MULTIPLEKSOINTIMENETELMÄT FDM, TDM, CDM JA QM

Multipleksointimenetelmät Usein on tarve yhdistää eri lähteistä tulevia toisistaan riippumattomia signaaleja multipleksoinnin keinoin, jotta ne voidaan lähettää tehokkaammiin yhtä tiedonsiirtoyhteyttä käyttäen (esim. jokaiselle puhelinyhteydelle ei tarvita omaa siirtokaapelia). Multipleksoinnissa on perusideana ryhmitellä eri lähteistä tulevat signaalit yhdeksi “nätiksi kantataajuusspektripaketiksi”. Multipleksointi on hyvin läheistä sukua radiotaajuusspektrin 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.

Taajuusjakomultipleksointi (FDM) Alikantoaalloilla (subcarrier) suoritetaan kantataajuisen spektrin ryhmittely taajuusorigon ympärille. Modulaatioiden ei tarvitse olla samoja (kuvassa DSB, U-SSB ja FM). Kokonaiskaistanleveys osien summa ja lisäksi suojakaistojen (quardbands) vaatima osuus. Suojakaistat radiotaajuisten häiriöiden vuoksi (keskeismodulaatiot). Ryhmitelty kantataajuinen spektripaketti lähetetään varsinaisella kantoaaltomodulaattorilla kaistanpäästösignaalina joko kaapeliin tai radiotielle (suuri kantoaaltotaajuus verrattuna alikantoaaltoihin). Kantataajuus on nollataajuuden ympäristössä

Taajuusjakomultipleksointi (FDM)

Analogisen puhelinkeskuksen FDM Vanhat lankapuhelinkeskusjärjestelmät peustuivat SSB-FDM-tekniikkaan.

Analogisen puhelinkeskuksen FDM

Analogisen puhelinkeskuksen FDM

Mono- ja sterolähetyksen FDM Oikeasta ja vasemmasta kanavasta muodostetaan ero- ja summasignaalit. Monovastaanotossa tarvitaan vain summasignaali.

Mono- ja sterolähetyksen FDM Monolähetyksen sanoman kaista 15 kHz ja stereolla 53 kHz. FM-radion huippudeviaatiolla on tietty maksimiarvo kanavavälille. Siksi D pienenee stereolla kertoimella 53/15=3.52 suhteessa monolähetykseen. Se ilmenee huonompana siirron laatuna verrattuna tilanteeseen jossa sama kaista olisi alloloitu kokonaan monolähetykselle, sillä: SNRFM=3D2mn2(PT/N0W). Erotuskaistan ilmaisu voidaan tehdä myös PLL-tekniikalla ja myös kohinasietoisemmin silmukan kapean LPF:n vuoksi. Hyvä PLL-kirja: U. Manassewitsch, “Frequency Synthesizers”, Wiley, 1987.

Kvadratuurimultipleksointi (QM) Käytetään kvadratuurisia kantoaaltoja samalla kantoaaltotaajuudella ja kaistalla. Ne muodostavat kaksiulottisen signaaliavaruuden kantafunktiot (vrt. i, j ja k kantavektorit karteesisessa koordinaatistossa). Niihin DSB-moduloidut informaatiot m1(t) ja m2(t) eivät häiritse toisiaan, koska ne vaikuttavat ortogonaalisina eri dimensioissa. Multipleksoinnin purkamiseen avaimena on vastaanoton koherentit ilmaisukantoaallot kosini ja sini I/Q-tasossa. D = I = direct Q = quadrature

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-modulaatiolle tyypilliseen tapaan, eli kokonaiskaistanleveys on 2W, jossa voidaan siirtää kaksi W- levyistä eri sanomasignaalia. Kaistankäytöntehokkuus paranee siis kertoimella 2. Niin kävi mm. SSB-modulaation tapauksessa, kun lähetettiin DSB-moduloidusti 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(ct+):lla.

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 s1(t), s2(t), s3(t) ja s4(t) kaistanleveydet ovat W, W, 2W ja 4W, kanavassa siirtyy aikajaetusti s1s4s3s4s2s4s3s4...

Aikajakomultipleksointi (TDM) TDM/TDMA-periaatteen käyttökohteita: lankapuhelinverkkojen PCM-tekniikan toteuttaminen digitaaliset 2. generaation matkapuhelinjärjestelmät (esim. GSM) radiolinkit, satelliittitietoliikenne viranomaisverkot

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. 4032 kanavaa 274,176 M bit/s 1,544 M bit/s 96 kanavaa 672 kanavaa

Digitaalisen puhelinverkon PCM−TDM

Multipleksointimenetelmien vertailu FDM on yksinkertainen toteuttaa. Jos kanava on lineaarinen (ts. keskeismodulaatiota ei esiinny), haittoja on vaikea havaita. Käytännössä esiintyy epälineaarisuuksia, jotka aiheuttavat keskeismodulaatiosäröä FDM:lle. Keskeismodulaatio ilmenee kanavien ylikuulumisena kantataajuudella. TDM-menetelmällä keskeismodulaatiota ei esiinny, koska kukin lähettäjä käyttää kanavaa vuorollaan eikä samanaikaisesti. TDM haittana on näytteenoton järjestäminen. Suurin haitta kuitenkin on sykronismin vaatimus lähetys- ja vastaanottopään välillä. Koska kehyksiä ryhmitellään yhä pitemmiksi ylikehyksiksi, 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 päällekkäin samalla kaistalla. QM vaatii koherentit ilmaisukantoaallot (ylikuulumisongelma). Jos QM ja FDM käytetään yhdessä, on keskeismodulaatiosta haittaa.