Theorie van DAB III - de digitale zender en ontvanger 1 (Toestel of techniek)

door Pieter Vos , 22-08-2014, 18:18 (3553 dagen geleden) @ Pieter Vos

Theorie van DAB III - de digitale zender en ontvanger:
Quadratuur modulatie en Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

Tot hiertoe heb ik alleen nog maar omschreven wat een digitale zender als modulatie aangeboden wordt. Nog niet beschreven is de techniek van het digitaal uitzenden zelf. Ik heb al wel aangegeven dat er niet van één draaggolf maar van tientallen of zelfs honderden draaggolven gebruik wordt gemaakt. Al deze draaggolven staan in het frequentie spectrum netjes op dezelfde afstand van elkaar. Deze afstand bepaalt tevens hoe breed de zijbanden bij modulatie van de draaggolven mag zijn, namelijk elke zijband maximaal de helft van de onderlinge draaggolf frequentie afstand.

De te moduleren totale en snelle datastroom wordt eerst gespitst in een aantal langzame datastromen gelijk aan het aantal draaggolven. Stel weer de zender die 1600 kbit/s kan verwerken en stel dat deze digitale zender met 100 draaggolven werkt. De 1600 kbit/s stroom wordt opgesplitst in 100 stromen van 16 kbit/s, één 16kbit/s datastroom voor elke draaggolf. Een 16 kbit/s datastroom is natuurlijk 100 keer langzamer dan de 1600 kbit/s stroom. Daarom is de bandbreedte van elke uitgezonden draaggolf ook 100 keer kleiner dan het geval zou zijn als de 1600kbit/s stroom op één draaggolf zou worden uitgezonden.

Vervolgens worden de bits van de datastromen per draaggolf samengevoegd tot zogenaamde symbolen. Bijvoorbeeld vier bits tot één symbool. Terwijl de afzonderlijke bits alleen de waarden 0 of 1 kunnen aannemen neemt het symbool dan de waarden 0000, 0001, 0010, 0011, enzovoort tot en met 1111 aan, hetgeen betekent dat in totaal 16 waarden voor het symbool mogelijk zijn. De datastroom snelheid is dus omgevormd van een stroom van 16 kbit/s naar een symboolstroom van 4 kilosymbool per seconde.

Bovendien wordt bij elke draaggolf nog een tweede draaggolf opgewekt met dezelfde frequentie maar 90 graden in fase verschoven. Dus in totaal zijn er in het voorbeeld 200 draaggolven. Op basis van de momentele waarde van een symbool wordt elk paar van 90 graden in fase verschoven draaggolven in amplitude gemoduleerd. Omdat in dit voorbeeld een symbool 16 verschillende waarden kan aannemen, zijn er dus ook 16 verschillende modulatie toestanden van het draaggolf paar. Bijvoorbeeld: heeft het symbool de waarde 0000, dan wordt draaggolf a met modulatie sterkte +3 gemoduleerd en zijn 90 graden partner draaggolf b ook met sterkte +3 gemoduleerd. Heeft het symbool bijvoorbeeld de waarde 1011 dan wordt draaggolf a met sterkte -1 gemoduleerd en draaggolf b met sterkte +1. In een afbeelding kunnen zo alle draaggolf modulatie sterkten in relatie tot de symbool waarde worden afgebeeld.

De hier geschetste modulatie methode wordt QAM-16 genoemd. De Q staat voor quadratuur en dit houdt in dat er twee onderling in 90 graden verschoven draaggolven worden gebruikt. De twee draaggolven zijn zogezegd orthogonaal. De AM in QAM staat er voor dat deze golven in amplitude worden gemoduleerd. QAM zelf is weer een onderdeel van Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), ook bekend als Discrete Multi-tone Modulation (DMT), zie http://nl.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency_division_modulation

Deze web pagina bevat ook een afbeelding van QAM-16 in grafiek vorm, zie http://nl.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency_division_modulation#mediaviewer/Bestand:16QAM_m... Men ziet in deze figuur dat de modulatie sterktes van de draaggolf en zijn 90 graden verschoven partner per symbool waarde evenwichtig en maximaal verspreid over het vlak zijn. Het onderscheid van het draaggolven paar is dus per symboolwaarde zo groot mogelijk en dit maakt het voor de ontvanger gemakkelijker het onderscheid als zodanig juist te detecteren.

Voor een ontvanger op afstand worden het draaggolven paar met dezelfde frequentie gezien als één draaggolf. De detectie van QAM kan daarom niet plaatsvinden met de eenvoudige diode methode. AM diode detectie detecteert slechts de vectoriëel opgetelde amplitude som van het draaggolf paar. De momentele fase ervan wordt niet opgemerkt. Daarom moet QAM gedetecteerd worden met behulp van een referentie trilling, opgewekt in de ontvanger zelf. Alleen uit de vergelijking van de referentie trilling met de ontvangen som draaggolf kan ook de fase daarvan worden afgeleid. Fase en amplitude informatie zijn dan voldoende om de momentane symboolwaarde vast te stellen. De referentie trilling zal daarbij ook synchroon moeten blijven met de zender. Hiertoe wordt door de zender aanvullende informatie uitgezonden.

Al met al is de modulatie techniek toegepast bij digitale uitzending nogal ingewikkeld. Daarbij vraagt Orthogonal Frequency Division Multiplexing de nodige rekenkracht van de digitale processors, zowel bij de zender als de ontvanger. Anderzijds heeft OFDM belangrijke voordelen. Deze voordelen hangen direct samen met de lage modulatie frequentie van de orthogonale draaggolf paren en derhalve van de smalle zijbanden bij deze draaggolven. Dat de zijbanden inderdaad smal zijn laat het voorbeeld zien. De totaal uit te zenden bit snelheid bedraagt 1600 kbit/s. Door 100 draaggolf paren te gebruiken hoeft per draaggolf paar nog maar met 16kbit/s gemoduleerd te worden. Door de omzetting van vier bits in één symbool wordt de modulatie snelheid van het draaggolf paar 4000 symbolen per seconde. De modulatie toestand van een orthogonaal draaggolf paar blijft dus telkens 0,25 milliseconde de dezelfde waarde houden.

In benadering kan dit gezien worden als modulatie met een 4000 Hz signaal. De bandbreedte van het orthogonaal draaggolf paar is dus rond 8000 Hz (AM, twee zijbanden). Gezien de draaggolf frequentie van rond 200 MHz (VHF band II frequenties) is de de bandbreedte slechts 4/100000 van de draaggolf frequentie. Dit is veel smalbandiger dan bijvoorbeeld op FM: 200kHz/100MHz = 0,002 en bij AM op de middengolf: 9kHz/1MHz = 0,009. Vervorming door selectieve fading van zijbanden, zoals dat bij MG ontvangst vaak optreedt, zal dus bij ODFM van veel minder van invloed zijn.