TEL10: Telecommunicatie - Week 1

TEL10: Telecommunicatie - Week 1Hogeschool Rotterdam - Opleiding Elektrotechniek

Hogeschool Rotterdam - Elektrotechniek TEL10 - Week 1 1 / 27

Inhoudsopgave1. Organisatie2. Introductie Telecommunicatie3. H7: Analoge modulatiemethoden (H7)Amplitude Modulatie (AM)ModulatiediepteVermogensverdelingRendementDSB en SSBFrequentie Modulatie (FM)4. Huiswerk


OrganisatieOrganisatie

Urenverdeling per week (7 EC)• Theorieles: 2 x 2 uur per week• Praktijkles: 1 x 4 uur per week• Voorbereiding + zelfstudie: 13 uur per weekBoek:• Boek: ISBN 978-90-78094-54-8

Cijfer:• Praktijk: 40 %, assessment, minimaal een 4• Theorie: 60 %, tentamen, minimaal een 4


OrganisatieOnderwerpen

• Week 1: H7 Analoge modulatiemethoden + Lab 1• Week 2: H8 Analoge demodulatiemethoden + H9 Pulscodemodulatie + Lab 2• Week 3: H1 Informatiesignalen + H2 Versterking & Demping + Lab 3• Week 4: H3 Stoorsignalen & Ruis + H5 signaalvervorming + Lab 4• Week 5: H4 Fourier-reeksen I + Lab 5• Week 6: H4 Fourier-reeksen II + Lab 6• Week 7: H6 Frequentieconversie + afronding labs + oefenopgaven + assessments• Week 8: afronding labs + oefenopgaven + assessments• Week 9: tentamen


Introductie TelecommunicatieIntroductie TelecommunicatieWat is Telecommunicatie?• Het overbrengen van informatie van de ene plek naar de andere, zonder dat ietsof iemand zich fysiek daarnaartoe verplaatst (Wiki).• Informatie-overdracht is het hoofddoel van telecommunicatie

Toepassingen:• Telefoonnetwerk• Internet, Radio, DAB+ en TV• Mobiele communicatie• Glasvezelcommunicatie• Wifi/Bluetooth/LoRa• Satellietnavigatie en ruimte communicatie• Slim elektriciteitsnet• Biomedische toepassingenHogeschool Rotterdam - Elektrotechniek TEL10 - Week 1 5 / 27

Introductie TelecommunicatieIntroductie TelecommunicatieTelecommunicatie:• Telecommunicatie is het versturen van informatie• Nadruk op vertrouwelijkheid, efficiëntie en veiligheid

Drie basiselementen:• Verzender: converteert de boodschap in een geschikte vorm voor verzending(modulatie)• Kanaal: het fysieke medium (bijv. lucht, kabel, coax, glasvezel, etc.). Ditintroduceert vervorming (distortion), ruis (noise) en inmenging (interference)• Ontvanger: reconstrueert een herkenbaar signaal vanuit de boodschap


Introductie TelecommunicatieIntroductie TelecommunicatieData (informatie) kan analoog of digitaal zijn:• Analoog: verwijst naar doorlopende informatie(signalen)

• AM, FM voor geluid, kabel-TV uitzending, etc.• Digitaal: verwijst naar discrete informatie(signalen)

• overdracht van informatie in cijfers (digits), 4G/5G. computer data, SDR, etc.• Het uiteindelijk te verzenden signaal is altijd analoog!


H7: Analoge modulatiemethoden (H7)Analoge modulatiemethoden

Moduleren:• Een signaalbewerking waarmee een elektrisch signaal geschikt wordt gemaaktvoor overdracht langs draadloze weg of via kabel

Basisbandsignaal:• Een signaal met een frequentie tussen 0 en fmax

• Niet mogelijk om direct te verzenden, pas mogelijk vanaf ongeveer 30 kHz

Bekende modulatiemethoden zijn:• Amplitude Modulatie (AM): modulatie van amplitude Uh

• Frequentie Modulatie (FM): modulatie van frequentie !h

• Fase Modulatie (PM): modulatie van fase ’


Draaggolf:Uh(t) = Uh · sin(!ht + ’)

H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Amplitude Modulatie (AM)Amplitude Modulatie (AM)Amplitude Uh van de draaggolf wordtgemoduleerd:• Draaggolf: Uh(t) = Uh · sin(!ht) (’ = 0 hier)• Informatiesignaal: Ui = Ui · cos(pt), met p dehoekfrequentie van het informatiesignaal• Amplitude van de draaggolf wordt nu:Uh + Ui · cos(pt)

Samenvoegen levert:Uh(t) =

“Uh + Ui · cos(pt)

”· sin(!ht)

Uh(t) = Uh · sin(!ht) + Ui · sin(!ht) · cos(pt)

Uh(t) = Uh·sin(!ht)+Ui

2sin`(!h + p)t

´+Ui

2sin`(!h − p)t

´f req:

!h − p

Ui

2

!h + p

Ui

2

!h

Uh


2 sin(¸) sin(˛) = cos(¸− ˛)− cos(¸+ ˛)

2 cos(¸) cos(˛) = cos(¸− ˛) + cos(¸+ ˛)

2 sin(¸) cos(˛) = sin(¸+ ˛) + sin(¸− ˛)

2 cos(¸) sin(˛) = sin(¸+ ˛)− sin(¸− ˛)

H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Amplitude Modulatie (AM)AM Realisatie

Manier 1:• Eerst DC-spanning optellen bij informatiesignaal: UDC + Ui · cos(pt)

• Dan vermenigvuldigen met draaggolfsignaal: Uh(t) = Uh · sin(!ht)

• Resultaat: UAM = UDCUh · sin(!ht) +Ui Uh

2sin`(!h + p)t

´+Ui Uh

2sin`(!h − p)t

´Manier 2 (AD633):• Eerst vermenigvuldigen met draaggolfsignaal: Ui cos(pt) · Uh sin(!ht)

• Daarna draaggolfsignaal hierbij optellen: +Uh · sin(!ht)

• Resultaat: UAM = Uh · sin(!ht) +Ui Uh

2sin`(!h + p)t

´+Ui Uh

2sin`(!h − p)t

´


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) ModulatiediepteModulatiediepteModulatiediepte m:• De mate waarin het informatiesignaal de amplitude van het gemoduleerdesignaal kan variëren.• m =

Ui

Uh

, met 0 ≤ m ≤ 1

Overmodulatie als m ≥ 100 %:• Amplitude informatiesignaal Ui groter dan Amplitude draaggolf Uh


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) ModulatiediepteModulatiediepte m = 510

= 0:5


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) ModulatiediepteModulatiediepte m = 52:5

= 2:0


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) ModulatiediepteVoorbeeld

Een AM signaal is gegeven als:UAM(t) =

»15 + 3 sin

“2ı · 5 · 103t

”–sin“

2ı · 500 · 103t”

• Wat zijn de frequenties van het informatiesignaal fi en van de draaggolf fc?• Wat zijn de amplitudes van de draaggolf, van de bovenzijband en van deonderzijband in het frequentiespectrum?• Hoe groot is de modulatiediepte?• Hoe groot is de bandbreedte?


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) ModulatiediepteVoorbeeldEen AM signaal is gegeven als:

UAM(t) =

»15 + 3 sin

“2ı · 5 · 103t

”–sin“

2ı · 500 · 103t”

• Wat zijn de frequenties van het informatiesignaal fi en van de draaggolf fc?• Wat zijn de amplitudes van de draaggolf, van de bovenzijband en van deonderzijband in het frequentiespectrum?• Hoe groot is de modulatiediepte?• Hoe groot is de bandbreedte?Antwoord:• fc = 500 kHz en fi = 5 kHz• Ac = 15 V, de zijbanden Ai = 1:5 V

UAM(t) = 15 sin“

2ı · 500 · 103t”

+3

2

»cos

“2ı · 495 · 103t

”− cos

“2ı · 505 · 103t

”–• m = 3

15 = 0:2• Bandbreedte B = 505 kHz− 495 kHz = 10 kHzHogeschool Rotterdam - Elektrotechniek TEL10 - Week 1 14 / 27

H7: Analoge modulatiemethoden (H7) VermogensverdelingVermogensverdeling bij AM• Vermogen wordt verdeeld over draaggolf en zijbanden• Hoeveel vermogen in zijbanden? En hoeveel in draaggolf?

Stel vermogen wordt gedissipeerd in weerstand R:Uh(t) = Uh · sin(!ht) +

Ui

2sin`(!h + p)t

´+Ui

2sin`(!h − p)t

´URMS =

Uh√2⇒ Ph =

U2h

2R

P1z =

0@ Ui

2

1A2

2R=U2i

8R=

“m · Uh

”28R

=m2

4

U2h

2R=m2

4Ph

PAM = Ph + 2 · P1z = Ph

1 +

m2

2

!


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) RendementRendement bij AM

• Informatiesignaal zit in de zijbanden.• Rendement is vermogensverhouding van zijbanden t.o.v. totale vermogen

” =2 · P1zPAM

=2 · m

2

4Ph

Ph

1 +

m2

2

! =m2

m2 + 2

Vraag: hoeveel procent van het totale vermogen bevat 1 zijband bij m = 0:5?


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) RendementRendement bij AM

• Informatiesignaal zit in de zijbanden.• Rendement is vermogensverhouding van zijbanden t.o.v. totale vermogen

” =2 · P1zPAM

=2 · m

2

4Ph

Ph

1 +

m2

2

! =m2

m2 + 2

Vraag: hoeveel procent van het totale vermogen bevat 1 zijband bij m = 0:5?Antwoord: ” =

1

9, dus 1 zijband is 1

18= 5:6 %.


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) DSB en SSBDSB en SSB

AMmodulatie:• Draaggolf + som- en verschilfrequenties• Relatief veel vermogen in draaggolf

Dubbelzijband modulatie (DSB):• Geen draaggolf• Alleen som- en verschilfrequenties

Enkelzijband modulatie (SSB):• Geen draaggolf• Slechts 1 zijband

f req:!h − p

Ui

2

!h + p

Ui

2

!h

Uh

f req:!h − p

Ui

2

!h + p

Ui

2

f req:!h + p

Ui

2


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) DSB en SSBHoekmodulatie

Een sinusvormig signaal metamplitude U en hoek ¸ = !ht + ’:U(t) = U · sin(¸)

Hoekmodulatie:• Amplitude is constant• De hoek (frequentie of fase)wordt gemoduleerd


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Verschil AM - FM

AM FM


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Frequentiemodulatie• Bij FM wordt de hoek ¸ van de draaggolf gemoduleerd door de frequentie tevariëren op basis van het informatiesignaal• Voor modulatie wordt vaak gebruik gemaakt van een Voltage ControlledOscillator (VCO). Een VCO zet een spanning aan de ingang om in een frequentieaan de uitgang• Zonder modulatie geldt voor demomentele frequentie Ω van de draaggolf:

Ω = !h

• Als draaggolf gemoduleerd wordt met een informatiespanning Ui · cos(pt), dan isΩ = !h + kf · Ui · cos(pt)

• Modulator-constante kf geeft frequentieverandering per Volt informatiesignaalaan• De grootte van Ω is evenredig met de faseverandering per tijdseenheid, dus

Ω =d¸

dt, oftewel: ¸ =

RΩdt =

R!h + kf · Ui · cos(pt)dt = !ht +

kf · Ui

p· sin(pt)


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Frequentiemodulatie• De tijdfunctie van het FM signaal is hiermee als volgt:

UFM(t) = Uh · sin

0@!ht +kf · Ui

p· sin(pt)

1A• De momentele frequentie Ω = 2ıfh + kf · Ui cos(pt) is hiermee begrensd tussen

2ıfh ± kf · Ui

• De hoekfrequentiezwaai ∆!h = kf · Ui , als kf in radialen per Volt is.• De frequentiezwaai ∆fh = kf · Ui , als kf in Hertz per Volt is.• De carrier swing is gelijk aan twee keer deze (hoek)frequentiezwaai• De FM modulatie-index mf is de verhouding tussen de frequentiezwaai en deinformatiefrequentie. Deze is dus gelijk aan ∆!h

p


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)FrequentiemodulatieUFM(t) = cos

!ht +

kfp· cos(pt)

!


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Opgave

Een sinusvormig signaal met een amplitude van 5V en een frequentie van 1 kHzwordt toegevoerd aan een frequentie modulator. De modulatieconstantekf = 50 Hz=V. De draaggolffrequentie is 100 kHz.Vraag: bereken de frequentiezwaai en de modulatie-index.


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Opgave

Een sinusvormig signaal met een amplitude van 5V en een frequentie van 1 kHzwordt toegevoerd aan een frequentie modulator. De modulatieconstantekf = 50 Hz=V. De draaggolffrequentie is 100 kHz.Vraag: bereken de frequentiezwaai en de modulatie-index.

∆fh = kf Ui = 50 · 5 = 250 Hz

m =∆fhfi

=250

1000= 0:25


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Bandbreedte FM signaal

Theoretisch bestaat het spectrum van een FMsignaal uit oneindig veel harmonischen. Ompraktische redenen wordt bandbreedte beperkt,afhankelijk van de modulatie-index.Wanneer m < 1:Alleen eerste zijbandpaar draagt significant bij(smallband FM):

B = 2∆f

Wanneer m 1, dan geldt de regel van Carson:B = 2

`∆f + fp

´= 2 (m + 1) fp


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Stereo MultiplexsignaalBandbreedte stereo-signaal = 53 kHz.Linker en rechter signalen:

(L+ R) + (L− R) = 2L

(L+ R)− (L− R) = 2R


H7: Analoge modulatiemethoden (H7) Frequentie Modulatie (FM)Vergelijking

• Rendement: FM heeft beter rendement dan AM• Bandbreedte: FM heeft grotere bandbreedte nodig vanwege frequentiezwaai• Storingsgevoeligheid: FM is minder gevoelig voor verstoring dan AM• Prijs/complexiteit: FM is duurder en complexer dan AM• Bereik: Bereik bij hangt af van vermogen en niet van modulatiemethode


HuiswerkHuiswerk

• Voorbereiden Lab 1• Bestuderen H7 §7.1, §7.2, §7.3 en §7.5 m.u.v. Bessel-functies• Opdrachten H7 1-3, 5-9, 11-15a, 16a en 17


TEL10: Telecommunicatie - Week 1

Documents

Transcript of TEL10: Telecommunicatie - Week 1