Einführung in die Digitale Sprachmodulation Warum digital? Vor- und Nachteile Techniken und Modulationsarten Anwendungen und Interoperabilität
Gesteigerte Bedürfnisse: Bessere Verständlichkeit Bessere Resistenz gegen Störfaktoren Warum Digital? Geringerer Stromverbrauch bei Handfunkgeräten Erweiterte Signalisierungsmöglichkeiten Bessere Spektrum Effizienz (geringere Bandbreiten durch Datenkompression) Automatische redundante Positionsmeldungen (GPS / GALILEO / GLONASS ) Klar getrennte Netzstrukturen (Talkgroups, verschiedene getrennte Dienste auf dem gleichen Netz, bessere Frequenzökonomie) Dynamische Netze für mehr Flexibilität / Inter-Operabilität Integration / Anbindung ans Internet (TCP/IP) Die Physik lässt sich nicht überlisten! Bei analogen Funkverbindungen nehmen Rauschen und statische Störungen bei zunehmender Entfernung zum Sender exponentiell zu, ein gestörtes Signal lässt sich nicht wieder herstellen, man kann die Aussendung höchstens wiederholen. Ausserdem funktionnieren nur Punkt zu Punkt Verbindungen. (Ausnahme: Broadcast- bzw. Relais Aussendungen, einer an alle) Ausser einfachen Tonsignalisierungen (z.bsp. CTCSS / Rufton / 5 Ton Selcal) können auf analogem Weg keine Informationen simultan zur Sprache übertragen werden.
Deshalb Digital! Bei digitalen Verbindungen wird die Information (Sprache und Daten) kodiert in definierten synchronisierten Paketen gesendet. Zusätzlich werden ausgeklügelte Zusatzinformationen (FEC) für eine evtl. spätere Fehlerkorrektur mitgesendet. Damit wird eine merkbar bessere Störresistenz als bei analogen Verfahren erreicht, gestörte Aussendungen können teilweise wieder hergestellt werden. Zusatzinformationen aller Art lassen sich zudem einfach mit übertragen (GPS, SMS, Talkgroups, Data, Routing, usw...) Durch den Einsatz von modernen sog. «Vocoder» lässt sich die digitale Sprache noch komprimieren, was eine geringere TX-RX Bandbreite zur Folge hat. Je nach digitaler Modulationsart lassen sich Bandbreiten bis hinunter zu 6.25 KHz erreichen, gegenüber 25 KHz analog (FM). Dies erlaubt 4 mal mehr Teilnehmer im gleichen Funkkanal. Moderen digitale Funkgeräte arbeiten IP-basiert, jedes Gerät besitzt eine eigene IP- Kennung. Moderne Netzstrukturen werden entsprechend konzipiert. Mittels dieser IP-Nr. lassen sich Verbindungen in verknüpfte Netze «routen», die digitale Information wird automatisch zum Empfänger weitervermittelt. Damit wird ein nahtloser Uebergang in andere Funknetze bzw. ins Internet gewährleistet, für perfekte Interoperabilität!
Modulationsverfahren, grundsätzliches
Digitale Sprache, wie funktionniert das? Beim Sender: - Die Analog zu Digital Wandlung des Sprachsignals (A/D Wandler) - Die Sprachkodierung im Vocoder (Dezimierung / Kompression / Audio FEC) - Die Kanalkodierung im Channel Coder / Modem (Frameaufbereitung) - Der Modulator (erzeugt das eigentliche Sendesignal) Beim Empfänger: - Demodulierung (im Demodulator) - Signaltrennung im Modem / Channel Decoder (+ FEC zur Signal Wiederherstellung) - Dekodierung des Vocoderstreams -> unkodierte digitale Sprache - Digital zu Analog Wandlung des Sprachsignals (D/A Wandler)
A/D Wandlung, wie geht das? Der A/D Wandler quantisiert ein kontinuierliches Eingangssignal, z. B. eine elektrische Spannung, sowohl in der Zeit als auch in der Signalamplitude. Jedes Signal stellt sich dadurch nach der Umsetzung in einem Signal-Zeit-Diagramm in einer Punktfolge mit gestuften horizontalen und vertikalen Abständen dar. Die Hauptparameter eines A/D Wandlers sind seine digitale Auflösung und seine Umsetzungsdauer, von der die maximal mögliche Umsetzungsrate (Sampling Rate) abhängt. Die Auflösung ist gleichzeitig die Genauigkeitsgrenze für die Umsetzung.
Nach der A/D Wandlung, der Vocoder! Vocoder Frontend (A/D D/A Wandler):
Nach der A/D Wandlung, der Vocoder! Moderne Vocoder: Algebraic code-excited linear prediction (ACELP 4.7 kbit/s 24 kbit/s) Mixed-excitation linear prediction (MELP 2400, 1200 and 600 bit/s) Multi-band excitation (IMBE / AMBE 4800 bit/s 1200 bit/s) Im Funkbereich haben sich die IMBE und AMBE Vocoder von DVSI durchgesetzt. Diese zeichnen sich durch hervorragende Sprachqualität bei maximaler Komprimierung aus. Eine Audio FEC kompensiert effizient allfällige Uebertragungsfehler. Die Vocoder Algorithmen sind parametrierbar und lassen sich nachträglich updaten. Beispiel AMBE bei 2400 Bps
Die Kanalcodierung (Beispiel GMSK)
Vereinfacht... Beispiel einer Frame Struktur (DSTAR)
Beispiel einer Frame Struktur (DSTAR)
Digitale Modulationsverfahren
Digitale Modulationsverfahren
Digitale Modulationsverfahren (1) ASK: AMPLITUDE SHIFT KEYING ist die digitale Form der Amplitudenmodulation. Dabei wird die Amplitude des Trägersignals dem zu modulierenden Bitstrom entsprechend verändert. Das heisst den digitalen Werten 0 und 1 sind jeweils bestimmte Amplitudenwerte zugeordnet. Anwendung: Synchronisation über HF (DCF77) FSK: FREQUENCY SHIFT KEYING Dieses Verfahren ist die digitale Version der Frequenzmodulation. Die Frequenz des Trägersignals wird dem Eingangsbitstrom entsprechend verändert. Die wichtigsten Parameter dieser Modulationsart sind Frequenzhub und Modulationsindex. Der Frequenzhub beschreibt den Unterschied zwischen den diskreten Frequenzausprägungen der dargestellten, digitalen, Bitausprägungen. Der Modulationsindex ist das Produkt aus Hub und der zeitlichen Dauer T eines Symbols. 4FSK wird in APCO P-25 Phase 1 (FDMA) Systeme eingesetzt und ist besonders multipath resistent (Ideal für die Schweizer Gebirgstopographie!) MSK: MINIMUM SHIFT KEYING FSK mit dem Modulationsindex 0.5 wird auch als MSK (Minimum Shift Keying) bezeichnet. Um die Übertragungsrate zu erhöhen, kann man mehrere diskrete Frequenzwerte verwenden. Benutzt man zum Beispiel 4 unterschiedliche Frequenzen, so kann man zwei Bits auf einmal übertragen.
Digitale Modulationsverfahren (2) Oszilloskop Darstellung von FSK: (unten binärer Input, oben Output) In der Regel werden sog. NCO (Numerical Controlled Oscillator) verwendet, anstatt konventionelle VCO s.
Digitale Modulationsverfahren (3) GFSK: (Gaussian Frequency Shift Keying) 4GFSK bezw. 8GFSK (WLAN) Das Problem bei den diskreten Frequenzübergängen ist, dass sie den Rechtecksimpuls widerspiegeln. Da ein Rechteck theoretisch eine unendliche Bandbreite besitzt, würde auch das FSK Signal theoretisch eine unendliche Bandbreite in Anspruch nehmen. Wie wir sehen, wird das Rechteckssignal mit fünf Oberschwingungen nicht sehr genau dargestellt. Man braucht theoretisch unendlich viele Oberschwingungen,damit man das Rechteckssignal perfekt annähern kann. Daher verwendet man heute an Stelle der «harten» FSK eine weiche FSK, nämlich die GFSK. Beim Gaussian Frequency Shift Keying wird der digitale Rechtecksimpuls vor der Modulation durch einen Gauss-Filter geschickt. Dadurch verformt sich das Rechteck zu einer Gausschen Glockenkurve, die sehr viel bessere Uebertragungseigenschaften aufweist, da sie schon mit der Grundschwingung recht passabel angenähert ist.
Digitale Modulationsverfahren (4) PSK: PHASE SHIFT KEYING Bei diesem Modulationsverfahren wird anstatt der Amplitude oder der Frequenz die Phasenlage des Signals dem digitalen Bitstrom entsprechend verändert. Es ist somit das digitale Pendant zur klassischen Phasenmodulation. Eine Gruppe von m Bits lässt sich mit einem Träger übertragen, der n = 2m unterschiedliche Phasenzustände kennt. Für n = 4 ergibt sich 4-PSK, in der englischsprachigen Literatur auch unter QPSK bekannt. QPSK kommt vereinzelt in APCO P-25 Systemen zum Einsatz.
Digitale Modulationsverfahren (5) PSK: PHASE SHIFT KEYING (Fortsetzung) In der Regel kommt es vor, dass bei der Übertragung durch äussere Störeinflüsse die Phasenlage des Signals schwankt. Ein idealer Empfänger kann das digitale Signal wiederherstellen, solange die gestrichelt eingezeichneten Grenzen nicht überschritten werden (Siehe obiges Diagramm). Je mehr Bits man mit einen Phasenzustand darstellen will, desto kleiner werden die Toleranzgrenzen für die Phasenlage und desto wahrscheinlicher werden folglicherweise Bitfehler in der Übertragung. Die GSM Erweiterung EDGE verwendet 8-PSK als Modulationsverfahren. Die Zuordnung zwischen Phasenlage und Bitkombination ist dabei gleichmässig über 360ˇr verteilt. Damit steht einer Bitkombination eine Phasenwinkeltoleranz von 45ˇr zur Verfügung, was für eine atmosphärische Übertragung relativ kritisch ist. Aus diesen Grund musste bei EDGE das Signal-Rauschleistungsverhältnis gegenüber GSM erhöht werden, was bedeutet, dass im EDGE Standard eine höhere Sendeleistung als im GSM Standard vorgesehen ist.
Digitale Modulationsverfahren (6) Binäres PSK (BPSK) ist effizienter als BFSK, aber störungsanfälliger bei Reflexionen. Eine extrem lineare Verstärkung ist erforderlich!
Digitale Modulationsverfahren (7) QPSK: Quadrature Phase Shift Keying QPSK besteht aus 2 parallelen BPSK Systemen (I & Q) und erreicht somit die doppelte Performance bei gleicher Bandbreite! Raised Cosine Filter können effizient zur Spektralfilterung eingesetzt werden.
Digitale Modulationsverfahren (8) Eine beliebte Signaldarstellung für die Qualitätsbeurteilung ist das sog. Augendiagramm.
Digitale Modulationsverfahren (9) Shadow Fading, Mehrwegempfang (Raleigh Fading) und Doppler können digitale Signale stark beeinträchtigen!
Digitale Modulationsverfahren (10)
Digitale Modulationsverfahren, Anwendungen (1) Zusätzlich zu den beschriebenen Modulationsverfahren gibt es noch folgende Techniken zur Datendurchsatz Optimierung: (Mehrträgerverfahren) FDMA: Frequency Division Multiple Access CDMA: Code Division Multiple Access (UMTS!) COFDM: Coded Orthogonal Frequency Multiple Access (DVB / DAB!) TDMA: Time Division Multiple Access (GSM & UMTS!) Bei all diesen Uebertragungstechniken werden standard Modulationsverfahren eingesetzt, jedoch werden diese zusätzlich noch nach Kanal codiert.
Digitale Modulationsverfahren, Anwendungen (2) GMSK: GSM / DSTAR, erlaubt kostengünstige nicht lineare Class C Verstärker Paketorientierte Erweiterung: GPRS (8 GSM Timeslots, max. 56 KB/s.) 4FSK: APCO P-25, gute Mehrwegempfangs Resistenz (CH-Topographie!) 8PSK: EDGE (Wechsel v. GMSK, jetzt 384 KB/s bei 8 GSM Timeslots) 4PSK bezw. QPSK: UMTS «WCDMA» (Wideband Code Division Multiple Access) Brutto Datarate von 30 KB/s mit 256 Bit lange Codewörter WLAN Standard: hier werden 2GFSK / 4GFSK / 8GFSK /DPSK (Differential Pulse Shift Keying) DQPSK (Differential 4PSK) sowie CCK (Complementary Code Keying) verwendet. Neuere WLAN Normen setzen mehrträger Orthogonale Modulationsverfahren ein. QAM64 / QAM256: Quadrature Amplitude Modulation, speziell für hohe Datenraten bei unkritischen Funkstrecken (Rauschanfällig!)
Digitale Modulationsverfahren, Ausblick Digitale Modulationsverfahren gibt es wie Sand am Meer. Die wichtigsten Vertreter sind alle Formen von FSK sowie PSK. Das zusätzliche Verpacken von Modulationsblöcken in Zeitschlitzen bezw. Codierte Segmenten ermöglicht eine Steigerung des Datendurchsatzes und somit der Effizienz.(TDMA, CDMA, COFDM, usw...) Moderne Standards (DMR, DSTAR, IDAS, APCO P-25, HAMNET etc.) basieren auf TCP/IP Technologie. Damit können unterschiedliche Standards über vorhandene IP- Schnittstellen miteinander kommunizieren, die benötigte Information dazu ist bereits in den Funkgeräten enthalten. Wichtige Zusatzinformationen können parallel zur Sprachübertragung gesendet werden, ein MUSS bei Katastrophenszenarien! (GPS Position, eindeutige Teilnehmer ID, Zuteilung der Sprechberechtigungen für versch. Teilnetze, SMS, Direktruf, usw.. Digitale Funkgeräte können über das Funknetz umprogrammiert oder gar gesperrt werden (OTAR). Die vielseitigen neuen Möglichkeiten der digitalen Funktechnik werden mit Sicherheit dazu beitragen, dass mehr und mehr Funk User sich der digitalen Welt anschliessen werden. Die technischen Voraussetzungen dafür sind jetzt geschaffen und die Entwicklung geht weiter
Digitale Modulationsverfahren: das war s! Danke fürs Zuhören! Fragen?