseprov krävs
| A | ▄ ▄▄▄ | K | ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ | U | ▄ ▄ ▄▄▄ |
| B | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ | L | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄ | V | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| C | ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ | M | ▄▄▄ ▄▄▄ | W | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| D | ▄▄▄ ▄ ▄ | N | ▄▄▄ ▄ | X | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| E | ▄ | O | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | Y | ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| F | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ | P | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ | Z | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ |
| G | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ | Q | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ | Å | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| H | ▄ ▄ ▄ ▄ | R | ▄ ▄▄▄ ▄ | Ä | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| I | ▄ ▄ | S | ▄ ▄ ▄ | Ö | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ |
| J | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | T | ▄▄▄ |
| 0 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 5 | ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ | / | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ |
| 1 | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 6 | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄ | . | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| 2 | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 7 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ | , | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| 3 | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 8 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ | ? | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ |
| 4 | ▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ | 9 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ | - | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| @ | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ |
| Avbrott (BK) | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| Delning inom en överföring (BT, =) | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| Slut på överföringen (AR) | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ |
| Slut på sändningen (SK) | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| Rättelse | ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ |
Hastighet
- Morsetecken kan ges olika snabbt
- Överanstrång inte motstationen med hastigheten
- Tumregel: ge inte fortare än motstationen och inte fortare än du själv kan ta emot
Datorstyrning av radion
- Vidareutveckling av morsetelegrafin: fjärrskrivare ansluten till radion med modem
- Därigenom uppstod radiofjärrskrivaren, för att automatiskt sända/ta emot texter via radio
- Förkortningen RTTY (radio teletype) har levt kvar till i dag
- I dag tar oftast datorn över denna uppgift $\rightarrow$ många fler digimodes möjliga
Styrsignaler
- Överföring av ljud- och styrsignaler (CAT) mellan dator och transceiver
- T. ex. slå om transceivern till sändning och överföra signal från datorn
Dataanslutning
- Bakom radions mikrofonanslutning kan förstärkar- och filtersteg för talöverföring ligga $\rightarrow$ olämpligt för dataöverföring
- Egen dataanslutning på transceivern
- Låter signaler från datorn passera oförvanskade
Telegrafi och digitala trafiksätt
Trafik
- Båda parter använder samma överföringsmetod (t. ex. JS8, PSK, RTTY)
- Samma parametrar måste vara inställda
- Användning av förkortningar och Q-koder
- Mer information per tidsenhet
I ett samtal ser det ut så här:
CQ CQ CQ DE SM5ABC SM5ABC SM5ABC PSE K
SM5ABC DE SA7XYZ K
SA7XYZ DE SM5ABC = UR RST 599 599 = SA7XYZ DE SM5ABC K
SM5ABC DE SA7XYZ = TNX RPRT, UR 479 479 BK
BK QSL = VY 73 DE SM5ABC SK
R 73 DE SA7XYZ SK
| Förk. | Betydelse |
|---|---|
| BK | Avbrott i sändningen; fri överlämning |
| CQ | Allmänt anrop (från engelskans ”Seek You”) |
| DE | från |
| K | Uppmaning att sända |
| PSE | Var snäll (från engelskans ”Please”) |
| QSL | Jag bekräftar mottagningen |
| R | Received (mottagningsbekräftelse) |
| RPRT | Rapport (från engelskans ”Report”) |
| Förk. | Betydelse |
|---|---|
| RST | RST-rapport |
| SK | Slut på förbindelsen (från engelskans ”Silent Key”) |
| TNX | Tack (från engelskans ”Thanks”) |
| UR | du är (i betydelsen ”din signal är”, från engelskans ”you are”) |
| VY | mycket (från engelskans ”very”) |
| 73 | vänliga hälsningar |
| = | Avgränsare |
Del 1 av vårt exempelsamtal:
CQ CQ CQ DE SM5ABC SM5ABC SM5ABC PSE K
SM5ABC DE SA7XYZ K
Allmänt anrop från SM5ABC – kom gärna!
SM5ABC från SA7XYZ – kom!
Del 2 av vårt exempelsamtal:
SA7XYZ DE SM5ABC = UR RST 599 599 = SA7XYZ DE SM5ABC K
SM5ABC DE SA7XYZ = TNX RPRT, UR 479 479 BK
SA7XYZ från SM5ABC. Din signal har RST 599, jag upprepar, 599. SA7XYZ från SM5ABC – kom!
SM5ABC från SA7XYZ. Tack för rapporten, din signal är 479, jag upprepar, 479. Tillbaka till dig!
Del 3 av vårt exempelsamtal:
BK QSL = VY 73 DE SM5ABC SK
R 73 DE SA7XYZ SK
Här är jag igen. Jag bekräftar mottagningen. Många vänliga hälsningar från SM5ABC. Slut på förbindelsen.
Uppfattat. Vänliga hälsningar från SA7XYZ. Slut på förbindelsen.
Digitala metoder som FT8 eller FT4
- Fungerar även under dåliga radioförhållanden (låg signalstyrka jämfört med bruset)
- Därför kan bara mycket få tecken överföras per sändning
- Förloppet är motsvarande mer komprimerat
Digimodes i SSB, SSTV och ATV
Bandbredd hos digimodes
- Till skillnad från tal kräver många digimodes mindre bandbredd
- T. ex. BPSK31 med $\qty{31,25}{\hertz}$ eller FT8 med $\qty{50}{\hertz}$
- De skapade tonerna moduleras i SSB
- Den utsända signalens bandbredd förblir densamma
Mottagning av digimodes
- Vid SSB-mottagning kan flera smalbandiga digimodes tas emot inom den vanliga bandbredden på $\qty{2,4}{\kilo\hertz}$
- FT8: $\frac{\qty{2400}{\hertz}}{\qty{50}{\hertz}}$ = max. $\num{48}$ signaler
- BPSK31: $\frac{\qty{2400}{\hertz}}{\qty{31,25}{\hertz}}$ = max. $\num{76}$ signaler
- På datorn väljs sedan önskad digimode-signal ut
SSTV
- Slow-Scan Television är överföring av stillbilder med hjälp av digimodes
- Bilder överförs rad för rad
- Olika metoder med olika upplösning och överföringshastighet
- Bandbredd under $\qty{3}{\kilo\hertz}$ och användbart på kortvågsbanden
ATV
- Amateur Television är överföring av rörliga bilder
- Kräver flera MHz bandbredd ($\qty{6}{\mega\hertz}$ och mer)
- Därför bara användbart från $\qty{70}{\centi\meter}$-bandet och uppåt
9600-porten (DATA)
- För att kringgå filter har vissa FM-radioapparater en separat port för digimodes
- Den är ofta märkt DATA eller 9600
- 9600 motsvarar datahastigheten i baud ($\unit{\baud}$) som kan överföras med den
- Där ansluts direkt datorns TNC (Terminal Node Controller)
- I dag ofta utförd direkt som USB-anslutning
- Både sändning och mottagning sker utan LF-filter och LF-slutsteg
- FM-modulatorn eller FM-demodulatorn adresseras direkt
- Signalerna förvrängs inte
- Användes förr för packet radio
- I dag för moderna och fria moder som M17
Överstyrning vid digimodes
- För stark ljudsignal på sändarens ingång $\rightarrow$ övertoner
- Till vänster i gult den önskade signalen
- Till höger om den de oönskade övertonerna
- Distorsion genom överstyrning kan också uppstå i sändarförstärkaren
- För att förhindra det har många radioapparater en automatisk nivåreglering (engelska: Automatic Level Control, ALC) $\rightarrow$ drar automatiskt ner förstärkningen
- Vid digitala överföringsmetoder kan ALC dock leda till problem
- Signalen kan beroende på volym eller frekvens få ALC att lösa ut olika kraftigt vid olika tidpunkter $\rightarrow$ amplituden förändras oönskat
- ALC-problem beror på olika faktorer
- Överföringsmetod
- ALC:s implementering i transceivern (reaktions- och hålltid)
- ALC-visningen i transceivern
- $\rightarrow$ ingriper inte ALC skapar den inga problem
Automatiska mottagningsrapporter
- Anropssignaler som tagits emot med digimodes kan skickas till internetplattformar
- Dessa kan visas på en karta med mottaget band
- För att testa de egna utbredningsförhållandena
WSPR
- Weak Signal Propagation Reporter Network
- QRP-digimode som utvecklats enbart för att testa de egna utbredningsförhållandena
- Inget tvåvägs-QSO är möjligt
- Mycket långsam överföring med hög felkorrigering
- 1 minut sändning, flera minuters mottagning
- Resultaten skickas till servrar och kan visas på WSPRnet
Digital Voice
Även tal kan överföras digitalt
- t. ex. med överföringsmetoderna D-STAR, C4FM, DMR eller M17
- Lämplig radioapparat nödvändig
- För handapparater vanligen DMR och D-STAR
| Förkortning | Överföringsmetod |
|---|---|
| D-STAR | Digital Smart Technologies for Amateur Radio |
| C4FM | Continuous 4-level frequency modulation |
| DMR | Digital Mobile Radio |
| M17 | Överföringsmetod med öppen källkod |
Repeaternätverk för Digital Voice
- Nätverksanslutna repeatrar, t. ex. via internet $\rightarrow$ nåbara över hela världen
- Åtkomst även hemifrån via en hotspot
- På kortvåg oftast direkt, t. ex. med FreeDV
TDMA
Time Division Multiple Access – tidsmultiplex
- Talsignaler omvandlas till en dataström före överföringen
- Överföring av flera dataströmmar i snabbt växlande följd
- Två eller flera talförbindelser använder nästan samtidigt samma frekvens
Inställningar
För digitalt tal måste ofta fler inställningar beaktas än vid en FM-förbindelse. Till exempel:
- Samtalsgrupp (talkgroup)
- Rum eller reflektor för att koppla samman repeatrar
- TDMA-tidslucka
- Color code
Paketförmedlade nätverk och IP-adresser
- IP-baserade amatörradionätverk, nätverk bara för radioamatörer, bygger på internetprotokollet (IP).
- Därför kan man använda dem med samma programvara som används för internet.
- I enklaste fall är det en webbläsare.
- Internetprotokollet (IP) tilldelar de inblandade datorerna IP-adresser så att de kan nå varandra.
- IP-adresser skrivs som fyra decimaltal med en punkt emellan. Exempel: 141.17.5.18
- Varje decimaltal har en längd på 8 bitar, därför är det största möjliga talet 255 (binärt: 11111111).
- IP-adresser är uppdelade i en nät- och en värddel.
- Hos alla datorer som finns i samma nätverk är början av IP-adresserna lika, denna början kallas nätdel.
- Nätdelen är olika stor beroende på hur många datorer (värdar) som ska hanteras i nätverket.
Exempel:
*10*.100.234.22 (liten nätdel, stor värddel)
*192.168.1*.252 (stor nätdel, liten värddel)
Denna princip känner man från telefonnätet. De stora städerna har kortare riktnummer än små städer.
- En nätmask anger uppdelningen av en IP-adress i nät- och värddel genom att visa alla bitar i nätdelen som 1.
- Det finns två sätt att skriva ned detta, exempel för en nätdel på 24:
- 255.255.255.0, vilket binärt är 11111111.11111111.11111111.00000000.
- Skrivsättet med snedstreck, till exempel 192.168.111.90/24
- Nätverksenheter kan bara kommunicera direkt med varandra inom sitt eget lokala nätverk.
- Man känner igen dem på att den egna IP-adressen och nätmasken ger samma nätdel som hos partnern.
- I alla andra fall skickar de data till en router. Det är en mellanstation som förbinder två eller flera nätverk för att vidarebefordra datapaketen.
Dataöverföringshastighet och bandbredd
- Bandbredden är det använda frekvensområdet i $\unit{\hertz}$
- Dataöverföringshastigheten är den datamängd som överförs per tidsenhet i $\unit{\bit\per\second}$
- Dataöverföringshastigheter som kan nås i praktiken skiljer sig tydligt åt beroende på överföringsmetod och radioförhållanden.
- WLAN och 5G stöder vid optimala förhållanden dataöverföringshastigheter upp i området gigabit per sekund.
- FT8 kan däremot användas även under svåra förhållanden, men överför bara få bitar per sekund.
Symboler och symbolhastighet
Symbol
- En symbol är ett urskiljbart signaltillstånd.
- Symboler kan skilja sig t. ex. genom amplitud, frekvens eller fas.
- Fler möjliga symboler ger fler bitar per symbol.
Symbolhastighet
- Symbolhastigheten anger antalet överförda symboler per sekund, enheten för symbolhastighet är baud
- Datahastighet och symbolhastighet är därför inte alltid identiska.
- Om bara två symboler används och varje bit alltså sänds för sig motsvarar symbolhastigheten i baud datahastigheten i $\unit{\bit\per\second}$.
- Om fler symboler används och flera bitar alltså överförs samtidigt är datahastigheten högre än symbolhastigheten.
Exempel
- 2 symboler → 1 bit/symbol
- 4 symboler → 2 bitar/symbol
- 8 symboler → 3 bitar/symbol
- Formeln $R_\mathrm{D} = R_\mathrm{S} \cdot N$ visar sambandet:
- $R_\mathrm{D}$ → dataöverföringshastighet i $\unit{\bit\per\second}$
- $R_\mathrm{S}$ → symbolhastighet i $\unit{\baud}$
- $N$ → symbolstorlek i $\unit{\bit\per\text{symbol}}$
Exempel:
RTTY: växling mellan två symbolfrekvenser, så att en bit ($\num{0}$ eller $\num{1}$) kan överföras per symbol. → Datahastighet = symbolhastighet
FT4: växling mellan fyra symbolfrekvenser, så att två bitar ($\num{00}$, $\num{01}$, $\num{10}$ eller $\num{11}$) kan överföras per symbol. → Datahastighet = 2 $\cdot$ symbolhastighet
Lösningsgång
- given: $R_S = \qty{45,45}{\baud}$
- given: $N=\qty{1}{\bit\per\text{symbol}}$
- sökt: $R_\mathrm{D}$
$$R_\mathrm{D} = R_\mathrm{S} \cdot N = \qty{45,45}{\baud} \cdot \qty{1}{\bit\per\text{symbol}} = \qty{45,45}{\bit\per\second}$$
Lösningsgång
- given: $R_S = \qty{23,4}{\baud}$
- given: $N=\qty{2}{\bit\per\text{symbol}}$
- sökt: $R_\mathrm{D}$
$$R_\mathrm{D} = R_\mathrm{S} \cdot N = \qty{23,4}{\baud} \cdot \qty{2}{\bit\per\text{symbol}} = \qty{46,8}{\bit\per\second}$$
I/Q-framställning
Varför I/Q?
- Symboler kan skilja sig genom amplitud, frekvens eller fas.
- För amplitud och fas behövs en överskådlig framställning.
- Denna framställning kallas I/Q-framställning.
- Den visar en symbols signaltillstånd som en punkt i ett plan.
I = 0,75
Q = 0,00
A = 0,75
φ = 0°
Vid t = 0 är den vågräta projektionen I-komponenten och den lodräta projektionen Q-komponenten.
Symbol som visare
-
Visarens längd: amplitud $A$
-
Visarens vinkel: fas $\varphi$
-
Visaren kan delas upp i två delar:
- Konstellationsdiagrammet visar visarens starttillstånd för varje symbol.
Konstellationsdiagram
Konstellationsdiagram
- För framställningen av symbolerna tittar vi inte på bärvågens fortlöpande rotation.
- I stället tittar vi på det signaltillstånd som hör till en symbol.
- Varje möjligt symboltillstånd visas som en punkt i I/Q-planet.
- Avstånd från origo: amplitud
- Vinkel mot I-axeln: fasläge
Varför behöver vi detta?
- Konstellationsdiagram visar med en blick de möjliga symbolerna hos en digital överföringsmetod.
- Man ser om symboler skiljer sig genom amplitud, fas eller båda.
- I de nästa avsnitten använder vi denna framställning för mapping, PSK och QAM.
ASK och FSK
- Precis som det finns olika analoga moduleringsmetoder finns det också olika digitala moduleringsmetoder.
- De grundläggande sätten att modulera en signal, alltså pålägga den på en högfrekvent bärvåg, är desamma: ändring av bärvågens amplitud, frekvens eller fas.
- Hos den omodulerade bärvågen förblir däremot amplitud, frekvens och fasläge konstanta.
- Vid amplitudskiftnyckling (Amplitude Shift Keying, ASK) växlas i enklaste fall mellan två amplituder.
- Vid frekvensskiftnyckling (Frequency Shift Keying, FSK) växlar sändaren mellan bestämda frekvenser.
Mapping
Mapping
- Bitar måste tilldelas de möjliga symbolerna.
- Denna tilldelning kallas mapping.
- Byggstenen för det kallas mapper.
- Den omvandlar bitkombinationer till symboler.
Exempel: ASK
- Vid ASK skiljer sig symbolerna genom sin amplitud.
- Binär ASK använder två amplituder.
- Exempel:
- liten amplitud → $0$
- stor amplitud → $1$
ASK i konstellationsdiagrammet
- Båda symbolerna ligger på I-axeln.
- Fasen förblir densamma.
- Avståndet från origo beskriver amplituden.
- Mappingen tilldelar varje punkt ett bitvärde.
4ASK
- ASK är inte begränsad till två amplituder.
- Fyra amplituder ger fyra symboler.
- Fyra symboler kan överföra två bitar per symbol: $00$, $01$, $10$, $11$
4ASK i konstellationsdiagrammet
- Också vid 4ASK ligger alla punkter på I-axeln.
- Punkterna skiljer sig bara i avstånd från origo.
- Varje punkt har tilldelats en bitkombination.
Fasskiftning (PSK)
Fasskiftning (PSK)
- Digital moduleringsmetod för dataöverföring
- Symbolerna representeras av olika faslägen hos en bärvåg
- Bärvågens amplitud och frekvens förblir oförändrade vid ideal PSK
- Vid symbolbyte kan fasläget ändras
PSK som funktion av tiden
- Amplituden är konstant
- Informationen finns i fasläget
- Vid byte mellan två symboler kan fasen ändras abrupt
- Om samma symbol skickas igen förblir också fasläget detsamma
Binär fasskiftning (BPSK)
- Två olika faslägen
- Två möjliga symboler
- Därmed kan $\num{1}$ bit per symbol överföras
- Exempel: $\qty{0}{\degree}$ → $0$ och $\qty{180}{\degree}$ → $1$
- De två signalpunkterna ligger mitt emot varandra i konstellationsdiagrammet
Fler faslägen – fler symboler
- Med fler faslägen kan fler olika symboler representeras
- Då kan flera bitar slås ihop till en symbol
- BPSK: $\num{2}$ symboler → $\num{1}$ bit per symbol
- QPSK: $\num{4}$ symboler → $\num{2}$ bitar per symbol
- 8-PSK: $\num{8}$ symboler → $\num{3}$ bitar per symbol
Kvadraturfasskiftning (QPSK)
- QPSK använder fyra olika faslägen
- Därmed finns fyra olika symboler
- Två bitar slås ihop till en symbol: $00$, $01$, $10$, $11$
- Med varje QPSK-symbol överförs alltså $\num{2}$ bitar
QPSK i konstellationsdiagram
I det här exemplet gäller:
- $11$ → $\qty{45}{\degree}$
- $01$ → $\qty{135}{\degree}$
- $00$ → $\qty{225}{\degree}$
- $10$ → $\qty{315}{\degree}$
- Alla signalpunkter har samma amplitud
- Faslägena är förskjutna $\qty{90}{\degree}$ i förhållande till varandra
- De fyra punkterna ligger på en cirkel
Gray-kod vid QPSK
- Angränsande symboler skiljer sig åt i endast en bit
- En sådan tilldelning kallas Gray-kod
Exempel:
$$11 \leftrightarrow 01 \leftrightarrow 00 \leftrightarrow 10$$Om en angränsande symbol av misstag identifieras på grund av brus uppstår ofta bara ett enda bitfel.
QPSK vid brus
- Brus förändrar den mottagna signalens amplitud och fas
- Mottagna värden sprids kring de ideala QPSK-symbolerna
- Mottagaren väljer den närmaste symbolen
- Om en beslutsgräns passeras uppstår ett symbolfel
ASK och PSK i konstellationsdiagram
- Vid ASK skiljer sig symbolerna huvudsakligen i amplitud
- olika avstånd från origo
- samma fasläge
- Vid PSK skiljer sig symbolerna i fasläge
- samma avstånd från origo
- olika vinkel
- Vid PSK ligger signalpunkterna därför på en cirkel när amplituden är densamma.
Kvadraturamplitudmodulation (QAM) och I/Q-modulator
Utgångsläge: ASK och PSK
- Vid ASK och PSK kan fler symboler användas för att överföra fler bitar per symbol
- Vid mycket många symboler ligger de möjliga signaltillstånden dock allt tätare
- Mottagaren måste därmed kunna upptäcka mindre skillnader
- Metoden blir känsligare för störningar
Kvadraturamplitudmodulation (QAM)
- Knepet: Det är inte bara en parameter som ändras
- QAM kombinerar olika
- amplituder och
- faslägen
- En symbol motsvarar en viss kombination av amplitud och fas
Vid samma symbolhastighet kan därmed fler bitar per sekund överföras.
Exempel: 8-QAM
- $\num{8}$ olika symboler
- Varje symbol har en viss amplitud och ett visst fasläge
- $\num{8}$ symboler → $\num{3}$ bitar per symbol
Exempel: 16-QAM
- $\num{16}$ olika signalpunkter
- Varje punkt motsvarar ett värdepar $(I,Q)$
- Därav följer olika amplituder och faslägen
- $\num{16}$ symboler → $\num{4}$ bitar per symbol
Hur skapas en QAM-signal?
Nu när vi har lärt oss konstellationsdiagrammet uppstår frågan:
Hur skapar en sändare en önskad signalpunkt?
Det kan göras med en I/Q-modulator.
I/Q-modulator
- Två bärvågor med samma frekvens
- Fasförskjutning på $\qty{90}{\degree}$
- En bärvåg viktas med I-signalen
- Den andra bärvågen viktas med Q-signalen
- Därefter adderas de båda signalerna
I och Q bestämmer amplitud och fas
- Varje signalpunkt i konstellationsdiagrammet motsvarar ett värdepar $(I,Q)$
- När I och Q ändras ändras
- amplituden och
- fasläget hos den resulterande signalen
Därmed kan I/Q-modulatorn skapa varje önskad punkt i mappningen.
Prova I/Q-modulation
A = 71 %
φ = 45°
I och Q från programvara
- En mikrokontroller, signalprocessor eller SDR beräknar värdena för I och Q
- För varje symbol bestäms motsvarande värdepar $(I,Q)$
Exempel 16-QAM:
- $\num{4}$ möjliga I-värden
- $\num{4}$ möjliga Q-värden
- $\num{4}\cdot\num{4}=\num{16}$ möjliga signalpunkter
Från talvärde till I/Q-signal
- I och Q finns först som digitala talvärden
- DA-omvandlare skapar av dem analoga I- och Q-signaler
- Dessa signaler styr I/Q-modulatorn
Den önskade mappningen kan därmed till stor del fastställas i programvara.
Software Defined Radio
- I en Software Defined Radio (SDR) utförs en stor del av signalbehandlingen i programvara
- Programvaran beräknar de nödvändiga I- och Q-signalerna
- Högfrekvenshårdvaran kan vara densamma för många olika moduleringsmetoder
Moduleringsmetoden bestäms därmed till stor del av programvara.
Inte bara digital modulation
En I/Q-modulator kan också hantera kontinuerligt varierande I- och Q-signaler.
Därmed kan man till exempel skapa:
- AM
- FM
- PM
- SSB
- PSK
- QAM
Inte bara digital modulation
- Samma I/Q-modulator kan skapa många olika moduleringsmetoder
- Det är bara förloppen för I och Q som måste beräknas annorlunda
- HF-hårdvaran kan i stort sett förbli oförändrad
I/Q-modulatorn är därmed på sätt och vis
”modulatorernas armékniv”.
Symbolomkoppling och bandbredd
- Som symbol betecknas inom digitaltekniken de olika teckenenheterna för överföring av informationsinnehållet.
- Antalet symboler som överförs per tidsenhet är symbolhastigheten och anges i enheten baud ($\unit{\baud}$).
- Vid varje omkoppling mellan två symboler ändras en bärvågs amplitud, frekvens eller fas.
- Ju snabbare amplitud, frekvens eller fas ändras, desto bredare blir den skapade signalen.
- Ju oftare man växlar mellan olika symboler, desto större blir bandbredden.
- Från morsetelegrafi känner vi redan nyckelklickar, som är bredbandiga störningar.
- De uppstår när bärvågen plötsligt slås på respektive av när morsenyckeln trycks ned respektive släpps.
AFSK
- En specialform av digital modulation är Audio Frequency Shift Keying (AFSK).
- Till skillnad från ASK står ”A” här inte för amplitud utan för audio, alltså hörbara frekvenser (lågfrekvens).
- En frekvensskiftning (FSK) genomförs inom ett område klart under $\qty{20}{\kilo\hertz}$. Ofta används området från ca $\qtyrange{300}{2700}{\hertz}$.
- För en utsändning via radio måste ytterligare en modulation ske, till exempel med FM, AM eller SSB.
Shannon–Hartleys lag
- Vilken dataöverföringshastighet som kan uppnås beror på den användbara bandbredden och signal-brusförhållandet.
- Av dessa två storheter kan man med Shannon–Hartleys lag beräkna den teoretiskt högsta dataöverföringshastigheten för en överföringskanal.
- Ett värde som är lätt att komma ihåg får man vid ett signal-brusförhållande på $\qty{0}{\dB}$.
- Då motsvarar bandbredden i hertz exakt den högsta uppnåeliga datahastigheten i $\unit{\bit\per\second}$.
- Sämre signal-brusförhållanden ger motsvarande lägre datahastighet, bättre signal-brusförhållanden högre datahastigheter.
- Eftersom beräkningarna är ganska komplexa är det praktiskt att kunna uppskatta resultatet med minnesregeln ovan.
Källkodning
- Så effektivt utnyttjande av frekvensspektrumet som möjligt.
- $\rightarrow$ Komprimering av nyttodata, så kallad källkodning.
- Borttagning av redundans (till exempel upprepningar) eller irrelevans (mindre viktiga delar av informationen) ur dataströmmen.
Kanalkodning
- Bilden visar en sändare och en mottagare som är förbundna med varandra via en kanal.
- Genom atmosfäriska inflytanden eller utsändningar från andra stationer kan störningar uppstå på kanalen, vilka leder till fel vid överföringen.
Kanalkodningen lägger avsiktligt till redundans i den information som ska överföras, till exempel upprepningar eller kontrollsummor.
Vi skiljer mellan två typer av kanalkodning:
- Felupptäckt: Man kan upptäcka att ett fel har uppstått vid överföringen och sedan till exempel begära en ny överföring.
- Framåtriktad felrättning: Fel som uppstår vid överföringen rättas hos mottagaren med hjälp av redundansen.
Felupptäckt
Felupptäckt: paritetsbit
- En extra kontrollbit (paritetsbit) läggs till data
- Två varianter:
- Jämn paritet: Antalet ettor görs jämnt
- Udda paritet: Antalet ettor görs udda
- Sändare och mottagare måste vara överens om vilken metod som används
Jämn paritet: exempel 1
- Byte som ska överföras
- Det räknas 5 ettor → udda antal
- Kontrollbiten måste sättas till $\num{1}$ för att få ett jämnt antal
- Kontrollbiten har satts till $\num{1}$
- Den resulterande byten har ett jämnt antal ettor
- Vid ett överföringsfel stämmer kontrollbiten inte längre
Jämn paritet: exempel 2
- Ursprunglig byte: 4 ettor (jämnt)
- Kontrollbiten sätts till $\num{0}$
Felupptäckt vid bitfel
- Vid ett enbitsfel vänds pariteten → felet upptäcks
- Vid två fel förblir pariteten densamma → felet förblir oupptäckt
- Vid tre fel ändras pariteten igen → felet upptäcks
Utökad felupptäckt
- Ytterligare kontrollbitar kan upptäcka flerbitsfel
- Vid meddelanden med variabel längd används ofta kontrollsummemetoder som cyklisk redundanskontroll (CRC)
- CRC upptäcker fel med undantag för en viss restsannolikhet
Felrättning
Framåtriktad felrättning (FEC)
- Om mottagaren upptäcker ett fel (t. ex. med kontrollbitar) kan den be om omsändning
- Vid framåtriktad felrättning läggs extra redundans till (t. ex. fler kontrollbitar)
- Då upptäcks inte bara att ett fel föreligger, utan också var $\rightarrow$ den felaktiga biten kan rättas
- På engelska talar man om Forward Error Correction (FEC)
Hamming-kod – felrättning i detalj
- Hamming-koden använder flera paritetsbitar för att inte bara upptäcka fel utan också rätta dem
- Mål: Ett enskilt bitfel ska lokaliseras och rättas
- Exempel: Överföring av ett dataord på 11 bitar
- Mål: Felupptäckt och felrättning vid ett bitfel
- Bitarnas positioner ges bokstavsnamn i alfabetisk ordning för att identifiera de olika områdena
- Databitarna ordnas med extra bitpositioner för paritetsbitar
- I stället för en enda kontrollbit används fyra paritetsbitar ($p_1$–$p_4$)
- De täcker olika områden av databitarna – ungefär som ett korsord
- Varje paritetsbit säkrar ett bestämt område av data
- För varje område beräknas paritetsbiten med jämn paritet
- Om ett fel uppstår kan de felaktiga områdena identifieras och rättas
- Genom att kombinera paritetsområdena kan den felaktiga bitens plats bestämmas
- Exempel: Om en viss bit (t. ex. bit $k$) ändras under överföringen misslyckas alla tillhörande paritetskontroller – felet ligger alltså i bit $k$
Sändar- och mottagarkedjor
Kombination av källkodning och kanalkodning
- Effektivt utnyttjande av bandbredden genom smart kombination
- Samtidig felupptäckt och felrättning genom redundans
Sändarens process
- Källkodare: Komprimera data
- Kanalkodare: Lägg till redundans för felupptäckt och felrättning
- Mappare: Avbilda binära data på symboler (t. ex. amplitud och fas vid QAM)
Mottagarens process
- Demappare: Avbilda symboler på binära data
- Kanaldekodare: Upptäcka och rätta fel
- Källdekodare: Dekomprimera data
Multiplexmetoder (FDMA, TDMA, CDMA)
TDMA
- Time Division Multiple Access – tidsmultiplex
- De digitala nyttodata delas upp och skickas efter varandra på samma frekvens
- I mottagaren sätts dataströmmen ihop igen
CDMA
- Code Division Multiple Access – kodmultiplex
- De digitala nyttodata kodas (blandas) med en digital kod
- I mottagaren används samma digitala kod för avkodning
FDMA
- Frequency Division Multiple Access – frekvensmultiplex
- Den digitala signalen delas upp på flera frekvenser
- Därmed kan mer bandbredd användas
OFDM
- Det är också möjligt att fördela en dataström på flera bärvågor som ligger på olika, men närliggande frekvenser.
- Vid OFDM placeras de enskilda bärvågorna på ett avstånd där ”överhörning” undviks.
- En fördel med detta tillvägagångssätt är att smalbandiga störningar bara stör en eller några få bärvågor.
- I samspel med felrättningsmetoder med redundant dataöverföring går det därför att uppnå felfri överföring trots smalbandiga störningar.
- En ytterligare fördel följer av den lägre symbolhastigheten för varje enskild bärvåg.
- Med lägre symbolhastighet blir varje symbol längre.
- Vid tidsförskjutningar på grund av flervägsutbredning blir andelen överlagring mellan signalerna motsvarande mindre.
Synkronisering
Synkronisering vid digital överföring
- Gör att mottagaren känner igen början av sändningen
- Sändare och mottagare samordnar sig i tid
- Grund för korrekt avkodning av signalen
Polarmodulation
Polarmodulation: grundidé
- $I(t)$ och $Q(t)$ räknas om till amplitud $A(t)$ och fas $\varphi(t)$.
- Fasen modulerar en HF-bärvåg med konstant envelope.
- Amplituden präglas separat via slutstegets matning.
Varför är det användbart?
- HF-signalen i fasvägen har konstant amplitud.
- Därför behövs inget linjärt slutsteg.
- Effektiva switchande slutsteg kan användas, t. ex. klass E med $\eta \approx \qtyrange{80}{90}{\percent}$.
Fördel i radioapparaten
- Lägre förlusteffekt ger mindre värme och lägre strömförbrukning.
- Kylning och kylflänsar kan bli mindre, vilket sparar vikt.
- Särskilt attraktivt för QRP-apparater, men alltmer även för kommersiella transceivrar.