diff --git a/CHANGELOG.md b/CHANGELOG.md index ce7d9bab6..b36076eaa 100644 --- a/CHANGELOG.md +++ b/CHANGELOG.md @@ -21,6 +21,7 @@ och följer [semantisk versionshantering](https://semver.org/lang/sv/spec/v2.0.0 - Flyttat litteraturförteckningen till mellan kapitel och bilagor. - Flyttat skrivningen om hembyggd radiosändare till avsnittet om EMC. - Exempel och historiska tillbakablickar markeras tydligare med textrutor. +- Modulation är ett eget kapitel istället för ett avsnitt i Ellära. ### Fixat - Ordet _mod_ har lagts till i sakregistret. diff --git a/Makefile b/Makefile index eec9e7bd7..615c45231 100644 --- a/Makefile +++ b/Makefile @@ -18,8 +18,7 @@ KONCEPT_CH01_FILES = koncept/ellaera.tex \ koncept/chapter1-1.tex koncept/chapter1-2.tex \ koncept/chapter1-3.tex koncept/chapter1-4.tex \ koncept/chapter1-5.tex koncept/chapter1-6.tex \ - koncept/chapter1-7.tex koncept/chapter1-8.tex \ - koncept/chapter1-9.tex + koncept/chapter1-7.tex koncept/chapter1-9.tex KONCEPT_CH02_FILES = koncept/komponenter.tex \ koncept/chapter2-1.tex koncept/chapter2-2.tex \ koncept/chapter2-3.tex koncept/chapter2-4.tex \ @@ -33,6 +32,7 @@ KONCEPT_CH03_FILES = koncept/kretsar.tex \ koncept/chapter3-7.tex koncept/chapter3-8.tex \ koncept/chapter3-9.tex KONCEPT_CH04_FILES = koncept/ioj.tex koncept/chapter4-1.tex +KONCEPT_MODULATION_FILES = koncept/modulation.tex KONCEPT_CH05_FILES = koncept/mottagare.tex \ koncept/chapter5-2.tex \ koncept/chapter5-3.tex koncept/chapter5-4.tex \ @@ -83,6 +83,7 @@ KONCEPT_OTHER_FILES = koncept/foerord.tex koncept/inledning.tex \ koncept.tex KONCEPT_FILES = $(KONCEPT_CH01_FILES) $(KONCEPT_CH02_FILES) \ $(KONCEPT_CH03_FILES) $(KONCEPT_CH04_FILES) \ + $(KONCEPT_MODULATION_FILES) \ $(KONCEPT_CH05_FILES) $(KONCEPT_CH06_FILES) \ $(KONCEPT_CH07_FILES) $(KONCEPT_CH08_FILES) \ $(KONCEPT_CH09_FILES) $(KONCEPT_CH10_FILES) \ diff --git a/koncept/appendix-beskrivningskoder.tex b/koncept/appendix-beskrivningskoder.tex index 4151e860c..f356dc758 100644 --- a/koncept/appendix-beskrivningskoder.tex +++ b/koncept/appendix-beskrivningskoder.tex @@ -125,7 +125,7 @@ \section{Bandbredd} \emph{Nödvändig bandbredd} är den del av den använda bandbredden, som räcker för att säkra informationsöverföringen i den omfattning och kvalitet som krävs. Förenklade sätt att beräkna nödvändig bandbredd vid specifika modulationssystem -finns i kapitel~\ssaref{modulation}. +finns i kapitel~\ssaref{ch:modulation}. \emph{Tilldelat frekvensband} är den nödvändiga bandbredden plus två gånger den absoluta frekvenstoleransen. diff --git a/koncept/appendix-lashanvisningar.tex b/koncept/appendix-lashanvisningar.tex index 3a1f8a570..da59db4bb 100644 --- a/koncept/appendix-lashanvisningar.tex +++ b/koncept/appendix-lashanvisningar.tex @@ -34,7 +34,7 @@ \section{Teknikdelens läsanvisningar} T12 & övertoner & \ssaref{subsec:oevertoner}\\ \hline T13 & analog modulation och analoga sändningsslag& -\ssaref{modulationssystem}, \ssaref{sändningsslag}, \ssaref{kännetecken_modulerade_signaler}, +\ssaref{sec:modulationssystem}, \ssaref{sändningsslag}, \ssaref{kännetecken_modulerade_signaler}, \ssaref{bandbredd_modulation}, \ssaref{modulation_beskrivningskod}\\ && \ssaref{modulation_am}, \ssaref{modulation_cw}, \ssaref{modulation_ssb}, \ssaref{modulation_vinkel}, \ssaref{modulation_fm}\\ \hline diff --git a/koncept/chapter1-8.tex b/koncept/chapter1-8.tex deleted file mode 100644 index fea8c9d66..000000000 --- a/koncept/chapter1-8.tex +++ /dev/null @@ -1,1402 +0,0 @@ -\section{Modulation} -\harecsection{\harec{a}{1.8}{1.8}} -\label{modulation} -\index{modulation} - -\subsection{Allmänt} -\index{modulation} -\index{modulerande signal} -\index{basband} -\index{modulerad signal} -\index{bärvåg} - -\emph{Modulera} (lat. \emph{modulari}, rytmiskt avmäta, eng. \emph{modulate}) -är att med hjälp av en oftast högfrekvent elektrisk signal (bärvågen) överföra -informationen i en lågfrekvent signal. -På så sätt kan lågfrekvens, till exempel tal och musik, först omvandlas till en -elektrisk signal, som får påverka (modulera) en högfrekvent elektrisk signal. -Denna modulerade signal strålas ut från antennen som ett elektromagnetiskt fält. - -Den signal som innehåller informationen kallas \emph{modulerande signal}, -\emph{basband} eller \emph{underbärvåg}. - -Den signal som informationen överförts till kallas \emph{modulerad signal}, -\emph{bärvåg} eller \emph{huvudbärvåg}. - -\subsection{Modulationssystem} -\label{modulationssystem} - -Den största gruppen av modulationssystem är definierad med avseende på hur -huvudbärvågen är modulerad. -Vanligast är då amplitud- och vinkelmodulation. -Av vinkelmodulation finns främst två slag, frekvensmodulation och fasmodulation. -Därutöver finns system för pulsmodulation. - -\subsection{Sändningsslag} -\index{sändningsslag} -\label{sändningsslag} - -Sätten att modulera kallas \emph{sändningsslag}. -Gemensamt för sändningsslagen är att en givare -- det kan vara en mikrofon, en -telegrafnyckel, en fjärrskriftsmaskin, en dator, en TV-kamera -- alstrar -en analog eller digital signal. -Denna styr underbärvågen så att huvudbärvågen moduleras med den avsedda -informationen och sänds ut. - -Det enklaste sändningsslaget får anses vara morsetelegrafi med -''nycklad bärvåg''. -Då förekommer bara två tillstånd, nedtryckt och icke nedtryckt telegrafnyckel, -dvs. antingen bärvåg med någon varaktighet eller ingen bärvåg alls. -Kombinationer av bärvågselement med olika längd motsvarar skrivtecken. - -För att återge tal, musik etc. behövs en noggrannare tillståndsstyrning av -bärvågen. -Det innebär att bärvågen måste moduleras av en underbärvåg och att denna -motsvarar lufttrycksvariationerna i ljudet. - -\subsection{Kännetecken för modulerade signaler} -\label{kännetecken_modulerade_signaler} -\harecsection{\harec{a}{1.8.5}{1.8.5a}} -\index{amplitudmodulation} -\index{frekvensmodulation} -\index{fasmodulation} -\index{pulsmodulation} - -\mediumfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-22.pdf}{Modulerade signaler}{fig:BildII1-22} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-22} illustrerar modulerade signaler. -En modulerad signal kännetecknas av dess amplitud, frekvens och fasläge. - -Vid \emph{amplitudmodulation} påverkas huvudbärvågens amplitud, så att den i -varje tidpunkt motsvarar den modulerande signalens variation. - -Vid \emph{frekvensmodulation} påverkas huvudbärvågens frekvens, så att den i -varje tidpunkt motsvarar den modulerande signalens variation. - -Vid \emph{fasmodulation}, som är besläktad med frekvensmodulation, påverkas i -stället för frekvensen huvudbärvågens fasläge i förhållande till en -referenssignal, så att fasläget i varje tidpunkt motsvarar den modulerande -signalens variation. - -Frekvens- och fasmodulation liknar varandra och kan sammanfattas som -vinkelmodulation, eftersom fasvinkeln mellan bärvågens spänning och ström -varierar i båda fallen. - -Vid \emph{pulsmodulation} används pulståg (korta upprepade bärvågspaket), till -exempel pulsamplitud-, pulslängds-, pulsläges- och pulskodmodulation. -Pulskodmodulation används till exempel vid samtidig överföring av flera -telesamtal på samma linje, bärvåg etc. - -\subsection{Bandbredd vid olika sändningsslag} -\harecsection{\harec{a}{1.8.5}{1.8.5b}} -\index{bandbredd} -\index{frekvenseffektivitet} -\label{bandbredd_modulation} - -Varje radiosändning tar upp plats omkring den nominella bärvågsfrekvensen -- -tillsammans \emph{bandbredden}. - -Radioamatören måste veta detta ''platsbehov'', främst för att inte sända utanför -de frekvensband som är tilldelade för amatörradioanvändning, men även för att -kunna umgås med annan trafik inom banden. - -I alla sändningsslag ökar den använda bandbredden med ökad modulation. -Eftersom största \emph{frekvenseffektivitet} alltid ska eftersträvas så upptar -en sändare med kraftigare modulation än vad som behövs för en överföring alltid -onödigt frekvensutrymme. - -\subsection{Beskrivningskod för sändningsslagen} -\index{sändningsslag} -\label{modulation_beskrivningskod} - -Vid 1979~års radioförvaltningskonferens (WARC~79) i Geneve reviderades det -internationella radioreglementet (RR), som i huvudsak trädde i kraft 1982. -Däri ingår bland annat ett nytt system för klassindelning och beteckning av -sätten att utsända information över radio med mera. -Reglementet har reviderats senare, men i detta stycke gäller det ännu. - -Indelningen i \emph{sändningsslag} behövs för att känneteckna utsändningarna, -till exempel i frekvenslistor, författningar och föreskrifter. -Indelningen är också av stort värde vid teknisk beskrivning av apparater och -system för radiokommunikation. - -Emellertid används av många även äldre benämningar, vilka lever kvar i -litteraturen, i märkning av manöverdonen på sändare och mottagare. - -Dessa äldre benämningar är dock inte entydiga och skapar lätt missförstånd, -varför beskrivningskoden enligt WARC~79 bör användas för tydlighetens skull. - -Här följer avkortade koder enligt WARC~79 för några av de sändningsslag som -amatörer använder mest, samt för jämförelse även de benämningar som fortfarande - -används jämsides (se vidare i bilaga~\ssaref{saendslag}). - -\mediumfig[0.67]{images/cropped_pdfs/bild_2_1-23.pdf}{Modulerande signaler}{fig:BildII1-23} - -\begin{description} -\item[NON] Bärvåg utan modulerande signal. Ingen information. - -\item[A1A] Bärvåg med dubbla sidband. En enda kanal med kvantiserad bärvåg. -Ingen modulerande underbärvåg. Telegrafi. Även kallat nycklad bärvåg (CW). - -\item[A3E] Linjärt modulerad huvudbärvåg. Dubbla sidband. En enda kanal med -analog information. Telefoni. Även kallat amplitudmodulation (AM). - -\item[J3E] Linjärt modulerad huvudbärvåg. Ett sidband med undertryckt bärvåg. - En enda kanal med analog information. Telefoni. - Även kallat enkelt sidband, Single Side Band (SSB). - -\item[F3E] Vinkelmodulerad bärvåg. Frekvensmodulering. En enda kanal med analog -information. Telefoni. Även kallat frekvensmodulering (FM). - -\item[G3E] Vinkelmodulerad bärvåg. Fasmodulering. En enda kanal med analog -information. Telefoni. Även kallat fasmodulering (PM). -\end{description} - -Såväl A1A, A3E som J3E är sändningsslag där amplituden moduleras. -Därför är termen \emph{amplitudmodulation} inte tillräcklig för att beskriva -flera likartade sändningsslag. - -\subsection{Modulerande signaler} -\harecsection{\harec{a}{1.7.1}{1.7.1}} -\index{modulerande signaler} - -\subsubsection{Basband} -\index{basband} - -Basband är ett frekvensområde för en modulerande signal. -Det finns ett basband för alla slags modulerande signaler, vare sig de är -analoga eller digitala. -Det kan finnas mer än ett basband i en komplett modulationsprocess. -Till exempel är en nycklad ton, som går till sändaren genom mikrofoningången, -dess analoga basband medan nycklingspulserna till tongeneratorn är dess -digitala basband. - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-23} illustrerar modulerade signaler. -Ett vanligt sätt att överföra information över radio är med telefoni, det vill -säga tal. - -Frekvensområdet \SIrange{300}{3000}{\hertz} räcker för god förståelighet av tal. -Dels är örat känsligast inom det området och dels finns där den mesta energin -i talet. - -Mikrofonen tar upp de lufttrycksvariationer som uppstår när man talar och -omvandlar dem till elektriska svängningar. -Svängningarna varierar mellan positiva och negativa spänningsvärden. - -\bigskip - -\textbf{Försök} - -\begin{enumerate} -\item Anslut en mikrofon till ett oscilloskop och studera spänningsförloppen - för olika slags ljud, toner, tal osv. som funktion av tiden. - På bilden är dessa svängningar mycket förenklade, till exempel sinusformade. - -\item Anslut en högtalare och ett oscilloskop till en LF-generator, vars -frekvens och amplitud kan ändras. Lyssna på ljud med låg och hög frekvens samt -på svaga och starka ljud. -En baston har låg frekvens och en diskantton har hög frekvens. -En svag ton har liten amplitud och en stark ton har stor amplitud. -\end{enumerate} - -\subsection{Sändningsslaget A3E (AM)} -\harecsection{\harec{a}{1.8.2}{1.8.2}, \harec{a}{1.8.6b}{1.8.6b}, \harec{a}{1.8.7b}{1.8.7b}} -\index{amplitudmodulation} -\index{A3E} -\index{AM|see {amplitudmodulation}} -\label{modulation_am} - -\mediumfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-24.pdf}{Sidband vid A3E-modulation}{fig:BildII1-24} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-24} visar frekvensspektrum av en signal vid -amplitudmodulation med - -\begin{enumerate}[label=\alph*.,noitemsep] -\item en sinuston, -\item en blandning av tre sinustoner, -\item ett frekvensspektrum. -\end{enumerate} - -\noindent\textbf{Försök} -% -Modulera en A3E-sändare med en \qty{3}{\kilo\hertz}-signal. -Med en mottagare utrustad med ett smalt filter för telegrafi, kan man urskilja -och påvisa bärvågen och de båda sidbanden. - -\subsubsection{A3E-modulation med en ton} - -\mediumfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-25.pdf}{A3E-modulation med toner med olika styrka och frekvens}{fig:BildII1-25} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-25} visar A3E-modulation med toner av olika styrka och -frekvens. -En omodulerad bärvåg har konstant amplitud. -En amplitudmodulerad signal är i grunden resultatet av svävning mellan -frekvenser eller av icke linjär blandning av frekvenser. -När bärvåg och basband blandas är särskilt tre blandningsprodukter av -intresse. - -Dessa är: -\begin{itemize} -\item bärvågen -\item det lägre sidbandet (förkortat LSB) -\item det övre sidbandet (förkortat USB). -\end{itemize} - -AM-signalen består således inte bara av bärvågsfrekvensen \(f_{HF}\) utan även -av övre och nedre sidofrekvenser, vilka är summan och skillnaden av -bärvågsfrekvensen \(f_{HF}\) och den modulerande frekvensen \(f_{LF}\). -Alltså \(f_{HF} + f_{LF}\) (övre sidofrekvens) och skillnadsfrekvensen -\(f_{HF} - f_{LF}\) (undre sidofrekvens). - -Eftersom tal inte bara omfattar en enda frekvens utan ett helt frekvensspektrum -(ca \SIrange{0,3}{3}{\kilo\hertz}) uppstår inte bara två sidofrekvenser utan två -sidband, det lägre sidbandet (LSB, Lower Side Band) och det övre (USB, Upper -Side Band). - -LF-signalens frekvens bestämmer sidofrekvensens avstånd från bärvågen. -Bandbredden på en amplitudmodulerad signal med full bärvåg och två sidband är -dubbelt så stor som den högsta modulerande LF-frekvensen: -\(b= 2 \cdot f_{LFmax}\) - -Om de modulerande LF-frekvenserna är mellan 0,3 och \qty{3}{\kilo\hertz} blir -sändningens totala bandbredd \qty{6}{\kilo\hertz}. - -LF-signalernas amplitud påverkar sidbandens och sidofrekvensernas amplitud. -Vid maximal modulation (100~\% modulationsgrad) varierar signalamplituden mellan -noll och dubbla värdet av det för en omodulerad bärvåg. - -Som mest kan vardera sidbandet överföra en fjärdedel så mycket effekt som -bärvågen, dvs. en sjättedel av den totalt utsända effekten. -Då avger sändaren dubbelt så stor medeleffekt som utan modulation. -Toppeffekten (PEP, Peak Envelope Power) är till och med fyra gånger så stor. - -Slutförstärkaren och kraftförsörjningen måste dimensioneras för toppeffekten vid -full modulation eller att modulationsgraden anpassas så att överbelastning inte -sker. - -\subsubsection{Fördelar med A3E-modulation} - -En A3E-sändare är enkel jämfört med en J3E-sändare, vilken har en mer -komplicerad signalbehandling. - -\pagefig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-26.pdf}{Amplitudmodulation med morsetecken}{fig:BildII1-26} - -\subsubsection{Nackdelar med A3E-modulation} - -Eftersom samma information finns i båda sidbanden och ingen finns i bärvågen, -så sänds effekten i bärvågen och ett av sidbanden ut till ingen nytta. -I talpauser sänds endast bärvågseffekten och till ingen nytta. -Även frekvensutrymme slösas bort. -Då en annan, alltför närliggande sändares bärvåg blandas med den egna, -alstras interferenstoner i mottagarna. - -\mediumplustopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-27.pdf}{Sidband vid DSB}{fig:BildII1-27} - -\subsection{Sändningsslaget A1A (CW)} -\harecsection{\harec{a}{1.8.1}{1.8.1}, \harec{a}{1.8.6a}{1.8.6a}, \harec{a}{1.8.7a}{1.8.7a}} -\index{A1A} -\index{CW} -\label{modulation_cw} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-26} visar amplitudmodulation med morsetecken. -Man kan överföra meddelanden med morsetelegrafi på olika sätt. -Det enklaste sättet är att koppla in och ur sändarens bärvåg i takt med -teckendelarna i morsetecknen. -Man kan kalla det för bärvågstelegrafi. -Förfarandet kallas sedan mycket länge även för CW (continous waves), vilket -egentligen anger att bärvågen svänger med konstant amplitud, om man bortser -från att den nycklas. -Detta står i motsats till de dämpade bärvågssvängningar som var fallet i sedan -mycket länge förbjudna gnistsändare. - -Fastän en sändare ''moduleras utan ton'', har den en viss bandbredd. -Det beror på att den takt, som sändaren nycklas med, egentligen är en ton -- -låt vara med låg frekvens. -Antag att sändaren nycklas med en serie korta morsetecken. -Vid telegraferingshastigheten 60~tecken/minut alstrar bärvågspulserna en kantvåg -med frekvensen \qty{5}{\hertz}. -Som tidigare beskrivits, består en sådan kantvåg av summan av sinussignaler med -frekvenserna \qty{5}{\hertz}, \qty{15}{\hertz}, \qty{25}{\hertz}, -\qty{35}{\hertz} och så vidare. - -Det innebär att det uppstår sidofrekvenser över och under bärvågens frekvens och -med ett avstånd till bärvågen av \qty{5}{\hertz}, \qty{15}{\hertz}, -\qty{25}{\hertz}, \qty{35}{\hertz} osv. -Telegrafisändaren har alltså liksom vid A3E en bandbredd, som dels står i -förhållande till nycklingshastigheten och dels till ''kantigheten'' på tecknen, -vilket bestämmer övertonshalten i bärvågen. -Vid så kallad mjuk nyckling kan den 9:e övertonen antas vara den högsta som -uppfattas av en motstation. -Med en nycklingsfrekvens av \qty{5}{\hertz} blir bandbredden inte större än -\(2 \cdot 10 \cdot 5 = \qty{100}{\hertz}\). - -En hård (kantig) och snabb teckengivning ökar bandbredden och kan resultera i -att så kallade nycklingsknäppar kan uppfattas långt vid sidan om -sändningsfrekvensen. -Ju hårdare nycklingen är, desto längre bort från bärvågsfrekvensen hörs -nycklingsknäpparna. -Detta stör andra stationer. - -Kännetecken för sändningsslaget A1A, telegrafi genom nycklad bärvåg: - -Mycket liten bandbredd, extremt gott utnyttjande av sändareffekten, stor -överföringssäkerhet, lång räckvidd, enkla sändare. - -\subsection{Sändningsslaget J3E (SSB)} -\harecsection{\harec{a}{1.8.3c}{1.8.3c}, \harec{a}{1.8.6c}{1.8.6c}, \harec{a}{1.8.7c}{1.8.7c}} -\index{Single Side Band (SSB)} -\index{J3E} -\index{SSB} -\label{modulation_ssb} - -\subsubsection{Princip} - -Som sagts är det onödigt att sända ut två sidband, eftersom båda innehåller -samma information. - -Signaler med endast ett sidband och undertryckt bärvåg kan alstras på flera -sätt. -Numera är den så kallade filtermetoden i särklass vanligast och den enda som -behandlas här. - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-27} illustrerar sidband vid DSB-modulation. -Med filtermetoden blandas HF- och LF-signalerna i en speciell blandare. -Där undertrycks båda dessa signaler medan blandningsprodukterna med deras summa- -och skillnadsfrekvenser blir kvar, dvs. det övre och nedre sidbandet. - -Utsignalen från blandaren benämns DSB-signal (Double Side Band). -Till skillnad från i A3E-signalen saknas dock bärvågen i DSB-signalen. -För att även undertrycka det ena sidbandet före sändningen följs blandaren -av ett bandpassfilter med bandbredd och frekvensläge för avsett sidband. - -Den signal som sänds ut innehåller därför endast ett sidband (Single Side Band). - -% \tallfig[0.45]{images/cropped_pdfs/bild_2_1-28.pdf}{Sidbandsval vid SSB}{fig:BildII1-28} -\mediumtopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-28.pdf}{Sidbandsval vid SSB}{fig:BildII1-28} - -\paragraph{Exempel} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-28} illustrerar sidbandsval vid SSB-modulering. -Ett SSB-filter har ett passband av \SIrange{9000,3}{9003}{\kilo\hertz}. -Vid bärvågsfrekvensen \qty{9000}{\kilo\hertz} sträcker sig det övre sidbandet -från \SIrange{9000,3}{9003}{\kilo\hertz} och släpps igenom. -Däremot blir bärvågsfrekvensen undertryckt. - -Det undre sidbandet \SIrange{8997}{8999,7}{\kilo\hertz} faller utanför filtrets -passband och blir också undertryckt. - -Ska däremot det undre sidbandet kunna passera igenom samma filter, så måste -bärvågsfrekvensen höjas med \qty{3}{\kilo\hertz}, alltså till -\qty{9003}{\kilo\hertz}. -Då faller det undre sidbandet, \SIrange{9002,7}{9000,0}{\kilo\hertz} inom -filtrets passband. - -Det övre sidbandet \SIrange{9003,3}{9006,0}{\kilo\hertz} faller nu utanför -passbandet och blir undertryckt. - -%% k7per: Make this bigger. -\mediumtopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-29.pdf}{Sidbandslägen vid SSB}{fig:BildII1-29} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-29} illustrerar sidbandslägen vid SSB. -LF-signalens amplitud bestämmer amplituden på sidofrekvensen. - -LF-signalens frekvens bestämmer sidofrekvensens avstånd från bärvågsfrekvensen -(bärvågen undertryckt). - -Bandbredden på den utsända signalen är skillnaden mellan högsta och lägsta -modulerande frekvens i signalen: - -till exempel \(b = \qty{3}{\kilo\hertz} - \qty{0,3}{\kilo\hertz} = -\qty{2,7}{\kilo\hertz}\) - -\subsubsection{Fördelar med J3E-modulation} -Bra verkningsgrad vid J3E-modulation jämfört med vid A3E-modulation -(traditionell AM). -Effekten i det utsända sidbandet motsvarar den i ett av sidbanden vid A3E. -Hela den utsända effekten finns alltså i ett enda sidband, -som överför hela informationen. - -I sändningspauserna sänds ingen effekt ut. -Bandbredden är mindre än hälften av den vid A3E. -Vid mottagning av en J3E-sändning (SSB) är det mindre besvär med -interferenstoner från J3E-sändningar på närliggande frekvenser, eftersom ingen -bärvåg och endast ett sidband sänds ut. - -\subsubsection{Nackdelar med J3E-modulation} -J3E-modulation medför mera komplicerade apparater, både för mottagning och -sändning. -En J3E-signal blir förvrängd och hörs i fel tonläge om mottagaren -inte är inställd på exakt rätt frekvens. - -\subsection{Vinkelmodulation} -\harecsection{\harec{a}{1.8.3a}{1.8.3a}} -\index{vinkelmodulation} -\label{modulation_vinkel} - -Termen vinkelmodulation är samlingsnamnet för frekvensmodulation (FM) och -fasmodulation (PM). -Ofta sägs utrustningar vara för frekvensmodulation när de antingen är för -frekvens- eller fasmodulation. -Det finns alltså skillnader och likheter mellan dessa system, vilka emellertid -inte är oberoende av varandra, eftersom frekvensen i en signal inte kan -varieras utan att fasen också varieras, och vice versa. - -Hur effektiv kommunikationen då är beror mest på mottagningsmetoderna. -I båda fallen uppfattas ändringar i den mottagna signalens frekvens och fasläge. -Amplitudändringar uppfattas däremot inte. -De flesta störningar -- särskilt pulserande sådana som från tändningssystem -- -kommer därför att skiljas bort. - -För att effektivt utnyttja fördelarna med vinkelmodulation, antingen det är -frekvens eller fasmodulation, behövs tillräckligt frekvensutrymme. -Det innebär att främst högre frekvensband kommer i fråga. - -\subsection{Frekvensmodulation (FM)} -\harecsection{\harec{a}{1.8.3b}{1.8.3b}, \harec{a}{1.8.6d}{1.8.6d}} -\index{frekvensmodulation} -\index{FM|see {frekvensmodulation}} -\label{modulation_fm} - -\mediumfig[0.8]{images/cropped_pdfs/bild_2_1-30.pdf}{Frekvensmodulation}{fig:BildII1-30} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-30} (överst och i mitten) visar frekvensmodulation. - -Vid frekvensmodulation varierar bärvågens frekvens i takt med den modulerande -signalens amplitud och polaritet. -På bilden ökar bärvågens frekvens när den modulerande signalen är positiv -(första halvperioden) och minskar när den modulerande signalen är negativ -(andra halvperioden). -Bilden visar att perioderna i den modulerade bärvågen tar kortare tid (har -högre frekvens), när den modulerande signalen är positiv, och mer tid (har lägre -frekvens) när den modulerande signalen är negativ. -Bärvågen kommer alltså att pendla omkring ett medelvärde, dvs. vara -frekvensmodulerad. - -Frekvensavvikelsen \(\Delta f\) (deviationen) från bärvågens vilofrekvens är -vid varje tillfälle proportionell mot den modulerande signalens amplitud. -Sålunda är deviationen liten när den modulerande signalens amplitud är liten -och störst när amplituden når sitt toppvärde, antingen amplituden är positiv -eller negativ. -Vid en modulationsfrekvens av \qty{300}{\hertz} varierar bärvågsfrekvensen 300 -gånger per sekund, vid \qty{3}{\kilo\hertz} varierar den 3000 gånger per sekund. - -Likspänningsnivåer kan överföras med FM, eftersom en motsvarande -frekvensavvikelse kan framställas. - -Bilden visar också vad som oftast sägs, att bärvågsamplituden inte ändras av -modulationen. -Detta är emellertid bara delvis sant, eftersom såväl bärvågsamplitud som -sidbandsamplitud varierar med modulationsindex, vilket förklaras nedan. - -\subsubsection{Sidbanden vid vinkelmodulation} - -Vid AM produceras endast ett sidbandspar med samma innehåll, ett över och ett -under bärvågsfrekvensen. -Vid vinkelmodulation, både vid FM och PM, produceras däremot flera sidbandspar -över och under bärvågsfrekvensen. -Dessa sidband uppträder på multiplerna av varje modulerande frekvens. -Vid basband med samma frekvensomfång har därför en vinkelmodulerad signal -större bandbredd än en AM-signal. - -Vid vinkelmodulation beror antalet sidband på sambandet mellan den modulerande -frekvensen, frekvensdeviationen och modulationsindex. - -\mediumtopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-31.pdf}{Sidbandsspektrum vid FM-modulering med 1 sinuston}{fig:BildII1-31} - -\subsubsection{Bandbredden vid vinkelmodulation} - -Bild~\ssaref{fig:BildII1-30} (nederst) visar bandbredd på vinkelmodulation. -Vi gör tankeexperimentet att en FM-sändare moduleras med en fyrkantsvåg. -Frekvensen kommer då att hoppa växelvis mellan frekvenserna \(f\) och -\(f + \Delta f\). -Sättet kallas FSK (frekvensskiftnyckling) och används till exempel vid sändning -av radiofjärrskrift (RTTY, AMTOR, Paketradio etc.). - -Vi föreställer oss två sändare, som sänder varannan gång, varav den ena sänder -frekvensen \(f\) och den andra sänder \(f + \Delta f\). -Båda sändarnas HF-signaler kommer då att bilda ett frekvensspektrum, som -förutom \(f\) och \(f + \Delta f\) även innehåller sidofrekvenser. - -Bredden på detta spektrum beror bland annat på nycklingsfrekvensen. -Eftersom en fyrkantsvåg innehåller summan av dess grundfrekvens och övertoner, -kommer alla dessa toner att modulera vardera sändaren. -De högsta modulerande LF-frekvenserna alstrar sidofrekvenserna längst ut från -vilofrekvensen. -LF-signalens frekvensspektrum påverkar alltså HF-signalens bandbredd. - -Spektrum nederst i bilden är en förenklad framställning av -frekvensskiftnyckling. - -Vid modulation med en sinussignal istället för med en fyrkantssignal, uppstår -ett frekvensspektrum som på överst i bilden. - -%% k7per: Ska inte detts också vara en subsubsection? -\subsubsection{Frekvensdeviation och modulationsindex} -\harecsection{\harec{a}{1.8.4}{1.8.4}} -\index{frekvensdeviation} -\index{modulationsindex} -\index{symbol!\(m\) modulationsindex} - -%% k7per: Find a solution for words that already have a hyphen. quote-dash? -Bild~\ssaref{fig:BildII1-31} visar sidbandsspektrum vid FM-moduler\-ing med 1 -sinuston. -Vid vinkelmodulation uppstår talrika sidofrekvenser, som beror av den -modulerande frekvensen \(f_{LF}\). -Amplitudfördelningen mellan sidofrekvenserna står i förhållande till -deviationen, varvid deras amplitud blir mindre ju längre bort från bärvågen -de är. - -I praktiken anses en sidofrekvens försumbar när dess amplitud är mindre än 1~\% -av amplituden för omodulerad bärvåg. - -För beräkning av bandbredden används begreppet modulationsindex \(m\), vilket är -kvoten av maximal deviation \(\Delta f\) och högsta frekvensen \(f_{LF}\). -%% -\[m = \dfrac{\Delta f_{max}}{f_{LFmax}}\] -%% -Inom amatörradion är det vanligt att arbeta med \(\Delta f_{max} = -\qty{3}{\kilo\hertz}\) och \(f_{LFmax} = \qty{3}{\kilo\hertz}\), dvs. \(m = 1\). - -Vid modulationsindex \(m = 1\), gäller följande formel för bandbredden \(b\) - -% k7per: Make this a formula? -\medskip -\(b = 2 \cdot ( \Delta f_{max} + f_{LFmax}) = 2 \cdot \Delta f_{max} - + 2 \cdot f_{LFmax}\) - \medskip - -Med ovan nämnda värden blir bandbredden \(b = 2 \cdot (\qty{3}{\kilo\hertz} + -\qty{3}{\kilo\hertz}) = \qty{12}{\kilo\hertz}\) - -Bandbredden ökar således både med ökande deviation och ökande modulerande -frekvens. -För att inte interferera med trafik på grannkanalerna måste såväl deviation som -frekvensen på den modulerande signalen begränsas. -En deviationsbegränsare begränsar amplituden på denna signal. -Ett lågpassfilter reducerar den distorsion, som uppstår av begränsningen. -Vidare undertrycks modulerande frekvenser högre än \qty{3}{\kilo\hertz}, vilket -är tillräckligt för överföring av tal. - -\paragraph{Jämförelse} - -En VHF-rundradiosändare är tilldelad ett större frekvensutrymme och kan därför -använda mycket större bandbredd. - -Där är \(\Delta f_{max} = \qty{75}{\kilo\hertz}\) och \(f_{LFmax} = -\qty{15}{\kilo\hertz}\), därmed är \(m = \frac{75}{15} = 5\) och \(b = 2 \cdot -(75 + 15) = \qty{180}{\kilo\hertz}\). - -Som framgår av tabell~\ssaref{tab:ampmod} varierar bärvågens liksom -sidofrekvensernas inbördes amplitud med modulationsindex. -Detta ska jämföras med AM där bärvågens amplitud är konstant och endast -sidbandens amplitud varierar. - -Vid vinkelmodulation utsläcks bärvågen \(A_0\) vid modulationsindex 2,404. -Den blir sedan ''negativ'' vid högre index, vilket betyder att den återkommer, -men att dess fasläge blir omvänt. -I vinkelmodulation tas energin i sidbanden från bärvågen, vilket innebär att -den totala effekten förblir densamma oavsett modulationsindex. - -%\paragraph{Kännetecken för sändningsslaget F3E (FM)} -%\index{F3E} - -\paragraph{Fördelar med sändningsslaget F3E (FM)} -F3E-sän\-daren är enkel till sin uppbyggnad och hög överföringskvalitet -uppnås vid stor bandbredd, störningar från amplitudmodulerade signaler såsom -tändgnistor undertrycks i mottagaren. - -\paragraph{Nackdelar med sändningsslaget F3E (FM)} -En relativt stor bandbredd behövs för överföring av ett basband med stort -frekvensomfång. -Sändaren måste avge full effekt, även när modulation inte sker. - -\begin{table*}[ht] -\begin{center} - %\begin{tabular}{ll|S|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|} - \begin{tabular}{ll|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|l|} -\cline{3-9} -&\multicolumn{1}{l}{} & \multicolumn{7}{|c|}{Modulationsindex} \\ \cline{3-9} -&\multicolumn{1}{l|}{} & \multicolumn{1}{c|}{1} & \multicolumn{1}{c|}{2} & \multicolumn{1}{c|}{3} & \multicolumn{1}{c|}{4} & \multicolumn{1}{c|}{5} & \multicolumn{1}{c|}{6} & \multicolumn{1}{c|}{7} \\ \hline -\multicolumn{1}{|c|}{\multirow{11}{*}{\rotatebox[origin=c]{90}{Relativ amplitud på}}}&\(A_0\) & 0,765 & 0,224 & \num{-0,260} & \num{-0,397} & \num{-0,178} & 0,151 & 0,300 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_1\) & 0,440 & 0,577 & 0,334 & \num{-0,066} & \num{-0,328} & \num{-0,277} & -0,005 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_2\) & 0,115 & 0,353 & 0,486 & 0,364 & 0,047 & \num{-0,243} & -0,301 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_3\) & 0,020 & 0,129 & 0,309 & 0,430 & 0,365 & 0,115 & -0,168 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_4\) & & 0,034 & 0,132 & 0,281 & 0,391 & 0,358 & 0,158 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_5\) & & 0,016 & 0,043 & 0,132 & 0,261 & 0,362 & 0,348 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_6\) & \multicolumn{2}{c|}{} & 0,011 & 0,049 & 0,131 & 0,246 & 0,339 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_7\) & \multicolumn{3}{c|}{} & 0,015 & 0,053 & 0,130 & 0,234 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_8\) & \multicolumn{4}{c|}{} & 0,018 & 0,057 & 0,128 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_9\) & \multicolumn{4}{c}{} & & 0,021 & 0,059 \\ -\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_{10}\) & \multicolumn{5}{c}{Tomma fält för \(A_n\) under 0,01 (1 \%)} & & 0,024 \\ \hline -\end{tabular} -\end{center} -\caption{Relativa amplituden på bärvåg $A_0$ och sidofrekvenser $A_1$--$A_{10}$ vid -modulationsindex 1--7. (Vid omodulerad bärvåg är modulationsindex 0. Då är -bärvågens relativa amplitud 1,0.)} -\label{tab:ampmod} -\end{table*} - - -\subsection{Fasmodulation (PM)} -\index{fasmodulation} -\index{PM} - -Vid fasmodulation varierar bärvågens fasläge i förhållande till ett -referensvärde. -Vid PM är frekvensändringen -- deviationen -- direkt proportionell mot hur -snabbt fasläget på den modulerande frekvensen ändras och till den totala -fasändringen. -Hastigheten på fasändringen är direkt proportionell mot frekvensen på den -modulerande frekvensen och till den momentana amplituden på den modulerande -signalen. - -Det betyder att deviationen i PM-system ökar både med den momentana amplituden -och frekvensen på den modulerande signalen. -Detta att jämföras med FM-system där deviationen är proportionell mot den -momentana amplituden på den modulerande signalen. - -I PM-system uppfattar demodulatorn i mottagaren endast momentana ändringar i -bärvågsfrekvensen. -Till skillnad från vid FM, så kan därför ändringar i likspänningsnivåer -överföras endast om en fasreferens används. - -Med konstant amplitud på insignalen till modulatorn är vid PM -modulationsindex konstant oavsett modulerande frekvens, medan vid FM -modulationsindex varierar med den modulerande frekvensen. - -\subsection{Frekvens- och fasmodulation jämförs} - -\begin{itemize} -\item Frekvensmodulation (FM) alstras genom att sändarens oscillatorfrekvens - varieras (devieras) i takt med den modulerande signalen (t.ex. tal). - Det gör man genom att variera resonansfrekvensen i den resonanskrets som - styr oscillatorfrekvensen. - -\item Fasmodulation (PM) alstras vanligen genom att efter sändaroscillatorn - variera den modulerande signalens fasläge i förhållande till en omodulerad - bärvåg -- så kallad fasmodulering. - Det gör man genom att variera resonansfrekvensen i en resonanskrets efter - oscillatorn, dvs. utan att påverka oscillatorfrekvensen. - -\item I båda fallen ändrar man alltså resonansfrekvensen i en resonanskrets i - takt med frekvensen i den modulerande spänningen, men denna krets har - olika placering i FM-sändare respektive PM-sändare. - -\item I sändaren alstras det i båda fallen utfrekvenser som devierar från - oscillatorns vilofrekvens. - Graden av deviation skiljer emellertid vid FM och PM. - Vid FM är deviationen proportionell mot amplituden på den modulerande - underbärvågen medan deviationen vid PM är proportionell mot produkten av den - modulerande underbärvågens amplitud och frekvens. - -\item Den hörbara skillnaden mellan FM och PM är därför en annorlunda - frekvensgång. - Vid samtidig användning av PM-sändare och FM-mottagare är det alltså lämpligt - att justera frekvensgången i PM-sändarens modulator, lämpligen - med \qty{6}{\decibel} dämpning per oktav ökad frekvens. -\end{itemize} - -\subsection{Pulsmodulation} -\index{pulsmodulation} -\index{PWM} -\index{PAM} -\index{PPM} - -Pulsmodulation används mest i mikrovågsområdet. -Pulsmodulerade signaler sänds vanligen som en serie korta pulser åtskilda av -relativt långa pauser utan modulering. - -En typisk sändning kan bestå av pulser med en längd av \qty{1}{\micro\second} -och en frekvens av \qty{1000}{\hertz}. -Toppeffekten på en pulssändning är därför mycket högre än dess medeleffekt. - -Före WARC~79 var symbolen för all pulssändning P. -Därefter används P endast för omodulerade pulståg. -Annan pulsmodulation har följande symboler - -\begin{description} -\item[K] -- puls-/amplitudmodulation (PAM) -\item[L] -- pulsviddmodulation (PWM) -\item[M] -- pulsposition/fasmodulation (PPM) -\item[Q] -- vinkelmodulation under pulsen -\item[V] -- kombination av dessa eller annat sätt. -\end{description} - -\begin{table*}[ht] -\begin{center} -\begin{tabular}{|L{.12\textwidth}|L{.18\textwidth}|L{.18\textwidth}|L{.18\textwidth}|L{.19\textwidth}|} -\hline - Sändningsslag & - Amplituden på LF-signalen & - Tonhöjden på LF- signalen påverkar & - Bandbredden b förhåller sig till & - För stor amplitud på LF-signalen medför \\ - \hline % ======================================================= - A3E (AM) & - amplituden i båda sidbanden & - sidofrekvensernas avstånd från bärvågen & - LF-signalens högsta frekvens & - övermodulering och för stor bandbredd \\ -\hline - J3E (SSB) & - amplituden på utsänt sidband & - sidofrekvensernas avstånd från bärvågen & - skillnaden mellan LF-signalens högsta och lägsta frekvens & - för stor bandbredd, överstyrning av förstärkarsteg \\ -\hline - F3E (FM) & - deviationen & - hastigheten på bärvågens frekvensändring & - dubbla summan av största deviation och högsta LF-frekvens & - för stor deviation, för stor bandbredd \\ - \hline % ======================================================= -\end{tabular} -\end{center} -\caption{Jämförelse mellan några vanliga sändningsslag inom amatörradio} -\end{table*} - -\subsection{Digital modulation} -\harecsection{\harec{a}{1.8.8}{1.8.8}} -\index{digital modulation} -\label{modulation_digital} - -Utöver de klassiska analoga modulationsmetoderna finns ett antal digitala -modulationsformer. -De är anpassade för transmission av binära data. -I viss mån kan CW ses som digital modulation där 0 moduleras utan bärvåg -och 1 moduleras med bärvåg. -Det finns dock flera andra modulationsmetoder som FSK, 2-PSK/BPSK, 4-PSK och -QAM vilka presenteras i följande delavsnitt. - -\subsubsection{Frekvensskiftsmodulation -- FSK} -\harecsection{\harec{a}{1.8.8a}{1.8.8a}} -\index{frekvensskiftsmodulation} -\index{Frequency Shift Keying (FSK)} -\index{FSK} -\index{frekvensmodulation} -\index{GFSK} -\index{Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)} -\index{Gaussiskt filter} -\index{C4FM} -\index{JT65} -\index{JT9} - -\emph{Frekvensskiftsmodulation} (eng. \emph{Frequency Shift Keying, FSK}) -skiljer sig från CW-modulationen genom att den ändrar frekvensen, dvs. är en -variant av frekvensmodulation. -I den enklaste formen, binär FSK växlar man mellan två frekvenser, där en -frekvens får representera 0 och den andra får representera 1. -Denna metod har används för modem på telefonförbindelser, såsom Bell 103. - -Eftersom varje växling mellan frekvenser ger avbrott i bägge signalerna, likt -nycklingen i CW, så kommer de att skapa sidband. -Av det skälet filtrerar man gärna signalen, och använder man ett Gaussiskt -filter får man \emph{Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)} som används av till -exempel GSM-telefoni. - -Man kan använda fler än två frekvenser, till exempel används fyra frekvenser i -Continuous 4 level FM (C4FM), i Phase 1 radios, i Project 25 samt Fusion. - -Frekvensskift används även för att sända långsamma meddelanden där JT65 -använder 65 frekvenser som den skiftar mellan, medan JT9 använder 9~frekvenser. - -\subsubsection{Binär fasskiftsmodulation -- 2-PSK \& BPSK} -\harecsection{\harec{a}{1.8.8b}{1.8.8b}} -\index{binär fasskift modulation} -\index{fasskift modulation!binär} -\index{2-PSK} -\index{fasskift modulation!2-PSK} -\index{BPSK} -\index{fasskift modulation!BPSK} -\index{Costas loop} - -Istället för att modulera frekvensen kan man modulera polariteten eller fasen. -En sådan modulationsform är \emph{binär fasskift modulation} (eng. -\emph{Binary Phase Shift Keying (BPSK)} eller \emph{2-state Phase Shift Keying -(2-PSK)}. -Förenklat kan man säga att bärvågen moduleras med \num{+1} eller \num{-1}, ofta -med \num{+1} representerande \num{0} och \num{-1} representerande \num{1}. - -En nackdel med BPSK är att om polariteten blir förväxlad kommer meddelandet -att bli inverterat, dvs. 0 blir 1 och 1 blir 0. -BPSK behöver därför också kompletteras med annan digital modulation för att -hantera polariteten, något som i allmänhet kan åstadkommas enkelt. - -BPSK används av satellitnavigationssystem som GPS, GLONASS och Galileo. -För att återvinna BPSK behöver man ofta en speciell variant av PLL-loop känd -som \emph{Costas loop}, eftersom en normal PLL-loop inte klarar av -teckenändringarna på signalen. - -\subsubsection{Fyrnivå fasskiftmodulation -- 4-PSK} -\harecsection{\harec{a}{1.8.8c}{1.8.8c}} -\index{4-PSK} -\index{fasskift modulation!4-PSK} -\index{kvadratur-modulering} -\index{quadrature modulation} -\index{In phase (I)} -\index{Quadrature (Q)} -\index{I/Q modulation} - -Fasskiftmodulation kan även göras med flera nivåer. -När fyra olika faslägen används kallas det för \emph{fyrnivå fasskiftmodulation} -(eng. \emph{4-state Phase Shift Keying, 4-PSK}). - -Istället för 180~graders fasskift (0 och 180 grader) som används vid 2-PSK/BPSK -så använder man 360/4 det vill säga 90 graders fasskift mellan symbolerna. -Ett effektivt sätt att avkoda det är att göra \emph{kvadraturmodulering} (eng. -\emph{quadrature modulation}) där man modulerar en signal till två komponenter, -i \emph{fas} (eng. \emph{In Phase, I}) och förskjuten 90 grader \emph{kvadratur} -(eng. \emph{Quadrature, Q}), ofta kallat I/Q modulering. - -De fyra faslägena kan nu enkelt förklaras som amplituder i de olika faslägena -som anges av tabell~\ssaref{tab:4-PSK}. - -\begin{table}[t] -\begin{center} -\begin{tabular}{|r|r|r|r|} -\hline -Symbol & Vinkel & I & Q \\ \hline -0 & 0 & +1 & 0 \\ -1 & 90 & 0 & +1 \\ -2 & 180 & \num{-1} & 0 \\ -3 & 270 & 0 & \num{-1} \\ \hline -\end{tabular} -\end{center} -\caption{4-PSK i kvadratur-modulering} -\label{tab:4-PSK} -\end{table} - -Amplituden är densamma för alla fyra symbolerna, men med olika vinkel. -I likhet med 2-PSK/BPSK behöver man återvinna fasen och sedan kunna avgöra -vad som är 0~grader, men givet att det görs i den övriga modulationen så -kan informationen avkodas korrekt. - -\subsubsection{Kvadratur-amplitudmodulation -- QAM} -\harecsection{\harec{a}{1.8.8d}{1.8.8d}} -\label{QAM} -\index{kvadratur-amplitudmodulation} -\index{QAM} -\index{16QAM} -\index{DAB} -\index{DVB-T} -\index{DVB-T2} -\index{Wi-Fi} - -Medan fasskiftning kan göras för fler fassteg har man funnit att det inte -är lika enkelt för högre upplösningar. -Redan vid åtta steg behöver man ha I- och Q-värden som är \(\sqrt{1/2}\), vilket -i och för sig går att approximera. -En smidigare modulationsform är istället att låta även amplituden variera, -och genom att låta några bitar modulera I och några bitar modulera Q kan -man enkelt få ett symbolmönster som är effektivt att implementera. -Denna modulationsform kallar man \emph{kvadratur-amplitudmodulation} -(eng. \emph{Quadrature Amplitude Modulation, QAM}). - -Ofta benämner man olika varianter med antalet olika positioner, så att 16QAM -har 16 olika lägen i fas och amplitud tillsammans. -Ett exempel på hur 16QAM kan moduleras finns i tabell~\ssaref{tab:16QAM}. - -\begin{table*}[ht] -\begin{center} -\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|} -\hline -Symbol & Isym & Qsym & Amplitud & Vinkel & I & Q \\ \hline - 0 & 0 & 0 & \(3\sqrt{2}\) & +45 & +3 & +3 \\ - 1 & 0 & 1 & \(\sqrt{10}\) & +72 & +3 & +1 \\ - 2 & 0 & 2 & \(\sqrt{10}\) & +108 & +3 & \num{-1} \\ - 3 & 0 & 3 & \(3\sqrt{2}\) & +135 & +3 & \num{-3} \\ - 4 & 1 & 0 & \(\sqrt{10}\) & +18 & +1 & +3 \\ - 5 & 1 & 1 & \(\sqrt{2}\) & +45 & +1 & +1 \\ - 6 & 1 & 2 & \(\sqrt{2}\) & +135 & +1 & \num{-1} \\ - 7 & 1 & 3 & \(\sqrt{10}\) & +162 & +1 & \num{-3} \\ - 8 & 2 & 0 & \(\sqrt{10}\) & +342 & \num{-1} & +3 \\ - 9 & 2 & 1 & \(\sqrt{2}\) & +315 & \num{-1} & +1 \\ - 10 & 2 & 2 & \(\sqrt{2}\) & +225 & \num{-1} & \num{-1} \\ - 11 & 2 & 3 & \(\sqrt{10}\) & +198 & \num{-1} & \num{-3} \\ - 12 & 3 & 0 & \(3\sqrt{2}\) & +225 & \num{-3} & +3 \\ - 13 & 3 & 1 & \(\sqrt{10}\) & +252 & \num{-3} & +1 \\ - 14 & 3 & 2 & \(\sqrt{10}\) & +288 & \num{-3} & \num{-1} \\ - 15 & 3 & 3 & \(3\sqrt{2}\) & +315 & \num{-3} & \num{-3} \\ \hline -\end{tabular} -\end{center} -\caption{Exempel på 16QAM i kvadraturmodulering} -\label{tab:16QAM} -\end{table*} - -Medan både amplituder och vinklar kan kännas udda, så är det enkelt -att mappa bitarna över till I- och Q-amplituder och faslägen via Isym- och -Qsym-delarna av symboler. - -QAM-modulering används av DAB, DVB-T, DVB-T2, IEEE~802.11 (Wi-Fi), -mikrovågslänkar och många andra moderna system såsom EDGE -(efterföljaren till GSM med högre datatakt), UMTS när man kör -höghastighet (HSPA) liksom i LTE där man kör relativt långsamma -symboler men i stället väldigt många parallellt fördelat över ett -större frekvensband. -I mobiltelefonisystem använder man bland annat 64QAM och 256QAM. - -Mikrovågslänkar använder upp till 2048QAM. -En fördel med QAM-moduleringen är att det är enkelt att få samma avstånd mellan -de olika symbolpositionerna, och därmed kan också modulationen anpassas -till störningen. -Detta nyttjas av många moderna modulationssystem så att QAM-modulationen -anpassas utifrån mottagarens rapportering om störning. -Denna dynamiska anpassning gör att kommunikationen kan upprätthållas även om -kapaciteten tillåts variera. - -\subsection{Begrepp vid digital modulation} -\harecsection{\harec{a}{1.8.9}{1.8.9}} -\index{digital modulation} - -Digital modulation innebär också att signalerna som sänds har lite -andra egenskaper än de analoga. -Istället för varierande spänningsnivåer som för till exempel tal skickar vi -diskreta fixa nivåer, ofta i form av bitar. -Det är därför lämpligt att diskutera några grundläggande begrepp kring digital -modulation. - -\subsubsection{Bit rate} -\harecsection{\harec{a}{1.8.9a}{1.8.9a}} -\index{bit} -\index{byte} -\index{informationsmängd} -\index{informationsöverföringskapacitet} -\index{bit rate} - -Informationen som vi skickar har vi kodat i bitar (eng. \emph{bit, b}), -\emph{informationsmängden} vi har är därför ett visst antal bitar och takten på -denna informationsmängd blir därmed \emph{informationsöverföringskapaciteten} -(eng. \emph{bit rate}) i bitar per sekund. - -Ofta brukar vi referera till informationsmängden som mängden \emph{byte (B)} -som till exempel att en fil är 2\,kB eller en bild är 1,25\,MB. -Då en byte innehåller åtta bitar motsvarar det 16\,kb respektive 10\,Mb. -I dagligt tal talar vi då om storleken på en fil. - -Överföringskapaciteten, eller i dagligt tal hastigheten, brukar vi ofta prata -om i termer av \emph{bit rate} som 10\,Mb/s (ofta skrivet \emph{bps -- bits per -second}), dvs. man klarar av att överföra upp till 10 miljoner bitar per sekund. - -Det är ofta som man talar om den råa överföringskapaciteten, medan den -verkliga överföringskapaciteten för nyttotrafik är något lägre på grund av -olika former av packningsformat och protokollbehov, så kallad \emph{overhead}. -Man ska därför vara noga med att skilja dessa åt. - -\subsubsection{Symboltakt -- Baud rate} -\harecsection{\harec{a}{1.8.9b}{1.8.9b}} -\index{symbol} -\index{symboltakt} -\index{symbol rate} -\index{Baud rate} -\index{Baudot, Emile} -\index{enheter!baud (Bd)} - -Som vi redan sett exempel på kan ibland bitar skickas en och en, eller -ihopklumpade. -Varje sådan ihopklumpning kallas \emph{symbol}, och en symbol kan bära en eller -flera bitar, ibland inte ens ett jämnt antal. - -Om man kan artikulera något i två olika \emph{nivåer} (av amplitud, fas, -frekvens eller kombination), så kan man representera en bit. -Om man kan artikulera något i fyra olika nivåer, kan man representera två bitar. -På samma sätt ger åtta nivåer support för tre bitar. -Varje representation kallar man en symbol och varje symbol bär alltså en, två -eller tre bitar information. -Strikt räknat är det logaritmen med bas två (2-logaritm eller $\log_{2}$) av -antalet nivåer som anger antalet bitar som en symbol kan bära. -Tre nivåer brukar sägas kunna bära 1,5~bitar, vilket är en slarvig approximation -men visar principen. - -Den takt varmed symboler överförs \emph{symboltakten} (eng. \emph{symbol rate}), -benämns även \emph{Baud rate}, efter Emile Baudot, med enheten \emph{baud (Bd)}. -Enheten baud (förkortat Bd) anger antalet symboler per sekund. -Genom att multiplicera antalet symboler per sekund med antalet bitar per symbol -fås överföringskapaciteten bitar per sekund. - -\subsubsection{Bandbredd} -\harecsection{\harec{a}{1.8.9c}{1.8.9c}} -\index{bandbredd} -\index{Nyquist-Shannons samplingsteorem} - -Genom att justera antalet bitar per symbol kan man ändra antalet symboler -per sekund utan att ändra överföringskapaciteten. En anledning till att man -vill göra det är att bandbredden som används av en överföring är ungefär -proportionerlig mot symboltakten, det vill säga hur många baud man överför. -Detta påverkar hur stor del av radiospektrat man upptar, och därmed också hur -nära en annan signal man kan ligga i spektrat utan att störa varandra, dvs. -det påverkar frekvensplaneringen av bandet ifråga. - -Ofta används begreppet bandbredd synonymt med överföringskapaciteten, eftersom -det finns en proportionell relation dem emellan, men bandbredden är inte den -enda parametern som krävs, så i mer strikta sammanhang ska dessa begrepp -hanteras som separata för att undvika missförstånd. - -Bandbredden för en digital ström är relaterad till nyquistteoremet, som säger -att samplingstakten måste vara minst dubbelt så hög som den högsta frekvens -som överförs. - -\subsection{Bitfel -- detektion och korrigering} - -Hittills har vi diskuterat digital modulation utan att ta hänsyn till -störningar och hur dessa påverkar våra överförda data. Precis som -vår CW eller SSB kan vara störd av atmosfäriska störningar, andra sändare -eller helt enkelt vara svaga signaler så att det interna bruset blir en -begränsning, så kommer mottagningen av digitala signaler att bli störd. -Vi ska titta på dessa grundläggande begrepp såsom bitfel, bitfelssannolikhet, -felupptäckt samt korrigering med återsändning eller korrigeringskoder. - -\subsubsection{Bitfel} -\index{bitfel} -\index{bit error} - -Av olika orsaker kommer en eller flera bitar ofta att bli fel. -Vi kallar varje sådant fel för att \emph{bitfel} (eng. \emph{bit error}). -Störningar kan göra att vi tolkar en symbol fel, vilket kan resultera i en eller -flera felaktiga bitar. - -Om vi i till exempel 16QAM-koden i kapitel~\ssaref{QAM} får in +0.2 i I och +1.1 -i Q, ser vi i tabell~\ssaref{tab:16QAM} att närmaste symbolen är symbol 5 med +1 -i I och +1 i Q. -Vi skulle kunna anta att om I är större än 0 och mindre än 2, samt Q är större -än 0 och mindre än 2 så är symbol 5 den enda vettiga symbolen, och det är precis -den tolkning vi i allmänhet gör, för det är den symbolen vars avstånd är lägst -och därmed rimligast. -Det kan dock vara så att man egentligen sände symbol 9 med \num{-1} i I och +1 i -Q, och därmed fick för stor störning på I för att man ska tolka det som rätt -symbol. -Vi kommer då lägga ut 9 istället för 5, vilket innebär att två bitar har -ändrats. - -Genom att granska tabell~\ssaref{tab:16QAM} vidare ser man att värdena för -I och Q för de olika symbolerna är gjorda så att minsta avstånd är 2 mellan -alla närliggande symboler, i respektive I- och Q-riktning. -Det förenklar tolkning av symbolerna. -Är dock störningen större än 1 i någon riktning kommer man tolka den symbolen -fel, och det kan då leda till 1 eller fler bitfel. - -\subsubsection{Bitfelssannolikhet} -\index{bitfelssannolikhet} -\index{bit error rate} -\index{BER|see {bit error rate}} -\index{gaussiskt brus} -\index{brus!gaussiskt} -\index{gaussian noise} -\index{effektiv-värde} -\index{Root Mean Square} -\index{RMS|see {Root Mean Square}} -\index{Error Function (erf)} -\index{erf} - -Om vi antar att vi inte har störning från några andra signaler, utan enbart har -brus som störning, så kan vi estimera \emph{bitfelssannolikheten} (eng. -\emph{bit error rate, BER}) ur hur starkt bruset är i förhållande till vårt -steg. -Eftersom bruset antas vara vitt brus, så har det egenskaperna av \emph{Gaussiskt -brus} (eng. \emph{Gaussian noise}). - -Gaussiskt brus har en statistisk fördelning med hög sannolikhet nära -medelvärdet och avtar sedan med avståndet. -Sannolikheten att man tolkar en signal som vara på ena eller andra sidan av en -gräns beror på hur långt bort från medelvärdet den gränsen, ofta benämnd -kvantiseringsgränsen, är i förhållande till den effektiva värdet (eng. -\emph{Root Mean Square, RMS}) i amplitud hos bruset. -Detta kan uttryckas i form av den matematiska funktionen \emph{error function -(erf)}. - -När gränsen är 1~sigma, det vill säga 1 gånger RMS-värdet för brusamplituden, -från medelvärdet så är det 67~\% sannolikhet att värdet ligger inom -gränsvärdet, det vill säga en bitfelssannolikhet på 33~\%. -Ligger det inom 2 sigma har sannolikheten ökat till 97~\%, en -bitfelssannolikhet på 3~\%, och vid 3 sigma är den 99,7~\% med en -bitfelssannolikhet på ringa 0,3~\%, vilket ofta används för många -ingenjörsapplikationer. -Dock, för överföring av information har vi högre krav. -För en bitfelssannolikhet på \(10^{-12}\), ofta benämnt BER på 1E-12, behövs -det 14~sigma bort till gränsen, dvs. brusmängden får max vara 1/14 av -kvantiseringsgränsen. -Den råa radiokanalen uppvisar dock sällan så bra egenskaper, men det kan uppnås -i kabel och fiber. - -\subsubsection{Detektion} -\harecsection{\harec{a}{1.8.10a}{1.8.10a}} -\index{bitfelsdetektion} -\index{paritet} -\index{CRC} -\label{bitfel_detektion} - -Eftersom störningar förekommer och man har behov av lägre bitfelssannolikhet -än vad den råa kanalen medger är det lämpligt att identifiera när det har -blivit bitfel. -Detta kan utföras på många sätt, men ett sätt är att räkna fram checksummor som -skickas med datat. -Det kräver visserligen en del av informationsöverföringskapaciteten, men -tjänsten det medger är att försäkra sig om att informationen är rimligt korrekt. - -En enkel form av checksumma är paritet, där bitarna i ett ord har summerats ihop -binärt (med XOR) för att bilda en checksumma. -I mottagaränden görs samma kombination och sedan jämförs det med paritetsbiten, -och om de överensstämmer så har inget bitfel upptäckts. -Denna enkla metod har en svaghet i att ett jämnt antal bitfel kommer att -kompensera varandra, varvid det döljer bitfel från upptäckt. -Det är med andra ord inte en särdeles stark checksumma. -Paritet används till exempel i seriekommunikation så som RS-232. - -Ett flertal checksummor finns, för olika ändamål, olika mängd fel och olika -typer av fel. -För lite större meddelanden är det vanligt att summera bytes till en checksumma -antingen additivt eller med XOR. -För större meddelanden används en lite mer intrikat metod som heter Cyclic -Redundancy Check (CRC) där man återmatar överskjutande del på checksumman till -sig själv och får en starkare kod den vägen. -CRC används till exempel i Ethernet. - -\subsubsection{Omsändning} -\harecsection{\harec{a}{1.8.10b}{1.8.10b}} -\index{omsändning} -\index{ARQ} -\index{TCP} - -En enkel åtgärd att vidta när man konstaterat att ett block data man -tagit emot har fel, är att begära omsändning. -Genom att sändaren håller en buffert med meddelanden som den skickat, och -mottagaren meddelar sändare om den mottagit meddelandet eller behöver ha det -omskickat, så kan omsändning realiseras. -Automatisk omsändningsbegäran (eng. \emph{Automatic Repeat reQuest, ARQ}) är en -typ av protokoll som gör automatisk omsändningsbegäran om ett enskilt datablock, -även kallat paket, inte kommit fram rätt eller helt försvunnit. -Ett sådant protokoll är TCP, som ingår i internetsviten av TCP/IP-protokollet. - -\subsubsection{Korrigeringskod -- FEC} -\harecsection{\harec{a}{1.8.10c}{1.8.10c}} -\index{korrigeringskod} -\index{felrättandekod} -\index{FEC} -\index{AMTOR} -\index{Hamming-koder} -\index{paritet} -\index{Reed-Solomon (RS)} - -En annan form av korrigering är att helt enkelt skicka för mycket data redan -från början, som mottagaren kan använda för att korrigera meddelandet utan att -skicka någon begäran till sändaren. -Detta är praktiskt antingen om det skulle ta för mycket tid eller om det helt -enkelt inte finns någon kommunikation från mottagaren till sändaren, till -exempel för satellitmottagare. - -En enkel form av felrättande kod används i AMTOR FEC, där man helt enkelt -sänder samma tecken två gånger. -Liknande används i Bluetooth där meddelandet sänds tre gånger, varvid man kan -göra majoritetsröstning. - -Andra system för FEC är Hamming-koder, paritets-paket och Reed-Solomon (RS). - -\subsection{Digitala sändningsslag} - -Här ges exempel på digitala modulationstekniker för kortvågstillämpningar inom -amatörradio. - -De flesta digitala sändningsslagen för kortvåg är smalbandiga och bandbredden -kan i vissa fall endast vara några hertz. - -Signalbehandlingen sker i den dator som programmet körs på och där datorns -in- och utgång för dess ljudkort är kopplade till amatöradioutrustningen. -Oftast är programmets styrning av sändning och mottagning också kopplad till -lämplig serieport, till exempel via dess USB-anslutning. - -\subsubsection{RTTY} -\index{RTTY} -\index{FSK} -\index{Frequency Shift Keying (FSK)} -\index{Audio Frequency Shift Keying (AFSK)} -\index{AFSK} - -\begin{historiabox} -Ett av de första digitala trafiksätten som användes av radioamatörer var -\emph{RTTY}, uttytt ''RadioTeleTYpe'', där man använde sig av så kallade -teleprintrar, automatiska skrivmaskiner som skrev ut text. - -Emile Baudot konstruerade år~1874 ett system baserat på fem bitar, -som fortfarande används idag. -I augusti 1922 testade The US Department of Navy ''skriven telegrafi'' mellan -ett flygplan och en markstation. -Amerikanska kommersiella RTTY-system fanns aktiva så tidigt som 1932. -Under 50-talet började surplusutrustning komma ut på den amerikanska -marknaden och radioamatörerna var inte sena att prova den nya tekniken på -kortvågsbanden. -De kommersiella systemen körde med 50~baud, 75~baud eller 100~baud. - -Amatörerna i USA körde med 45,45~baud, vilket motsvarar 300 tecken per minut. -De europeiska utrustningarna, bland annat framtagna av Siemens, arbetade med -50~baud men gick att justera ner till 45,45~baud. -45~baud är idag den vedertagna standarden över världen. -\end{historiabox} - -RTTY använder FSK-modulering. -För att åstadkomma detta behöver man styra frekvensen så att den hoppar mellan -två frekvenser med en skillnad, ett så kallat ''skift'', på \qty{170}{\hertz}. - -Äldre sändare behövde modifieras för att åstadkomma detta frekvensskift, men -med en SSB-sändare kunde man istället mata sändaren med två toner, som gav -samma resultat -- så kallad Audio Frequency Shift Keying (AFSK). - -Med nyare amatörradiotransceivrar blev det senare den vanligaste förekommande -metoden att modulera sändaren. -Det innebar att man slapp modifiera utrustningen. - -Idag kör de flesta radioamatörer RTTY med en dator och använder sig ofta av -AFSK-tekniken med hjälp av programvaror, med samma uppkoppling som man använder -för andra digitala trafiksätt. - -\subsubsection{SSTV} -\index{SSTV} - -\emph{Slow Scan Television (SSTV)} är en blandning av analog och digital teknik. -En SSTV sändning sker långsamt jämfört med traditionell TV, men är i grunden -rätt lik. -Varje linje sänds en efter en, men modulerad så att den kan sändas över en -SSB-radiolänk. -Intensiteten för varje pixel anger tonhöjden som moduleras, vilket därmed -innebär en FM-modulation. -Denna FM-modulerade ton skickas sedan över SSB. -I början på varje linje skickas ett 7-bitars tal med jämn paritet som anger -vilken modulationsform som används. -De olika modulationsformerna kan sedan hantera olika upplösningar samt -variera med avseende på svart-vitt eller färg. - -\subsubsection{APRS} -\index{APRS} -\index{AX.25} -\index{TNC} -\label{modulation_aprs} - -\emph{Automatic Packet Reporting System (APRS)} är en teknik för att -huvudsakligen över VHF och UHF förmedla GPS-position, väderdata, enkla -meddelanden och annat. -Den bygger på en teknik som heter \emph{AX.25}, som är en amatörradiospecifik -version av telekomstandarden X.25. -AX.25 moduleras över 1200~baud Bell~202 AFSK teknik på vanlig talkanal. -Ofta används en Terminal Node Controller (TNC) som gränssnitt mellan dator och -radio. - -\subsubsection{PSK31} -\index{PSK31} -\label{modulation_psk31} - -\begin{historiabox} -Namnet beskriver modulationstypen och överföringshastigheten i baud. -Det första programmet utvecklades specifikt för windowsbaserade datorer med -ljudkort av den engelska radioamatören Peter Martinez, G3PLX, och -introducerades i amatörradiovärlden 1998. -\end{historiabox} - -Modulationen som används i PSK31 utvecklades från en idé av den polske -radioamatören Pawel Jalocha, SP9VRC, som hade tagit fram en mjukvara -''SLOWBPSK'' för Motorolas EVM-radio, vilket var ett radiosystem för att -utvärdera olika modulationsformer. -Istället för att använda den gängse metoden med frekvensskift baserades -''SLOWBPSK'' på polaritetsskiftning av fasläget. -Ett bra utformat PSK-baserat system kan ge bättre resultat än FSK, och kan -arbeta med smalare bandbredd än FSK. -Överföringshastigheten 31~baud valdes för att passa en genomsnittlig -skrivhastighet hos den gemene amatören. - -\subsubsection{WSPR} -\index{WSPR} - -\begin{historiabox} -WSPR släpptes i sin första version 2008. -Programmet skrevs initialt av Joe Taylor, K1JT, men är nu ett öppen -källkodsprogram och utvecklas av ett litet team. -Joe Taylor fick sin utbildning i astronomi vid Harvard University. -Han var sedan verksam inom området astrofysik vid Princeton University, -varifrån han pensionerades 2006. -Joe Taylor tilldelades Nobelpriset i fysik år~1993. -\end{historiabox} - -Programmet är i huvudsak tänkt för vågutbredningstester inom kortvågsområdet. -WSPR står för Weak Signaling Propagation Reporter och uttalas ''Whisper''. -WSPR är ett sändningsslag som använder amatörradiostationen som en radiofyr, en -så kallad beacon. -Sändning och mottagning sker i tvåminuterspass och efter varje sändningspass -rapporterar de stationer som mottagit signalen in sitt resultat till en databas -över internet. -Den sändande stationen kan därefter studera resultatet. -WSPR använder låga effekter, det går att nå europeiska stationer med effekter -under \qty{100}{\milli\watt}, och andra kontinenter med effekter under några -watt, även med modesta antenner. - -\subsubsection{WSJT} -\index{WSJT} -\index{FSK441} -\index{JT6M} -\index{JT65} -\index{JT9} -\index{FT8} -\index{FSK} -\index{Frequency Shift Keying (FSK)} -\index{meteorer} -\index{troposcatter} -\index{EME} -\index{månstuds} -\index{8FSK} - -WSJT är liksom WSPR ett program som används inom amatörradiohobbyn för så -kommunikation med svaga signaler. -Även detta program är utvecklat av Joe Taylor, K1JT. -De flesta av dessa sändningsslag (se nedan) är så smalbandiga, att de inte -upptar större bandbredd än några hertz. - -\begin{historiabox} -WSJT presenterades för amatörradiovärlden år~2001 och har undergått ett flertal -revisioner. -Olika sändningsslag har under åren lagts till och tagits bort. -Sedan 2005 har programmet öppen källkod och utvecklas av ett litet team. -\end{historiabox} - -WSJT erbjuder en plattform för ett flertal olika tillämpningar där olika -varianter av i huvudsak FSK-modulering används. - -FSK441 används för att utvärdera överföringar via radiovågsreflekterande skikt -av laddade joner, som uppkommer från de spår som meteorer lämnar efter sig. - -JT6M introducerades år~2002 och är avsett för kommunikation via bland annat -meteorreflektioner på \qty{6}{\metre}-bandet. - -JT65, utvecklat och släppt år~2003, används för kommunikation via troposfären, -så kallat troposcatter, men också för kommunikation via reflektion mot månen -så kallad EME-trafik. - -JT9 används för kortvågstrafik och är snarlikt JT65, men använder sig av en -FSK-signal med nio toner. -JT9 använder sig av mindre än \qty{16}{\hertz} bandbredd. - -FT8 utvecklades och släpptes år~2017 och använder sig av en 8FSK-signal. -FT8 är att föredra vid så kallat multi-hop via E-skikt, där signalerna utsätts -för fädning och där öppningarna mot andra stationer är korta så att man behöver -slutföra kommunikationen inom en kort tid. - -\subsubsection{FreeDV} -\index{FreeDV} - -FreeDV skiljer sig mot de sändningsslag som nämnts ovan genom att detta är tänkt -för digitalt tal på kortvåg. - -\begin{historiabox} -FreeDV skapades av en grupp radioamatörer från olika länder som arbetade -med kodning, utformning, användargränssnitt och testning. -FreeDV släpptes år~2015. -\end{historiabox} - -FreeDV är tänkt att användas på kortvåg med SSB-modulerade radiostationer, -men kan också användas med AM- eller FM-modulering. -Fördelen ska vara att överföringen blir mer robust samt att signaleringen är -utformad för att motverka påverkan av fädning. - -FreeDV använder en något mer komplex modulering. -Man använder sig av ett flertal bärvågor inom dess bandbredd på -\qty{1,25}{\kilo\hertz}. -Bärvägorna ligger med \qty{75}{\hertz} mellanrum och varje bärvåg moduleras med -varianter av PSK-modulering. -Bandbredden är hälften (\qty{1,25}{\kilo\hertz}) av en normal SSB-bandbredd -(\qty{2,4}{\kilo\hertz}). diff --git a/koncept/chapter3-9.tex b/koncept/chapter3-9.tex index ae2f914fc..f40f6a936 100644 --- a/koncept/chapter3-9.tex +++ b/koncept/chapter3-9.tex @@ -42,7 +42,7 @@ \subsection{Amplitudmodulatorer} I båda fallen moduleras förstärkarens arbetsspänning (anodspänning respektive kollektorspänning) med den modulerande signalen. Det som då händer är att två signaler blandas på ett sätt som beskrivs i -avsnitt~\ssaref{modulation} med tillämpning på A3E. +kapitel~\ssaref{ch:modulation} med tillämpning på A3E. I vila är då bärvågsamplituden halva den möjliga inom arbetskurvans linjära del. Vid modulation kommer bärvågens amplitud att variera mellan noll och den möjliga amplituden. @@ -75,7 +75,7 @@ \subsection{Amplitudmodulatorer} reducerad bärvågsamplitud kan av dimensioneringsskäl ändå inte de flesta H3E-sändare avge sin fulla effekt kontinuerligt! -Som redan sagts i avsnitt~\ssaref{modulation}, är det onödigt sända ut två +Som redan sagts i kapitel~\ssaref{ch:modulation}, är det onödigt sända ut två sidband, eftersom båda innehåller samma information. Det räcker med ett sidband. Bärvågen innehåller inte någon information. @@ -113,7 +113,7 @@ \subsection{Sändningsslaget J3E (SSB)} Antingen genom att välja mellan ett separat passbandfilter för respektive sidband eller genom att använda ett enda filter och flytta HF-signalen från ena sidan till den andra av det filtret (se bild~\ssaref{fig:BildII1-28} i -avsnitt~\ssaref{modulation}). +kapitel~\ssaref{ch:modulation}). En J3E-modulator enligt filtermetoden består således av en balanserad blandare ofta en så kallad ringblandare (se bild~\ssaref{fig:BildII3-87} i avsnitt diff --git a/koncept/inkludera-kapitel.tex b/koncept/inkludera-kapitel.tex index 7b8d0f44c..00b7cb4e6 100644 --- a/koncept/inkludera-kapitel.tex +++ b/koncept/inkludera-kapitel.tex @@ -14,9 +14,7 @@ \input{koncept/chapter1-6} % Avsnitt 1.7 Icke sinusformade signaler \input{koncept/chapter1-7} -% Avsnitt 1.8 Modulation -\input{koncept/chapter1-8} -% Avsnitt 1.9 Effekt och energi +% Avsnitt 1.8 Effekt och energi \input{koncept/chapter1-9} % % @@ -77,150 +75,190 @@ \input{koncept/chapter4-1} % % -% Kapitel 5 Mottagare +% Kapitel 5 Modulation +\input{koncept/modulation} +% Avsnitt 5.1 Modulationssystem +\input{koncept/modulation-modulationssystem} +% Avsnitt 5.2 Sändningsslag +\input{koncept/modulation-saendningsslag} +% Avsnitt 5.3 Kännetecken för modulerade signaler +\input{koncept/modulation-kaennetecken} +% Avsnitt 5.4 Bandbredd vid olika sändningsslag +\input{koncept/modulation-bandbredd} +% Avsnitt 5.5 Beskrivningskod för sändningsslagen +\input{koncept/modulation-beskrivningskod} +% Avsnitt 5.6 Modulerande signaler +\input{koncept/modulation-modulerande} +% Avsnitt 5.7 Sändningsslaget A3E (AM) +\input{koncept/modulation-amplitudmodulation} +% Avsnitt 5.8 Sändningsslaget A1A (CW) +\input{koncept/modulation-cw} +% Avsnitt 5.9 Sändningsslaget J3E (SSB) +\input{koncept/modulation-ssb} +% Avsnitt 5.10 Vinkelmodulation +\input{koncept/modulation-vinkelmodulation} +% Avsnitt 5.11 Frekvensmodulation (FM) +\input{koncept/modulation-frekvensmodulation} +% Avsnitt 5.12 Fasmodulation (PM) +\input{koncept/modulation-fasmodulation} +% Avsnitt 5.13 Frekvens- och fasmodulation jämförs +\input{koncept/modulation-fm-pm-jmf} +% Avsnitt 5.14 Pulsmodulation +\input{koncept/modulation-pulsmodulation} +% Avsnitt 5.15 Digital modulation +\input{koncept/modulation-digital-modulation} +% Avsnitt 5.16 Begrepp vid digital modulation +\input{koncept/modulation-digitala-begrepp} +% Avsnitt 5.17 Bitfel - detektion och korrigering +\input{koncept/modulation-bitfel} +% Avsnitt 5.18 Digitala sändningsslag +\input{koncept/modulation-digitala-saendningsslag} +% +% +% Kapitel 6 Mottagare \input{koncept/mottagare} -% Avsnitt 5.1 Raka mottagare +% Avsnitt 6.1 Raka mottagare \input{koncept/chapter5-2} -% Avsnitt 5.2 Superheterodynmottagare +% Avsnitt 6.2 Superheterodynmottagare \input{koncept/chapter5-3} -% Avsnitt 5.3 Jämförelse superheterodyn +% Avsnitt 6.3 Jämförelse superheterodyn \input{koncept/chapter5-4} -% Avsnitt 5.4 Panoramamottagare +% Avsnitt 6.4 Panoramamottagare \input{koncept/chapter5-5} -% Avsnitt 5.5 Mottagningskonvertern +% Avsnitt 6.5 Mottagningskonvertern \input{koncept/chapter5-6} -% Avsnitt 5.6 Transvertern +% Avsnitt 6.6 Transvertern \input{koncept/chapter5-7} -% Avsnitt 5.7 AGC +% Avsnitt 6.7 AGC \input{koncept/chapter5-8} -% Avsnitt 5.8 Egenskaper i mottagare +% Avsnitt 6.8 Egenskaper i mottagare \input{koncept/chapter5-9} % % -% Kapitel 6 Sändare och transceivers +% Kapitel 7 Sändare och transceivers \input{koncept/saendare} -% Avsnitt 6.1 Sändare -% Avsnitt 6.2 Egenskaper i sändare +% Avsnitt 7.1 Sändare +% Avsnitt 7.2 Egenskaper i sändare \input{koncept/chapter6-1} -% Avsnitt 6.3 Transceiver +% Avsnitt 7.3 Transceiver \input{koncept/chapter6-2} % % -% Kapitel 7 Antennsystem +% Kapitel 8 Antennsystem \input{koncept/antennsystem} -% Avsnitt 7.1 Allmänt +% Avsnitt 8.1 Allmänt \input{koncept/chapter7-1} -% Avsnitt 7.2 Polarisation +% Avsnitt 8.2 Polarisation \input{koncept/chapter7-2} -% Avsnitt 7.3 Antenner för kortvåg +% Avsnitt 8.3 Antenner för kortvåg \input{koncept/chapter7-3} -% Avsnitt 7.4 Riktantenner för kortvåg +% Avsnitt 8.4 Riktantenner för kortvåg \input{koncept/chapter7-4} -% Avsnitt 7.5 Antenner för VHF/UHF/SHF +% Avsnitt 8.5 Antenner för VHF/UHF/SHF \input{koncept/chapter7-5} -% Avsnitt 7.6 Transmissionsledningar +% Avsnitt 8.6 Transmissionsledningar \input{koncept/chapter7-6} % % -% Kapitel 8 Vågutbredning +% Kapitel 9 Vågutbredning \input{koncept/vaagutbredning} -% Avsnitt 8.1 Kraftfält antenner +% Avsnitt 9.1 Kraftfält antenner \input{koncept/chapter8-1} -% Avsnitt 8.2 Radiovågornas egenskaper +% Avsnitt 9.2 Radiovågornas egenskaper \input{koncept/chapter8-2} -% Avsnitt 8.3 Jonosfärskikten +% Avsnitt 9.3 Jonosfärskikten \input{koncept/chapter8-3} -% Avsnitt 8.4 Solens inverkan +% Avsnitt 9.4 Solens inverkan \input{koncept/chapter8-4} -% Avsnitt 8.5 Vågutbredning på kortvåg +% Avsnitt 9.5 Vågutbredning på kortvåg \input{koncept/chapter8-5} -% Avsnitt 8.6 Vågutbredning på VHF-EHF +% Avsnitt 9.6 Vågutbredning på VHF-EHF \input{koncept/chapter8-6} -% Avsnitt 8.7 Brus och länkbudget +% Avsnitt 9.7 Brus och länkbudget \input{koncept/chapter8-7} % % -% Kapitel 9 Mätteknik +% Kapitel 10 Mätteknik \input{koncept/maetteknik} -% Avsnitt 9.1 Att mäta +% Avsnitt 10.1 Att mäta \input{koncept/chapter9-1} -% Avsnitt 9.2 Mätinstrument +% Avsnitt 10.2 Mätinstrument \input{koncept/chapter9-2} % % -% Kapitel 10 Elektromagnetisk kompatibilitet +% Kapitel 11 Elektromagnetisk kompatibilitet \input{koncept/emc} -% Avsnitt 10.1 Störningar och störkänslighet +% Avsnitt 11.1 Störningar och störkänslighet \input{koncept/chapter10-1} -% Avsnitt 10.2 Störningar i elektronik +% Avsnitt 11.2 Störningar i elektronik \input{koncept/chapter10-2} -% Avsnitt 10.3 Störningsorsaker +% Avsnitt 11.3 Störningsorsaker \input{koncept/chapter10-3} -% Avsnitt 10.4 Avstörningsmetoder +% Avsnitt 11.4 Avstörningsmetoder \input{koncept/chapter10-4} % % -% Kapitel 11 Elektromagnetiska fält +% Kapitel 12 Elektromagnetiska fält \input{koncept/emf} -% Avsnitt 11.2 Fält -% Avsnitt 11.3 Allmännaråd -% Avsnitt 11.4 Utvärdering av EMF -% Avsnitt 11.5 Egenkontroll -% Avsnitt 11.6 Sammanfattning +% Avsnitt 12.2 Fält +% Avsnitt 12.3 Allmännaråd +% Avsnitt 12.4 Utvärdering av EMF +% Avsnitt 12.5 Egenkontroll +% Avsnitt 12.6 Sammanfattning \input{koncept/chapter11-1} % % -% Kapitel 12 Elsäkerhet +% Kapitel 13 Elsäkerhet \input{koncept/elsaekerhet} -% Avsnitt 12.1 Människokroppen +% Avsnitt 13.1 Människokroppen \input{koncept/chapter12-1} -% Avsnitt 12.2 Allmänna elnätet +% Avsnitt 13.2 Allmänna elnätet \input{koncept/chapter12-2} -% Avsnitt 12.3 Faror +% Avsnitt 13.3 Faror \input{koncept/chapter12-3} -% Avsnitt 12.4 Åska +% Avsnitt 13.4 Åska \input{koncept/chapter12-4} % % -% Kapitel 13 Trafikreglemente +% Kapitel 14 Trafikreglemente \input{koncept/trafikreglemente} -% Avsnitt 13.1 Fonetiska alfabet +% Avsnitt 14.1 Fonetiska alfabet \input{koncept/chapter13-1} -% Avsnitt 13.2 Q-koden +% Avsnitt 14.2 Q-koden \input{koncept/chapter13-2} -% Avsnitt 13.3 Trafikförkortningar +% Avsnitt 14.3 Trafikförkortningar \input{koncept/chapter13-3} -% Avsnitt 13.4 Internationell nödtrafik +% Avsnitt 14.4 Internationell nödtrafik \input{koncept/chapter13-4} -% Avsnitt 13.5 Anropssignaler -% Avsnitt 13.6 Användning av anropssignal -% Avsnitt 13.7 Exempel på kontakt -% Avsnitt 13.8 Innehåll i förbindelse -% Avsnitt 13.9 Hederskod -% Avsnitt 13.10 Ordningsregler +% Avsnitt 14.5 Anropssignaler +% Avsnitt 14.6 Användning av anropssignal +% Avsnitt 14.7 Exempel på kontakt +% Avsnitt 14.8 Innehåll i förbindelse +% Avsnitt 14.9 Hederskod +% Avsnitt 14.10 Ordningsregler \input{koncept/chapter13-5} -% Avsnitt 13.11 Bandplaner -% Avsnitt 13.12 Svenska bandplaner +% Avsnitt 14.11 Bandplaner +% Avsnitt 14.12 Svenska bandplaner \input{koncept/chapter13-6} % % -% Kapitel 14 Bestämmelser +% Kapitel 15 Bestämmelser \input{koncept/bestaemmelser} -% Avsnitt 14.1 ITU RR +% Avsnitt 15.1 ITU RR \input{koncept/chapter14-1} -% Avsnitt 14.2 CEPT +% Avsnitt 15.2 CEPT \input{koncept/chapter14-2} -% Avsnitt 14.3 Svensk lag och föreskrift +% Avsnitt 15.3 Svensk lag och föreskrift \input{koncept/chapter14-3} % % -% Kapitel 15 Loggbok +% Kapitel 16 Loggbok \input{koncept/loggbok} -% Avsnitt 15.1 Kunna visa hur man för en loggbok +% Avsnitt 16.1 Kunna visa hur man för en loggbok \input{koncept/loggbok-exempel} -% Avsnitt 15.2 Föra in data +% Avsnitt 16.2 Föra in data \input{koncept/loggbok-data} -% Avsnitt 15.3 Rapportkoder +% Avsnitt 16.3 Rapportkoder \input{koncept/loggbok-rapportkoder} % % diff --git a/koncept/modulation-amplitudmodulation.tex b/koncept/modulation-amplitudmodulation.tex new file mode 100644 index 000000000..6b73269e4 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-amplitudmodulation.tex @@ -0,0 +1,90 @@ +\section{Sändningsslaget A3E (AM)} +\harecsection{\harec{a}{1.8.2}{1.8.2}, \harec{a}{1.8.6b}{1.8.6b}, \harec{a}{1.8.7b}{1.8.7b}} +\index{amplitudmodulation} +\index{A3E} +\index{AM|see {amplitudmodulation}} +\label{modulation_am} + +\mediumfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-24.pdf}{Sidband vid A3E-modulation}{fig:BildII1-24} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-24} visar frekvensspektrum av en signal vid +amplitudmodulation med + +\begin{enumerate}[label=\alph*.,noitemsep] +\item en sinuston, +\item en blandning av tre sinustoner, +\item ett frekvensspektrum. +\end{enumerate} + +\noindent\textbf{Försök} +% +Modulera en A3E-sändare med en \qty{3}{\kilo\hertz}-signal. +Med en mottagare utrustad med ett smalt filter för telegrafi, kan man urskilja +och påvisa bärvågen och de båda sidbanden. + +\subsection{A3E-modulation med en ton} + +\mediumfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-25.pdf}{A3E-modulation med toner med olika styrka och frekvens}{fig:BildII1-25} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-25} visar A3E-modulation med toner av olika styrka och +frekvens. +En omodulerad bärvåg har konstant amplitud. +En amplitudmodulerad signal är i grunden resultatet av svävning mellan +frekvenser eller av icke linjär blandning av frekvenser. +När bärvåg och basband blandas är särskilt tre blandningsprodukter av intresse. +Dessa är +\begin{itemize} +\item bärvågen +\item det lägre sidbandet (förkortat LSB) +\item det övre sidbandet (förkortat USB). +\end{itemize} + +AM-signalen består således inte bara av bärvågsfrekvensen \(f_{HF}\) utan även +av övre och nedre sidofrekvenser, vilka är summan och skillnaden av +bärvågsfrekvensen \(f_{HF}\) och den modulerande frekvensen \(f_{LF}\). +Alltså \(f_{HF} + f_{LF}\) (övre sidofrekvens) och skillnadsfrekvensen +\(f_{HF} - f_{LF}\) (undre sidofrekvens). + +Eftersom tal inte bara omfattar en enda frekvens utan ett helt frekvensspektrum +(ca \SIrange{0,3}{3}{\kilo\hertz}) uppstår inte bara två sidofrekvenser utan två +sidband, det lägre sidbandet (LSB, Lower Side Band) och det övre (USB, Upper +Side Band). + +LF-signalens frekvens bestämmer sidofrekvensens avstånd från bärvågen. +Bandbredden på en amplitudmodulerad signal med full bärvåg och två sidband är +dubbelt så stor som den högsta modulerande LF-frekvensen: +\(b= 2 \cdot f_{LFmax}\) + +Om de modulerande LF-frekvenserna är mellan 0,3 och \qty{3}{\kilo\hertz} blir +sändningens totala bandbredd \qty{6}{\kilo\hertz}. + +LF-signalernas amplitud påverkar sidbandens och sidofrekvensernas amplitud. +Vid maximal modulation (100~\% modulationsgrad) varierar signalamplituden mellan +noll och dubbla värdet av det för en omodulerad bärvåg. + +Som mest kan vardera sidbandet överföra en fjärdedel så mycket effekt som +bärvågen, dvs. en sjättedel av den totalt utsända effekten. +Då avger sändaren dubbelt så stor medeleffekt som utan modulation. +Toppeffekten (PEP, Peak Envelope Power) är till och med fyra gånger så stor. + +Slutförstärkaren och kraftförsörjningen måste dimensioneras för toppeffekten vid +full modulation eller att modulationsgraden anpassas så att överbelastning inte +sker. + +\subsection{Fördelar med A3E-modulation} + +En A3E-sändare är enkel jämfört med en J3E-sändare, vilken har en mer +komplicerad signalbehandling. + +\pagefig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-26.pdf}{Amplitudmodulation med morsetecken}{fig:BildII1-26} + +\subsection{Nackdelar med A3E-modulation} + +Eftersom samma information finns i båda sidbanden och ingen finns i bärvågen, +så sänds effekten i bärvågen och ett av sidbanden ut till ingen nytta. +I talpauser sänds endast bärvågseffekten och till ingen nytta. +Även frekvensutrymme slösas bort. +Då en annan, alltför närliggande sändares bärvåg blandas med den egna, +alstras interferenstoner i mottagarna. + +\mediumplustopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-27.pdf}{Sidband vid DSB}{fig:BildII1-27} diff --git a/koncept/modulation-bandbredd.tex b/koncept/modulation-bandbredd.tex new file mode 100644 index 000000000..2fdf126c3 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-bandbredd.tex @@ -0,0 +1,17 @@ +\section{Bandbredd vid olika sändningsslag} +\harecsection{\harec{a}{1.8.5}{1.8.5b}} +\index{bandbredd} +\index{frekvenseffektivitet} +\label{bandbredd_modulation} + +Varje radiosändning tar upp plats omkring den nominella bärvågsfrekvensen -- +tillsammans \emph{bandbredden}. + +Radioamatören måste veta detta ''platsbehov'', främst för att inte sända utanför +de frekvensband som är tilldelade för amatörradioanvändning, men även för att +kunna umgås med annan trafik inom banden. + +I alla sändningsslag ökar den använda bandbredden med ökad modulation. +Eftersom största \emph{frekvenseffektivitet} alltid ska eftersträvas så upptar +en sändare med kraftigare modulation än vad som behövs för en överföring alltid +onödigt frekvensutrymme. diff --git a/koncept/modulation-beskrivningskod.tex b/koncept/modulation-beskrivningskod.tex new file mode 100644 index 000000000..bd1c1756c --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-beskrivningskod.tex @@ -0,0 +1,50 @@ +\section{Beskrivningskod för sändningsslagen} +\index{sändningsslag} +\label{modulation_beskrivningskod} + +Vid 1979~års radioförvaltningskonferens (WARC~79) i Geneve reviderades det +internationella radioreglementet (RR), som i huvudsak trädde i kraft 1982. +Däri ingår bland annat ett nytt system för klassindelning och beteckning av +sätten att utsända information över radio med mera. +Reglementet har reviderats senare, men i detta stycke gäller det ännu. + +Indelningen i \emph{sändningsslag} behövs för att känneteckna utsändningarna, +till exempel i frekvenslistor, författningar och föreskrifter. +Indelningen är också av stort värde vid teknisk beskrivning av apparater och +system för radiokommunikation. + +Emellertid används av många även äldre benämningar, vilka lever kvar i +litteraturen, i märkning av manöverdonen på sändare och mottagare. + +Dessa äldre benämningar är dock inte entydiga och skapar lätt missförstånd, +varför beskrivningskoden enligt WARC~79 bör användas för tydlighetens skull. + +Här följer avkortade koder enligt WARC~79 för några av de sändningsslag som +amatörer använder mest, samt för jämförelse även de benämningar som fortfarande +används jämsides (se vidare i bilaga~\ssaref{saendslag}). + +\mediumfig[0.67]{images/cropped_pdfs/bild_2_1-23.pdf}{Modulerande signaler}{fig:BildII1-23} + +\begin{description} +\item[NON] Bärvåg utan modulerande signal. Ingen information. + +\item[A1A] Bärvåg med dubbla sidband. En enda kanal med kvantiserad bärvåg. +Ingen modulerande underbärvåg. Telegrafi. Även kallat nycklad bärvåg (CW). + +\item[A3E] Linjärt modulerad huvudbärvåg. Dubbla sidband. En enda kanal med +analog information. Telefoni. Även kallat amplitudmodulation (AM). + +\item[J3E] Linjärt modulerad huvudbärvåg. Ett sidband med undertryckt bärvåg. + En enda kanal med analog information. Telefoni. + Även kallat enkelt sidband, Single Side Band (SSB). + +\item[F3E] Vinkelmodulerad bärvåg. Frekvensmodulering. En enda kanal med analog +information. Telefoni. Även kallat frekvensmodulering (FM). + +\item[G3E] Vinkelmodulerad bärvåg. Fasmodulering. En enda kanal med analog +information. Telefoni. Även kallat fasmodulering (PM). +\end{description} + +Såväl A1A, A3E som J3E är sändningsslag där amplituden moduleras. +Därför är termen \emph{amplitudmodulation} inte tillräcklig för att beskriva +flera likartade sändningsslag. diff --git a/koncept/modulation-bitfel.tex b/koncept/modulation-bitfel.tex new file mode 100644 index 000000000..4e3109339 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-bitfel.tex @@ -0,0 +1,154 @@ +\section{Bitfel -- detektion och korrigering} + +Hittills har vi diskuterat digital modulation utan att ta hänsyn till störningar +och hur dessa påverkar våra överförda data. +Precis som vår CW eller SSB kan vara störd av atmosfäriska störningar, andra +sändare eller helt enkelt vara svaga signaler så att det interna bruset blir en +begränsning, så kommer mottagningen av digitala signaler att bli störd. +Vi ska titta på dessa grundläggande begrepp såsom bitfel, bitfelssannolikhet, +felupptäckt samt korrigering med återsändning eller korrigeringskoder. + +\subsection{Bitfel} +\index{bitfel} +\index{bit error} + +Av olika orsaker kommer en eller flera bitar ofta att bli fel. +Vi kallar varje sådant fel för att \emph{bitfel} (eng. \emph{bit error}). +Störningar kan göra att vi tolkar en symbol fel, vilket kan resultera i en eller +flera felaktiga bitar. + +Om vi i till exempel 16QAM-koden i kapitel~\ssaref{QAM} får in +0.2 i I och +1.1 +i Q, ser vi i tabell~\ssaref{tab:16QAM} att närmaste symbolen är symbol 5 med +1 +i I och +1 i Q. +Vi skulle kunna anta att om I är större än 0 och mindre än 2, samt Q är större +än 0 och mindre än 2 så är symbol 5 den enda vettiga symbolen, och det är precis +den tolkning vi i allmänhet gör, för det är den symbolen vars avstånd är lägst +och därmed rimligast. +Det kan dock vara så att man egentligen sände symbol 9 med \num{-1} i I och +1 i +Q, och därmed fick för stor störning på I för att man ska tolka det som rätt +symbol. +Vi kommer då lägga ut 9 istället för 5, vilket innebär att två bitar har +ändrats. + +Genom att granska tabell~\ssaref{tab:16QAM} vidare ser man att värdena för +I och Q för de olika symbolerna är gjorda så att minsta avstånd är 2 mellan +alla närliggande symboler, i respektive I- och Q-riktning. +Det förenklar tolkning av symbolerna. +Är dock störningen större än 1 i någon riktning kommer man tolka den symbolen +fel, och det kan då leda till 1 eller fler bitfel. + +\subsection{Bitfelssannolikhet} +\index{bitfelssannolikhet} +\index{bit error rate} +\index{BER|see {bit error rate}} +\index{gaussiskt brus} +\index{brus!gaussiskt} +\index{gaussian noise} +\index{effektiv-värde} +\index{Root Mean Square} +\index{RMS|see {Root Mean Square}} +\index{Error Function (erf)} +\index{erf} + +Om vi antar att vi inte har störning från några andra signaler, utan enbart har +brus som störning, så kan vi estimera \emph{bitfelssannolikheten} (eng. +\emph{bit error rate, BER}) ur hur starkt bruset är i förhållande till vårt +steg. +Eftersom bruset antas vara vitt brus, så har det egenskaperna av \emph{Gaussiskt +brus} (eng. \emph{Gaussian noise}). + +Gaussiskt brus har en statistisk fördelning med hög sannolikhet nära +medelvärdet och avtar sedan med avståndet. +Sannolikheten att man tolkar en signal som vara på ena eller andra sidan av en +gräns beror på hur långt bort från medelvärdet den gränsen, ofta benämnd +kvantiseringsgränsen, är i förhållande till den effektiva värdet (eng. +\emph{Root Mean Square, RMS}) i amplitud hos bruset. +Detta kan uttryckas i form av den matematiska funktionen \emph{error function +(erf)}. + +När gränsen är 1~sigma, det vill säga 1 gånger RMS-värdet för brusamplituden, +från medelvärdet så är det 67~\% sannolikhet att värdet ligger inom +gränsvärdet, det vill säga en bitfelssannolikhet på 33~\%. +Ligger det inom 2 sigma har sannolikheten ökat till 97~\%, en +bitfelssannolikhet på 3~\%, och vid 3 sigma är den 99,7~\% med en +bitfelssannolikhet på ringa 0,3~\%, vilket ofta används för många +ingenjörsapplikationer. +Dock, för överföring av information har vi högre krav. +För en bitfelssannolikhet på \(10^{-12}\), ofta benämnt BER på 1E-12, behövs +det 14~sigma bort till gränsen, dvs. brusmängden får max vara 1/14 av +kvantiseringsgränsen. +Den råa radiokanalen uppvisar dock sällan så bra egenskaper, men det kan uppnås +i kabel och fiber. + +\subsection{Detektion} +\harecsection{\harec{a}{1.8.10a}{1.8.10a}} +\index{bitfelsdetektion} +\index{paritet} +\index{CRC} +\label{bitfel_detektion} + +Eftersom störningar förekommer och man har behov av lägre bitfelssannolikhet +än vad den råa kanalen medger är det lämpligt att identifiera när det har +blivit bitfel. +Detta kan utföras på många sätt, men ett sätt är att räkna fram checksummor som +skickas med datat. +Det kräver visserligen en del av informationsöverföringskapaciteten, men +tjänsten det medger är att försäkra sig om att informationen är rimligt korrekt. + +En enkel form av checksumma är paritet, där bitarna i ett ord har summerats ihop +binärt (med XOR) för att bilda en checksumma. +I mottagaränden görs samma kombination och sedan jämförs det med paritetsbiten, +och om de överensstämmer så har inget bitfel upptäckts. +Denna enkla metod har en svaghet i att ett jämnt antal bitfel kommer att +kompensera varandra, varvid det döljer bitfel från upptäckt. +Det är med andra ord inte en särdeles stark checksumma. +Paritet används till exempel i seriekommunikation så som RS-232. + +Ett flertal checksummor finns, för olika ändamål, olika mängd fel och olika +typer av fel. +För lite större meddelanden är det vanligt att summera bytes till en checksumma +antingen additivt eller med XOR. +För större meddelanden används en lite mer intrikat metod som heter Cyclic +Redundancy Check (CRC) där man återmatar överskjutande del på checksumman till +sig själv och får en starkare kod den vägen. +CRC används till exempel i Ethernet. + +\subsection{Omsändning} +\harecsection{\harec{a}{1.8.10b}{1.8.10b}} +\index{omsändning} +\index{ARQ} +\index{TCP} + +En enkel åtgärd att vidta när man konstaterat att ett block data man tagit emot +har fel, är att begära omsändning. +Genom att sändaren håller en buffert med meddelanden som den skickat, och +mottagaren meddelar sändare om den mottagit meddelandet eller behöver ha det +omskickat, så kan omsändning realiseras. +Automatisk omsändningsbegäran (eng. \emph{Automatic Repeat reQuest, ARQ}) är en +typ av protokoll som gör automatisk omsändningsbegäran om ett enskilt datablock, +även kallat paket, inte kommit fram rätt eller helt försvunnit. +Ett sådant protokoll är TCP, som ingår i internetsviten av TCP/IP-protokollet. + +\subsection{Korrigeringskod -- FEC} +\harecsection{\harec{a}{1.8.10c}{1.8.10c}} +\index{korrigeringskod} +\index{felrättandekod} +\index{FEC} +\index{AMTOR} +\index{Hamming-koder} +\index{paritet} +\index{Reed-Solomon (RS)} + +En annan form av korrigering är att helt enkelt skicka för mycket data redan +från början, som mottagaren kan använda för att korrigera meddelandet utan att +skicka någon begäran till sändaren. +Detta är praktiskt antingen om det skulle ta för mycket tid eller om det helt +enkelt inte finns någon kommunikation från mottagaren till sändaren, till +exempel för satellitmottagare. + +En enkel form av felrättande kod används i AMTOR FEC, där man helt enkelt +sänder samma tecken två gånger. +Liknande används i Bluetooth där meddelandet sänds tre gånger, varvid man kan +göra majoritetsröstning. + +Andra system för FEC är Hamming-koder, paritets-paket och Reed-Solomon (RS). diff --git a/koncept/modulation-cw.tex b/koncept/modulation-cw.tex new file mode 100644 index 000000000..6f68a4c94 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-cw.tex @@ -0,0 +1,49 @@ +\section{Sändningsslaget A1A (CW)} +\harecsection{\harec{a}{1.8.1}{1.8.1}, \harec{a}{1.8.6a}{1.8.6a}, \harec{a}{1.8.7a}{1.8.7a}} +\index{A1A} +\index{CW} +\label{modulation_cw} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-26} visar amplitudmodulation med morsetecken. +Man kan överföra meddelanden med morsetelegrafi på olika sätt. +Det enklaste sättet är att koppla in och ur sändarens bärvåg i takt med +teckendelarna i morsetecknen. +Man kan kalla det för bärvågstelegrafi. +Förfarandet kallas sedan mycket länge även för CW (continous waves), vilket +egentligen anger att bärvågen svänger med konstant amplitud, om man bortser +från att den nycklas. +Detta står i motsats till de dämpade bärvågssvängningar som var fallet i sedan +mycket länge förbjudna gnistsändare. + +Fastän en sändare ''moduleras utan ton'', har den en viss bandbredd. +Det beror på att den takt, som sändaren nycklas med, egentligen är en ton -- +låt vara med låg frekvens. +Antag att sändaren nycklas med en serie korta morsetecken. +Vid telegraferingshastigheten 60~tecken/minut alstrar bärvågspulserna en kantvåg +med frekvensen \qty{5}{\hertz}. +Som tidigare beskrivits, består en sådan kantvåg av summan av sinussignaler med +frekvenserna \qty{5}{\hertz}, \qty{15}{\hertz}, \qty{25}{\hertz}, +\qty{35}{\hertz} och så vidare. + +Det innebär att det uppstår sidofrekvenser över och under bärvågens frekvens och +med ett avstånd till bärvågen av \qty{5}{\hertz}, \qty{15}{\hertz}, +\qty{25}{\hertz}, \qty{35}{\hertz} osv. +Telegrafisändaren har alltså liksom vid A3E en bandbredd, som dels står i +förhållande till nycklingshastigheten och dels till ''kantigheten'' på tecknen, +vilket bestämmer övertonshalten i bärvågen. +Vid så kallad mjuk nyckling kan den 9:e övertonen antas vara den högsta som +uppfattas av en motstation. +Med en nycklingsfrekvens av \qty{5}{\hertz} blir bandbredden inte större än +\(2 \cdot 10 \cdot 5 = \qty{100}{\hertz}\). + +En hård (kantig) och snabb teckengivning ökar bandbredden och kan resultera i +att så kallade nycklingsknäppar kan uppfattas långt vid sidan om +sändningsfrekvensen. +Ju hårdare nycklingen är, desto längre bort från bärvågsfrekvensen hörs +nycklingsknäpparna. +Detta stör andra stationer. + +Kännetecken för sändningsslaget A1A, telegrafi genom nycklad bärvåg: + +Mycket liten bandbredd, extremt gott utnyttjande av sändareffekten, stor +överföringssäkerhet, lång räckvidd, enkla sändare. diff --git a/koncept/modulation-digital-modulation.tex b/koncept/modulation-digital-modulation.tex new file mode 100644 index 000000000..16829f283 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-digital-modulation.tex @@ -0,0 +1,188 @@ +\section{Digital modulation} +\harecsection{\harec{a}{1.8.8}{1.8.8}} +\index{digital modulation} +\label{modulation_digital} + +Utöver de klassiska analoga modulationsmetoderna finns ett antal digitala +modulationsformer. +De är anpassade för transmission av binära data. +I viss mån kan CW ses som digital modulation där 0 moduleras utan bärvåg och 1 +moduleras med bärvåg. +Det finns dock flera andra modulationsmetoder som FSK, 2-PSK/BPSK, 4-PSK och +QAM vilka presenteras i följande delavsnitt. + +\subsection{Frekvensskiftsmodulation -- FSK} +\harecsection{\harec{a}{1.8.8a}{1.8.8a}} +\index{frekvensskiftsmodulation} +\index{Frequency Shift Keying (FSK)} +\index{FSK} +\index{frekvensmodulation} +\index{GFSK} +\index{Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)} +\index{Gaussiskt filter} +\index{C4FM} +\index{JT65} +\index{JT9} + +\emph{Frekvensskiftsmodulation} (eng. \emph{Frequency Shift Keying, FSK}) +skiljer sig från CW-modulationen genom att den ändrar frekvensen, dvs. är en +variant av frekvensmodulation. +I den enklaste formen, binär FSK växlar man mellan två frekvenser, där en +frekvens får representera 0 och den andra får representera 1. +Denna metod har används för modem på telefonförbindelser, såsom Bell 103. + +Eftersom varje växling mellan frekvenser ger avbrott i bägge signalerna, likt +nycklingen i CW, så kommer de att skapa sidband. +Av det skälet filtrerar man gärna signalen, och använder man ett Gaussiskt +filter får man \emph{Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)} som används av till +exempel GSM-telefoni. + +Man kan använda fler än två frekvenser, till exempel används fyra frekvenser i +Continuous 4 level FM (C4FM), i Phase 1 radios, i Project 25 samt Fusion. + +Frekvensskift används även för att sända långsamma meddelanden där JT65 +använder 65 frekvenser som den skiftar mellan, medan JT9 använder 9~frekvenser. + +\subsection{Binär fasskiftsmodulation -- 2-PSK \& BPSK} +\harecsection{\harec{a}{1.8.8b}{1.8.8b}} +\index{binär fasskift modulation} +\index{fasskift modulation!binär} +\index{2-PSK} +\index{fasskift modulation!2-PSK} +\index{BPSK} +\index{fasskift modulation!BPSK} +\index{Costas loop} + +Istället för att modulera frekvensen kan man modulera polariteten eller fasen. +En sådan modulationsform är \emph{binär fasskift modulation} (eng. +\emph{Binary Phase Shift Keying (BPSK)} eller \emph{2-state Phase Shift Keying +(2-PSK)}. +Förenklat kan man säga att bärvågen moduleras med \num{+1} eller \num{-1}, ofta +med \num{+1} representerande \num{0} och \num{-1} representerande \num{1}. + +En nackdel med BPSK är att om polariteten blir förväxlad kommer meddelandet att +bli inverterat, dvs. 0 blir 1 och 1 blir 0. +BPSK behöver därför också kompletteras med annan digital modulation för att +hantera polariteten, något som i allmänhet kan åstadkommas enkelt. + +BPSK används av satellitnavigationssystem som GPS, GLONASS och Galileo. +För att återvinna BPSK behöver man ofta en speciell variant av PLL-loop känd +som \emph{Costas loop}, eftersom en normal PLL-loop inte klarar av +teckenändringarna på signalen. + +\subsection{Fyrnivå fasskiftmodulation -- 4-PSK} +\harecsection{\harec{a}{1.8.8c}{1.8.8c}} +\index{4-PSK} +\index{fasskift modulation!4-PSK} +\index{kvadratur-modulering} +\index{quadrature modulation} +\index{In phase (I)} +\index{Quadrature (Q)} +\index{I/Q modulation} + +Fasskiftmodulation kan även göras med flera nivåer. +När fyra olika faslägen används kallas det för \emph{fyrnivå fasskiftmodulation} +(eng. \emph{4-state Phase Shift Keying, 4-PSK}). + +Istället för 180~graders fasskift (0 och 180 grader) som används vid 2-PSK/BPSK +så använder man 360/4 det vill säga 90 graders fasskift mellan symbolerna. +Ett effektivt sätt att avkoda det är att göra \emph{kvadraturmodulering} (eng. +\emph{quadrature modulation}) där man modulerar en signal till två komponenter, +i \emph{fas} (eng. \emph{In Phase, I}) och förskjuten 90 grader \emph{kvadratur} +(eng. \emph{Quadrature, Q}), ofta kallat I/Q modulering. + +De fyra faslägena kan nu enkelt förklaras som amplituder i de olika faslägena +som anges av tabell~\ssaref{tab:4-PSK}. + +\begin{table}[t] +\begin{center} +\begin{tabular}{|r|r|r|r|} +\hline +Symbol & Vinkel & I & Q \\ \hline +0 & 0 & +1 & 0 \\ +1 & 90 & 0 & +1 \\ +2 & 180 & \num{-1} & 0 \\ +3 & 270 & 0 & \num{-1} \\ \hline +\end{tabular} +\end{center} +\caption{4-PSK i kvadratur-modulering} +\label{tab:4-PSK} +\end{table} + +Amplituden är densamma för alla fyra symbolerna, men med olika vinkel. +I likhet med 2-PSK/BPSK behöver man återvinna fasen och sedan kunna avgöra +vad som är 0~grader, men givet att det görs i den övriga modulationen så +kan informationen avkodas korrekt. + +\subsection{Kvadratur-amplitudmodulation -- QAM} +\harecsection{\harec{a}{1.8.8d}{1.8.8d}} +\label{QAM} +\index{kvadratur-amplitudmodulation} +\index{QAM} +\index{16QAM} +\index{DAB} +\index{DVB-T} +\index{DVB-T2} +\index{Wi-Fi} + +Medan fasskiftning kan göras för fler fassteg har man funnit att det inte är +lika enkelt för högre upplösningar. +Redan vid åtta steg behöver man ha I- och Q-värden som är \(\sqrt{1/2}\), vilket +i och för sig går att approximera. +En smidigare modulationsform är istället att låta även amplituden variera, och +genom att låta några bitar modulera I och några bitar modulera Q kan man enkelt +få ett symbolmönster som är effektivt att implementera. +Denna modulationsform kallar man \emph{kvadratur-amplitudmodulation} +(eng. \emph{Quadrature Amplitude Modulation, QAM}). + +Ofta benämner man olika varianter med antalet olika positioner, så att 16QAM +har 16 olika lägen i fas och amplitud tillsammans. +Ett exempel på hur 16QAM kan moduleras finns i tabell~\ssaref{tab:16QAM}. + +\begin{table*}[ht] +\begin{center} +\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|} +\hline +Symbol & Isym & Qsym & Amplitud & Vinkel & I & Q \\ \hline + 0 & 0 & 0 & \(3\sqrt{2}\) & +45 & +3 & +3 \\ + 1 & 0 & 1 & \(\sqrt{10}\) & +72 & +3 & +1 \\ + 2 & 0 & 2 & \(\sqrt{10}\) & +108 & +3 & \num{-1} \\ + 3 & 0 & 3 & \(3\sqrt{2}\) & +135 & +3 & \num{-3} \\ + 4 & 1 & 0 & \(\sqrt{10}\) & +18 & +1 & +3 \\ + 5 & 1 & 1 & \(\sqrt{2}\) & +45 & +1 & +1 \\ + 6 & 1 & 2 & \(\sqrt{2}\) & +135 & +1 & \num{-1} \\ + 7 & 1 & 3 & \(\sqrt{10}\) & +162 & +1 & \num{-3} \\ + 8 & 2 & 0 & \(\sqrt{10}\) & +342 & \num{-1} & +3 \\ + 9 & 2 & 1 & \(\sqrt{2}\) & +315 & \num{-1} & +1 \\ + 10 & 2 & 2 & \(\sqrt{2}\) & +225 & \num{-1} & \num{-1} \\ + 11 & 2 & 3 & \(\sqrt{10}\) & +198 & \num{-1} & \num{-3} \\ + 12 & 3 & 0 & \(3\sqrt{2}\) & +225 & \num{-3} & +3 \\ + 13 & 3 & 1 & \(\sqrt{10}\) & +252 & \num{-3} & +1 \\ + 14 & 3 & 2 & \(\sqrt{10}\) & +288 & \num{-3} & \num{-1} \\ + 15 & 3 & 3 & \(3\sqrt{2}\) & +315 & \num{-3} & \num{-3} \\ \hline +\end{tabular} +\end{center} +\caption{Exempel på 16QAM i kvadraturmodulering} +\label{tab:16QAM} +\end{table*} + +Medan både amplituder och vinklar kan kännas udda, så är det enkelt att mappa +bitarna över till I- och Q-amplituder och faslägen via Isym- och Qsym-delarna av +symboler. + +QAM-modulering används av DAB, DVB-T, DVB-T2, IEEE~802.11 (Wi-Fi), +mikrovågslänkar och många andra moderna system såsom EDGE +(efterföljaren till GSM med högre datatakt), UMTS när man kör +höghastighet (HSPA) liksom i LTE där man kör relativt långsamma +symboler men i stället väldigt många parallellt fördelat över ett +större frekvensband. +I mobiltelefonisystem använder man bland annat 64QAM och 256QAM. + +Mikrovågslänkar använder upp till 2048QAM. +En fördel med QAM-moduleringen är att det är enkelt att få samma avstånd mellan +de olika symbolpositionerna, och därmed kan också modulationen anpassas till +störningen. +Detta nyttjas av många moderna modulationssystem så att QAM-modulationen +anpassas utifrån mottagarens rapportering om störning. +Denna dynamiska anpassning gör att kommunikationen kan upprätthållas även om +kapaciteten tillåts variera. diff --git a/koncept/modulation-digitala-begrepp.tex b/koncept/modulation-digitala-begrepp.tex new file mode 100644 index 000000000..babb2385b --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-digitala-begrepp.tex @@ -0,0 +1,90 @@ +\section{Begrepp vid digital modulation} +\harecsection{\harec{a}{1.8.9}{1.8.9}} +\index{digital modulation} + +Digital modulation innebär också att signalerna som sänds har lite andra +egenskaper än de analoga. +Istället för varierande spänningsnivåer som för till exempel tal skickar vi +diskreta fixa nivåer, ofta i form av bitar. +Det är därför lämpligt att diskutera några grundläggande begrepp kring digital +modulation. + +\subsection{Bit rate} +\harecsection{\harec{a}{1.8.9a}{1.8.9a}} +\index{bit} +\index{byte} +\index{informationsmängd} +\index{informationsöverföringskapacitet} +\index{bit rate} + +Informationen som vi skickar har vi kodat i bitar (eng. \emph{bit, b}), +\emph{informationsmängden} vi har är därför ett visst antal bitar och takten på +denna informationsmängd blir därmed \emph{informationsöverföringskapaciteten} +(eng. \emph{bit rate}) i bitar per sekund. + +Ofta brukar vi referera till informationsmängden som mängden \emph{byte (B)} +som till exempel att en fil är 2\,kB eller en bild är 1,25\,MB. +Då en byte innehåller åtta bitar motsvarar det 16\,kb respektive 10\,Mb. +I dagligt tal talar vi då om storleken på en fil. + +Överföringskapaciteten, eller i dagligt tal hastigheten, brukar vi ofta prata +om i termer av \emph{bit rate} som 10\,Mb/s (ofta skrivet \emph{bps -- bits per +second}), dvs. man klarar av att överföra upp till 10 miljoner bitar per sekund. + +Det är ofta som man talar om den råa överföringskapaciteten, medan den +verkliga överföringskapaciteten för nyttotrafik är något lägre på grund av +olika former av packningsformat och protokollbehov, så kallad \emph{overhead}. +Man ska därför vara noga med att skilja dessa åt. + +\subsection{Symboltakt -- Baud rate} +\harecsection{\harec{a}{1.8.9b}{1.8.9b}} +\index{symbol} +\index{symboltakt} +\index{symbol rate} +\index{Baud rate} +\index{Baudot, Emile} +\index{enheter!baud (Bd)} + +Som vi redan sett exempel på kan ibland bitar skickas en och en, eller +ihopklumpade. +Varje sådan ihopklumpning kallas \emph{symbol}, och en symbol kan bära en eller +flera bitar, ibland inte ens ett jämnt antal. + +Om man kan artikulera något i två olika \emph{nivåer} (av amplitud, fas, +frekvens eller kombination), så kan man representera en bit. +Om man kan artikulera något i fyra olika nivåer, kan man representera två bitar. +På samma sätt ger åtta nivåer support för tre bitar. +Varje representation kallar man en symbol och varje symbol bär alltså en, två +eller tre bitar information. +Strikt räknat är det logaritmen med bas två (2-logaritm eller $\log_{2}$) av +antalet nivåer som anger antalet bitar som en symbol kan bära. +Tre nivåer brukar sägas kunna bära 1,5~bitar, vilket är en slarvig approximation +men visar principen. + +Den takt varmed symboler överförs \emph{symboltakten} (eng. \emph{symbol rate}), +benämns även \emph{Baud rate}, efter Emile Baudot, med enheten \emph{baud (Bd)}. +Enheten baud (förkortat Bd) anger antalet symboler per sekund. +Genom att multiplicera antalet symboler per sekund med antalet bitar per symbol +fås överföringskapaciteten bitar per sekund. + +\subsection{Bandbredd} +\harecsection{\harec{a}{1.8.9c}{1.8.9c}} +\index{bandbredd} +\index{Nyquist-Shannons samplingsteorem} + +Genom att justera antalet bitar per symbol kan man ändra antalet symboler +per sekund utan att ändra överföringskapaciteten. En anledning till att man +vill göra det är att bandbredden som används av en överföring är ungefär +proportionerlig mot symboltakten, det vill säga hur många baud man överför. +Detta påverkar hur stor del av radiospektrat man upptar, och därmed också hur +nära en annan signal man kan ligga i spektrat utan att störa varandra, dvs. +det påverkar frekvensplaneringen av bandet ifråga. + +Ofta används begreppet bandbredd synonymt med överföringskapaciteten, eftersom +det finns en proportionell relation dem emellan, men bandbredden är inte den +enda parametern som krävs, så i mer strikta sammanhang ska dessa begrepp +hanteras som separata för att undvika missförstånd. + +Bandbredden för en digital ström är relaterad till nyquistteoremet, som säger +att samplingstakten måste vara minst dubbelt så hög som den högsta frekvens +som överförs. diff --git a/koncept/modulation-digitala-saendningsslag.tex b/koncept/modulation-digitala-saendningsslag.tex new file mode 100644 index 000000000..b25812ea1 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-digitala-saendningsslag.tex @@ -0,0 +1,209 @@ +\section{Digitala sändningsslag} + +Här ges exempel på digitala modulationstekniker för kortvågstillämpningar inom +amatörradio. + +De flesta digitala sändningsslagen för kortvåg är smalbandiga och bandbredden +kan i vissa fall endast vara några hertz. + +Signalbehandlingen sker i den dator som programmet körs på och där datorns +in- och utgång för dess ljudkort är kopplade till amatöradioutrustningen. +Oftast är programmets styrning av sändning och mottagning också kopplad till +lämplig serieport, till exempel via dess USB-anslutning. + +\subsection{RTTY} +\index{RTTY} +\index{FSK} +\index{Frequency Shift Keying (FSK)} +\index{Audio Frequency Shift Keying (AFSK)} +\index{AFSK} + +\begin{historiabox} +Ett av de första digitala trafiksätten som användes av radioamatörer var +\emph{RTTY}, uttytt ''RadioTeleTYpe'', där man använde sig av så kallade +teleprintrar, automatiska skrivmaskiner som skrev ut text. + +Emile Baudot konstruerade år~1874 ett system baserat på fem bitar, +som fortfarande används idag. +I augusti 1922 testade The US Department of Navy ''skriven telegrafi'' mellan +ett flygplan och en markstation. +Amerikanska kommersiella RTTY-system fanns aktiva så tidigt som 1932. +Under 50-talet började surplusutrustning komma ut på den amerikanska +marknaden och radioamatörerna var inte sena att prova den nya tekniken på +kortvågsbanden. +De kommersiella systemen körde med 50~baud, 75~baud eller 100~baud. + +Amatörerna i USA körde med 45,45~baud, vilket motsvarar 300 tecken per minut. +De europeiska utrustningarna, bland annat framtagna av Siemens, arbetade med +50~baud men gick att justera ner till 45,45~baud. +45~baud är idag den vedertagna standarden över världen. +\end{historiabox} + +RTTY använder FSK-modulering. +För att åstadkomma detta behöver man styra frekvensen så att den hoppar mellan +två frekvenser med en skillnad, ett så kallat ''skift'', på \qty{170}{\hertz}. + +Äldre sändare behövde modifieras för att åstadkomma detta frekvensskift, men +med en SSB-sändare kunde man istället mata sändaren med två toner, som gav +samma resultat -- så kallad Audio Frequency Shift Keying (AFSK). + +Med nyare amatörradiotransceivrar blev det senare den vanligaste förekommande +metoden att modulera sändaren. +Det innebar att man slapp modifiera utrustningen. + +Idag kör de flesta radioamatörer RTTY med en dator och använder sig ofta av +AFSK-tekniken med hjälp av programvaror, med samma uppkoppling som man använder +för andra digitala trafiksätt. + +\subsection{SSTV} +\index{SSTV} + +\emph{Slow Scan Television (SSTV)} är en blandning av analog och digital teknik. +En SSTV sändning sker långsamt jämfört med traditionell TV, men är i grunden +rätt lik. +Varje linje sänds en efter en, men modulerad så att den kan sändas över en +SSB-radiolänk. +Intensiteten för varje pixel anger tonhöjden som moduleras, vilket därmed +innebär en FM-modulation. +Denna FM-modulerade ton skickas sedan över SSB. +I början på varje linje skickas ett 7-bitars tal med jämn paritet som anger +vilken modulationsform som används. +De olika modulationsformerna kan sedan hantera olika upplösningar samt variera +med avseende på svart-vitt eller färg. + +\subsection{APRS} +\index{APRS} +\index{AX.25} +\index{TNC} +\label{modulation_aprs} + +\emph{Automatic Packet Reporting System (APRS)} är en teknik för att +huvudsakligen över VHF och UHF förmedla GPS-position, väderdata, enkla +meddelanden och annat. +Den bygger på en teknik som heter \emph{AX.25}, som är en amatörradiospecifik +version av telekomstandarden X.25. +AX.25 moduleras över 1200~baud Bell~202 AFSK teknik på vanlig talkanal. +Ofta används en Terminal Node Controller (TNC) som gränssnitt mellan dator och +radio. + +\subsection{PSK31} +\index{PSK31} +\label{modulation_psk31} + +\begin{historiabox} +Namnet beskriver modulationstypen och överföringshastigheten i baud. +Det första programmet utvecklades specifikt för windowsbaserade datorer med +ljudkort av den engelska radioamatören Peter Martinez, G3PLX, och +introducerades i amatörradiovärlden 1998. +\end{historiabox} + +Modulationen som används i PSK31 utvecklades från en idé av den polske +radioamatören Pawel Jalocha, SP9VRC, som hade tagit fram en mjukvara +''SLOWBPSK'' för Motorolas EVM-radio, vilket var ett radiosystem för att +utvärdera olika modulationsformer. +Istället för att använda den gängse metoden med frekvensskift baserades +''SLOWBPSK'' på polaritetsskiftning av fasläget. +Ett bra utformat PSK-baserat system kan ge bättre resultat än FSK, och kan +arbeta med smalare bandbredd än FSK. +Överföringshastigheten 31~baud valdes för att passa en genomsnittlig +skrivhastighet hos den gemene amatören. + +\subsection{WSPR} +\index{WSPR} + +\begin{historiabox} +WSPR släpptes i sin första version 2008. +Programmet skrevs initialt av Joe Taylor, K1JT, men är nu ett öppen +källkodsprogram och utvecklas av ett litet team. +Joe Taylor fick sin utbildning i astronomi vid Harvard University. +Han var sedan verksam inom området astrofysik vid Princeton University, +varifrån han pensionerades 2006. +Joe Taylor tilldelades Nobelpriset i fysik år~1993. +\end{historiabox} + +Programmet är i huvudsak tänkt för vågutbredningstester inom kortvågsområdet. +WSPR står för Weak Signaling Propagation Reporter och uttalas ''Whisper''. +WSPR är ett sändningsslag som använder amatörradiostationen som en radiofyr, en +så kallad beacon. +Sändning och mottagning sker i tvåminuterspass och efter varje sändningspass +rapporterar de stationer som mottagit signalen in sitt resultat till en databas +över internet. +Den sändande stationen kan därefter studera resultatet. +WSPR använder låga effekter, det går att nå europeiska stationer med effekter +under \qty{100}{\milli\watt}, och andra kontinenter med effekter under några +watt, även med modesta antenner. + +\subsection{WSJT} +\index{WSJT} +\index{FSK441} +\index{JT6M} +\index{JT65} +\index{JT9} +\index{FT8} +\index{FSK} +\index{Frequency Shift Keying (FSK)} +\index{meteorer} +\index{troposcatter} +\index{EME} +\index{månstuds} +\index{8FSK} + +WSJT är liksom WSPR ett program som används inom amatörradiohobbyn för så +kommunikation med svaga signaler. +Även detta program är utvecklat av Joe Taylor, K1JT. +De flesta av dessa sändningsslag (se nedan) är så smalbandiga, att de inte +upptar större bandbredd än några hertz. + +\begin{historiabox} +WSJT presenterades för amatörradiovärlden år~2001 och har undergått ett flertal +revisioner. +Olika sändningsslag har under åren lagts till och tagits bort. +Sedan 2005 har programmet öppen källkod och utvecklas av ett litet team. +\end{historiabox} + +WSJT erbjuder en plattform för ett flertal olika tillämpningar där olika +varianter av i huvudsak FSK-modulering används. + +FSK441 används för att utvärdera överföringar via radiovågsreflekterande skikt +av laddade joner, som uppkommer från de spår som meteorer lämnar efter sig. + +JT6M introducerades år~2002 och är avsett för kommunikation via bland annat +meteorreflektioner på \qty{6}{\metre}-bandet. + +JT65, utvecklat och släppt år~2003, används för kommunikation via troposfären, +så kallat troposcatter, men också för kommunikation via reflektion mot månen +så kallad EME-trafik. + +JT9 används för kortvågstrafik och är snarlikt JT65, men använder sig av en +FSK-signal med nio toner. +JT9 använder sig av mindre än \qty{16}{\hertz} bandbredd. + +FT8 utvecklades och släpptes år~2017 och använder sig av en 8FSK-signal. +FT8 är att föredra vid så kallat multi-hop via E-skikt, där signalerna utsätts +för fädning och där öppningarna mot andra stationer är korta så att man behöver +slutföra kommunikationen inom en kort tid. + +\subsection{FreeDV} +\index{FreeDV} + +FreeDV skiljer sig mot de sändningsslag som nämnts ovan genom att detta är tänkt +för digitalt tal på kortvåg. + +\begin{historiabox} +FreeDV skapades av en grupp radioamatörer från olika länder som arbetade +med kodning, utformning, användargränssnitt och testning. +FreeDV släpptes år~2015. +\end{historiabox} + +FreeDV är tänkt att användas på kortvåg med SSB-modulerade radiostationer, +men kan också användas med AM- eller FM-modulering. +Fördelen ska vara att överföringen blir mer robust samt att signaleringen är +utformad för att motverka påverkan av fädning. + +FreeDV använder en något mer komplex modulering. +Man använder sig av ett flertal bärvågor inom dess bandbredd på +\qty{1,25}{\kilo\hertz}. +Bärvägorna ligger med \qty{75}{\hertz} mellanrum och varje bärvåg moduleras med +varianter av PSK-modulering. +Bandbredden är hälften (\qty{1,25}{\kilo\hertz}) av en normal SSB-bandbredd +(\qty{2,4}{\kilo\hertz}). diff --git a/koncept/modulation-fasmodulation.tex b/koncept/modulation-fasmodulation.tex new file mode 100644 index 000000000..bb137c59a --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-fasmodulation.tex @@ -0,0 +1,26 @@ +\section{Fasmodulation (PM)} +\index{fasmodulation} +\index{PM} + +Vid fasmodulation varierar bärvågens fasläge i förhållande till ett +referensvärde. +Vid PM är frekvensändringen -- deviationen -- direkt proportionell mot hur +snabbt fasläget på den modulerande frekvensen ändras och till den totala +fasändringen. +Hastigheten på fasändringen är direkt proportionell mot frekvensen på den +modulerande frekvensen och till den momentana amplituden på den modulerande +signalen. + +Det betyder att deviationen i PM-system ökar både med den momentana amplituden +och frekvensen på den modulerande signalen. +Detta att jämföras med FM-system där deviationen är proportionell mot den +momentana amplituden på den modulerande signalen. + +I PM-system uppfattar demodulatorn i mottagaren endast momentana ändringar i +bärvågsfrekvensen. +Till skillnad från vid FM, så kan därför ändringar i likspänningsnivåer +överföras endast om en fasreferens används. + +Med konstant amplitud på insignalen till modulatorn är vid PM +modulationsindex konstant oavsett modulerande frekvens, medan vid FM +modulationsindex varierar med den modulerande frekvensen. diff --git a/koncept/modulation-fm-pm-jmf.tex b/koncept/modulation-fm-pm-jmf.tex new file mode 100644 index 000000000..5b7dc140c --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-fm-pm-jmf.tex @@ -0,0 +1,31 @@ +\section{Frekvens- och fasmodulation jämförs} + +\begin{itemize} +\item Frekvensmodulation (FM) alstras genom att sändarens oscillatorfrekvens + varieras (devieras) i takt med den modulerande signalen (t.ex. tal). + Det gör man genom att variera resonansfrekvensen i den resonanskrets som + styr oscillatorfrekvensen. + +\item Fasmodulation (PM) alstras vanligen genom att efter sändaroscillatorn + variera den modulerande signalens fasläge i förhållande till en omodulerad + bärvåg -- så kallad fasmodulering. + Det gör man genom att variera resonansfrekvensen i en resonanskrets efter + oscillatorn, dvs. utan att påverka oscillatorfrekvensen. + +\item I båda fallen ändrar man alltså resonansfrekvensen i en resonanskrets i + takt med frekvensen i den modulerande spänningen, men denna krets har + olika placering i FM-sändare respektive PM-sändare. + +\item I sändaren alstras det i båda fallen utfrekvenser som devierar från + oscillatorns vilofrekvens. + Graden av deviation skiljer emellertid vid FM och PM. + Vid FM är deviationen proportionell mot amplituden på den modulerande + underbärvågen medan deviationen vid PM är proportionell mot produkten av den + modulerande underbärvågens amplitud och frekvens. + +\item Den hörbara skillnaden mellan FM och PM är därför en annorlunda + frekvensgång. + Vid samtidig användning av PM-sändare och FM-mottagare är det alltså lämpligt + att justera frekvensgången i PM-sändarens modulator, lämpligen + med \qty{6}{\decibel} dämpning per oktav ökad frekvens. +\end{itemize} diff --git a/koncept/modulation-frekvensmodulation.tex b/koncept/modulation-frekvensmodulation.tex new file mode 100644 index 000000000..7e1c3a259 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-frekvensmodulation.tex @@ -0,0 +1,184 @@ +\section{Frekvensmodulation (FM)} +\harecsection{\harec{a}{1.8.3b}{1.8.3b}, \harec{a}{1.8.6d}{1.8.6d}} +\index{frekvensmodulation} +\index{FM|see {frekvensmodulation}} +\label{modulation_fm} + +\mediumfig[0.8]{images/cropped_pdfs/bild_2_1-30.pdf}{Frekvensmodulation}{fig:BildII1-30} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-30} (överst och i mitten) visar frekvensmodulation. + +Vid frekvensmodulation varierar bärvågens frekvens i takt med den modulerande +signalens amplitud och polaritet. +På bilden ökar bärvågens frekvens när den modulerande signalen är positiv +(första halvperioden) och minskar när den modulerande signalen är negativ +(andra halvperioden). +Bilden visar att perioderna i den modulerade bärvågen tar kortare tid (har +högre frekvens), när den modulerande signalen är positiv, och mer tid (har lägre +frekvens) när den modulerande signalen är negativ. +Bärvågen kommer alltså att pendla omkring ett medelvärde, dvs. vara +frekvensmodulerad. + +Frekvensavvikelsen \(\Delta f\) (deviationen) från bärvågens vilofrekvens är +vid varje tillfälle proportionell mot den modulerande signalens amplitud. +Sålunda är deviationen liten när den modulerande signalens amplitud är liten +och störst när amplituden når sitt toppvärde, antingen amplituden är positiv +eller negativ. +Vid en modulationsfrekvens av \qty{300}{\hertz} varierar bärvågsfrekvensen 300 +gånger per sekund, vid \qty{3}{\kilo\hertz} varierar den 3000 gånger per sekund. + +Likspänningsnivåer kan överföras med FM, eftersom en motsvarande +frekvensavvikelse kan framställas. + +Bilden visar också vad som oftast sägs, att bärvågsamplituden inte ändras av +modulationen. +Detta är emellertid bara delvis sant, eftersom såväl bärvågsamplitud som +sidbandsamplitud varierar med modulationsindex, vilket förklaras nedan. + +\subsection{Sidbanden vid vinkelmodulation} + +Vid AM produceras endast ett sidbandspar med samma innehåll, ett över och ett +under bärvågsfrekvensen. +Vid vinkelmodulation, både vid FM och PM, produceras däremot flera sidbandspar +över och under bärvågsfrekvensen. +Dessa sidband uppträder på multiplerna av varje modulerande frekvens. +Vid basband med samma frekvensomfång har därför en vinkelmodulerad signal +större bandbredd än en AM-signal. + +Vid vinkelmodulation beror antalet sidband på sambandet mellan den modulerande +frekvensen, frekvensdeviationen och modulationsindex. + +\mediumtopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-31.pdf}{Sidbandsspektrum vid FM-modulering med 1 sinuston}{fig:BildII1-31} + +\subsection{Bandbredden vid vinkelmodulation} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-30} (nederst) visar bandbredd på vinkelmodulation. +Vi gör tankeexperimentet att en FM-sändare moduleras med en fyrkantsvåg. +Frekvensen kommer då att hoppa växelvis mellan frekvenserna \(f\) och +\(f + \Delta f\). +Sättet kallas FSK (frekvensskiftnyckling) och används till exempel vid sändning +av radiofjärrskrift (RTTY, AMTOR, Paketradio etc.). + +Vi föreställer oss två sändare, som sänder varannan gång, varav den ena sänder +frekvensen \(f\) och den andra sänder \(f + \Delta f\). +Båda sändarnas HF-signaler kommer då att bilda ett frekvensspektrum, som +förutom \(f\) och \(f + \Delta f\) även innehåller sidofrekvenser. + +Bredden på detta spektrum beror bland annat på nycklingsfrekvensen. +Eftersom en fyrkantsvåg innehåller summan av dess grundfrekvens och övertoner, +kommer alla dessa toner att modulera vardera sändaren. +De högsta modulerande LF-frekvenserna alstrar sidofrekvenserna längst ut från +vilofrekvensen. +LF-signalens frekvensspektrum påverkar alltså HF-signalens bandbredd. + +Spektrum nederst i bilden är en förenklad framställning av +frekvensskiftnyckling. + +Vid modulation med en sinussignal istället för med en fyrkantssignal, uppstår +ett frekvensspektrum som på överst i bilden. + + +\subsection{Frekvensdeviation och modulationsindex} +\harecsection{\harec{a}{1.8.4}{1.8.4}} +\index{frekvensdeviation} +\index{modulationsindex} +\index{symbol!\(m\) modulationsindex} + +%% k7per: Find a solution for words that already have a hyphen. quote-dash? +Bild~\ssaref{fig:BildII1-31} visar sidbandsspektrum vid FM-moduler\-ing med 1 +sinuston. +Vid vinkelmodulation uppstår talrika sidofrekvenser, som beror av den +modulerande frekvensen \(f_{LF}\). +Amplitudfördelningen mellan sidofrekvenserna står i förhållande till +deviationen, varvid deras amplitud blir mindre ju längre bort från bärvågen +de är. + +I praktiken anses en sidofrekvens försumbar när dess amplitud är mindre än 1~\% +av amplituden för omodulerad bärvåg. + +För beräkning av bandbredden används begreppet modulationsindex \(m\), vilket är +kvoten av maximal deviation \(\Delta f\) och högsta frekvensen \(f_{LF}\). +%% +\[m = \dfrac{\Delta f_{max}}{f_{LFmax}}\] +%% +Inom amatörradion är det vanligt att arbeta med \(\Delta f_{max} = +\qty{3}{\kilo\hertz}\) och \(f_{LFmax} = \qty{3}{\kilo\hertz}\), dvs. \(m = 1\). + +Vid modulationsindex \(m = 1\), gäller följande formel för bandbredden \(b\) + +% k7per: Make this a formula? +\medskip +\(b = 2 \cdot ( \Delta f_{max} + f_{LFmax}) = 2 \cdot \Delta f_{max} + + 2 \cdot f_{LFmax}\) + \medskip + +Med ovan nämnda värden blir bandbredden \(b = 2 \cdot (\qty{3}{\kilo\hertz} + +\qty{3}{\kilo\hertz}) = \qty{12}{\kilo\hertz}\) + +Bandbredden ökar således både med ökande deviation och ökande modulerande +frekvens. +För att inte interferera med trafik på grannkanalerna måste såväl deviation som +frekvensen på den modulerande signalen begränsas. +En deviationsbegränsare begränsar amplituden på denna signal. +Ett lågpassfilter reducerar den distorsion, som uppstår av begränsningen. +Vidare undertrycks modulerande frekvenser högre än \qty{3}{\kilo\hertz}, vilket +är tillräckligt för överföring av tal. + +\paragraph{Jämförelse} + +En VHF-rundradiosändare är tilldelad ett större frekvensutrymme och kan därför +använda mycket större bandbredd. + +Där är \(\Delta f_{max} = \qty{75}{\kilo\hertz}\) och \(f_{LFmax} = +\qty{15}{\kilo\hertz}\), därmed är \(m = \frac{75}{15} = 5\) och \(b = 2 \cdot +(75 + 15) = \qty{180}{\kilo\hertz}\). + +Som framgår av tabell~\ssaref{tab:ampmod} varierar bärvågens liksom +sidofrekvensernas inbördes amplitud med modulationsindex. +Detta ska jämföras med AM där bärvågens amplitud är konstant och endast +sidbandens amplitud varierar. + +Vid vinkelmodulation utsläcks bärvågen \(A_0\) vid modulationsindex 2,404. +Den blir sedan ''negativ'' vid högre index, vilket betyder att den återkommer, +men att dess fasläge blir omvänt. +I vinkelmodulation tas energin i sidbanden från bärvågen, vilket innebär att +den totala effekten förblir densamma oavsett modulationsindex. + +%\paragraph{Kännetecken för sändningsslaget F3E (FM)} +%\index{F3E} + +\paragraph{Fördelar med sändningsslaget F3E (FM)} +F3E-sän\-daren är enkel till sin uppbyggnad och hög överföringskvalitet +uppnås vid stor bandbredd, störningar från amplitudmodulerade signaler såsom +tändgnistor undertrycks i mottagaren. + +\paragraph{Nackdelar med sändningsslaget F3E (FM)} +En relativt stor bandbredd behövs för överföring av ett basband med stort +frekvensomfång. +Sändaren måste avge full effekt, även när modulation inte sker. + +\begin{table*}[ht] +\begin{center} + %\begin{tabular}{ll|S|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|} + \begin{tabular}{ll|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|S[table-format=-1.3]|l|} +\cline{3-9} +&\multicolumn{1}{l}{} & \multicolumn{7}{|c|}{Modulationsindex} \\ \cline{3-9} +&\multicolumn{1}{l|}{} & \multicolumn{1}{c|}{1} & \multicolumn{1}{c|}{2} & \multicolumn{1}{c|}{3} & \multicolumn{1}{c|}{4} & \multicolumn{1}{c|}{5} & \multicolumn{1}{c|}{6} & \multicolumn{1}{c|}{7} \\ \hline +\multicolumn{1}{|c|}{\multirow{11}{*}{\rotatebox[origin=c]{90}{Relativ amplitud på}}}&\(A_0\) & 0,765 & 0,224 & \num{-0,260} & \num{-0,397} & \num{-0,178} & 0,151 & 0,300 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_1\) & 0,440 & 0,577 & 0,334 & \num{-0,066} & \num{-0,328} & \num{-0,277} & -0,005 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_2\) & 0,115 & 0,353 & 0,486 & 0,364 & 0,047 & \num{-0,243} & -0,301 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_3\) & 0,020 & 0,129 & 0,309 & 0,430 & 0,365 & 0,115 & -0,168 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_4\) & & 0,034 & 0,132 & 0,281 & 0,391 & 0,358 & 0,158 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_5\) & & 0,016 & 0,043 & 0,132 & 0,261 & 0,362 & 0,348 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_6\) & \multicolumn{2}{c|}{} & 0,011 & 0,049 & 0,131 & 0,246 & 0,339 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_7\) & \multicolumn{3}{c|}{} & 0,015 & 0,053 & 0,130 & 0,234 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_8\) & \multicolumn{4}{c|}{} & 0,018 & 0,057 & 0,128 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_9\) & \multicolumn{4}{c}{} & & 0,021 & 0,059 \\ +\multicolumn{1}{|c|}{}&\(A_{10}\) & \multicolumn{5}{c}{Tomma fält för \(A_n\) under 0,01 (1 \%)} & & 0,024 \\ \hline +\end{tabular} +\end{center} +\caption{Relativa amplituden på bärvåg $A_0$ och sidofrekvenser $A_1$--$A_{10}$ vid +modulationsindex 1--7. (Vid omodulerad bärvåg är modulationsindex 0. Då är +bärvågens relativa amplitud 1,0.)} +\label{tab:ampmod} +\end{table*} diff --git a/koncept/modulation-kaennetecken.tex b/koncept/modulation-kaennetecken.tex new file mode 100644 index 000000000..3f5f7b280 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-kaennetecken.tex @@ -0,0 +1,32 @@ +\section{Kännetecken för modulerade signaler} +\label{kännetecken_modulerade_signaler} +\harecsection{\harec{a}{1.8.5}{1.8.5a}} +\index{amplitudmodulation} +\index{frekvensmodulation} +\index{fasmodulation} +\index{pulsmodulation} + +\mediumfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-22.pdf}{Modulerade signaler}{fig:BildII1-22} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-22} illustrerar modulerade signaler. +En modulerad signal kännetecknas av dess amplitud, frekvens och fasläge. + +Vid \emph{amplitudmodulation} påverkas huvudbärvågens amplitud, så att den i +varje tidpunkt motsvarar den modulerande signalens variation. + +Vid \emph{frekvensmodulation} påverkas huvudbärvågens frekvens, så att den i +varje tidpunkt motsvarar den modulerande signalens variation. + +Vid \emph{fasmodulation}, som är besläktad med frekvensmodulation, påverkas i +stället för frekvensen huvudbärvågens fasläge i förhållande till en +referenssignal, så att fasläget i varje tidpunkt motsvarar den modulerande +signalens variation. + +Frekvens- och fasmodulation liknar varandra och kan sammanfattas som +vinkelmodulation, eftersom fasvinkeln mellan bärvågens spänning och ström +varierar i båda fallen. + +Vid \emph{pulsmodulation} används pulståg (korta upprepade bärvågspaket), till +exempel pulsamplitud-, pulslängds-, pulsläges- och pulskodmodulation. +Pulskodmodulation används till exempel vid samtidig överföring av flera +telesamtal på samma linje, bärvåg etc. diff --git a/koncept/modulation-modulationssystem.tex b/koncept/modulation-modulationssystem.tex new file mode 100644 index 000000000..72aa78fd0 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-modulationssystem.tex @@ -0,0 +1,8 @@ +\section{Modulationssystem} +\label{sec:modulationssystem} + +Den största gruppen av modulationssystem är definierad med avseende på hur +huvudbärvågen är modulerad. +Vanligast är då amplitud- och vinkelmodulation. +Av vinkelmodulation finns främst två slag, frekvensmodulation och fasmodulation. +Därutöver finns system för pulsmodulation. diff --git a/koncept/modulation-modulerande.tex b/koncept/modulation-modulerande.tex new file mode 100644 index 000000000..deadd360c --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-modulerande.tex @@ -0,0 +1,42 @@ +\section{Modulerande signaler} +\harecsection{\harec{a}{1.7.1}{1.7.1}} +\index{modulerande signaler} + +\subsection{Basband} +\index{basband} + +Basband är ett frekvensområde för en modulerande signal. +Det finns ett basband för alla slags modulerande signaler, vare sig de är +analoga eller digitala. +Det kan finnas mer än ett basband i en komplett modulationsprocess. +Till exempel är en nycklad ton, som går till sändaren genom mikrofoningången, +dess analoga basband medan nycklingspulserna till tongeneratorn är dess +digitala basband. + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-23} illustrerar modulerade signaler. +Ett vanligt sätt att överföra information över radio är med telefoni, det vill +säga tal. + +Frekvensområdet \SIrange{300}{3000}{\hertz} räcker för god förståelighet av tal. +Dels är örat känsligast inom det området och dels finns där den mesta energin +i talet. + +Mikrofonen tar upp de lufttrycksvariationer som uppstår när man talar och +omvandlar dem till elektriska svängningar. +Svängningarna varierar mellan positiva och negativa spänningsvärden. + +\bigskip + +\textbf{Försök} + +\begin{enumerate} +\item Anslut en mikrofon till ett oscilloskop och studera spänningsförloppen + för olika slags ljud, toner, tal osv. som funktion av tiden. + På bilden är dessa svängningar mycket förenklade, till exempel sinusformade. + +\item Anslut en högtalare och ett oscilloskop till en LF-generator, vars +frekvens och amplitud kan ändras. Lyssna på ljud med låg och hög frekvens samt +på svaga och starka ljud. +En baston har låg frekvens och en diskantton har hög frekvens. +En svag ton har liten amplitud och en stark ton har stor amplitud. +\end{enumerate} diff --git a/koncept/modulation-pulsmodulation.tex b/koncept/modulation-pulsmodulation.tex new file mode 100644 index 000000000..59861cb3b --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-pulsmodulation.tex @@ -0,0 +1,58 @@ +\section{Pulsmodulation} +\index{pulsmodulation} +\index{PWM} +\index{PAM} +\index{PPM} + +Pulsmodulation används mest i mikrovågsområdet. +Pulsmodulerade signaler sänds vanligen som en serie korta pulser åtskilda av +relativt långa pauser utan modulering. + +En typisk sändning kan bestå av pulser med en längd av \qty{1}{\micro\second} +och en frekvens av \qty{1000}{\hertz}. +Toppeffekten på en pulssändning är därför mycket högre än dess medeleffekt. + +Före WARC~79 var symbolen för all pulssändning P. +Därefter används P endast för omodulerade pulståg. +Annan pulsmodulation har följande symboler + +\begin{description} +\item[K] -- puls-/amplitudmodulation (PAM) +\item[L] -- pulsviddmodulation (PWM) +\item[M] -- pulsposition/fasmodulation (PPM) +\item[Q] -- vinkelmodulation under pulsen +\item[V] -- kombination av dessa eller annat sätt. +\end{description} + +\begin{table*}[ht] +\begin{center} +\begin{tabular}{|L{.12\textwidth}|L{.18\textwidth}|L{.18\textwidth}|L{.18\textwidth}|L{.19\textwidth}|} +\hline + Sändningsslag & + Amplituden på LF-signalen & + Tonhöjden på LF- signalen påverkar & + Bandbredden b förhåller sig till & + För stor amplitud på LF-signalen medför \\ + \hline % ======================================================= + A3E (AM) & + amplituden i båda sidbanden & + sidofrekvensernas avstånd från bärvågen & + LF-signalens högsta frekvens & + övermodulering och för stor bandbredd \\ +\hline + J3E (SSB) & + amplituden på utsänt sidband & + sidofrekvensernas avstånd från bärvågen & + skillnaden mellan LF-signalens högsta och lägsta frekvens & + för stor bandbredd, överstyrning av förstärkarsteg \\ +\hline + F3E (FM) & + deviationen & + hastigheten på bärvågens frekvensändring & + dubbla summan av största deviation och högsta LF-frekvens & + för stor deviation, för stor bandbredd \\ + \hline % ======================================================= +\end{tabular} +\end{center} +\caption{Jämförelse mellan några vanliga sändningsslag inom amatörradio} +\end{table*} diff --git a/koncept/modulation-saendningsslag.tex b/koncept/modulation-saendningsslag.tex new file mode 100644 index 000000000..ee807d5c9 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-saendningsslag.tex @@ -0,0 +1,21 @@ +\section{Sändningsslag} +\index{sändningsslag} +\label{sändningsslag} + +Sätten att modulera kallas \emph{sändningsslag}. +Gemensamt för sändningsslagen är att en givare -- det kan vara en mikrofon, en +telegrafnyckel, en fjärrskriftsmaskin, en dator, en TV-kamera -- alstrar +en analog eller digital signal. +Denna styr underbärvågen så att huvudbärvågen moduleras med den avsedda +informationen och sänds ut. + +Det enklaste sändningsslaget får anses vara morsetelegrafi med +''nycklad bärvåg''. +Då förekommer bara två tillstånd, nedtryckt och icke nedtryckt telegrafnyckel, +dvs. antingen bärvåg med någon varaktighet eller ingen bärvåg alls. +Kombinationer av bärvågselement med olika längd motsvarar skrivtecken. + +För att återge tal, musik etc. behövs en noggrannare tillståndsstyrning av +bärvågen. +Det innebär att bärvågen måste moduleras av en underbärvåg och att denna +motsvarar lufttrycksvariationerna i ljudet. diff --git a/koncept/modulation-ssb.tex b/koncept/modulation-ssb.tex new file mode 100644 index 000000000..3f47fd9a0 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-ssb.tex @@ -0,0 +1,85 @@ +\section{Sändningsslaget J3E (SSB)} +\harecsection{\harec{a}{1.8.3c}{1.8.3c}, \harec{a}{1.8.6c}{1.8.6c}, \harec{a}{1.8.7c}{1.8.7c}} +\index{Single Side Band (SSB)} +\index{J3E} +\index{SSB} +\label{modulation_ssb} + +\subsection{Princip} + +Som sagts är det onödigt att sända ut två sidband, eftersom båda innehåller +samma information. + +Signaler med endast ett sidband och undertryckt bärvåg kan alstras på flera +sätt. +Numera är den så kallade filtermetoden i särklass vanligast och den enda som +behandlas här. + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-27} illustrerar sidband vid DSB-modulation. +Med filtermetoden blandas HF- och LF-signalerna i en speciell blandare. +Där undertrycks båda dessa signaler medan blandningsprodukterna med deras summa- +och skillnadsfrekvenser blir kvar, dvs. det övre och nedre sidbandet. + +Utsignalen från blandaren benämns DSB-signal (Double Side Band). +Till skillnad från i A3E-signalen saknas dock bärvågen i DSB-signalen. +För att även undertrycka det ena sidbandet före sändningen följs blandaren +av ett bandpassfilter med bandbredd och frekvensläge för avsett sidband. + +Den signal som sänds ut innehåller därför endast ett sidband (Single Side Band). + +% \tallfig[0.45]{images/cropped_pdfs/bild_2_1-28.pdf}{Sidbandsval vid SSB}{fig:BildII1-28} +\mediumtopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-28.pdf}{Sidbandsval vid SSB}{fig:BildII1-28} + +\paragraph{Exempel} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-28} illustrerar sidbandsval vid SSB-modulering. +Ett SSB-filter har ett passband av \SIrange{9000,3}{9003}{\kilo\hertz}. +Vid bärvågsfrekvensen \qty{9000}{\kilo\hertz} sträcker sig det övre sidbandet +från \SIrange{9000,3}{9003}{\kilo\hertz} och släpps igenom. +Däremot blir bärvågsfrekvensen undertryckt. + +Det undre sidbandet \SIrange{8997}{8999,7}{\kilo\hertz} faller utanför filtrets +passband och blir också undertryckt. + +Ska däremot det undre sidbandet kunna passera igenom samma filter, så måste +bärvågsfrekvensen höjas med \qty{3}{\kilo\hertz}, alltså till +\qty{9003}{\kilo\hertz}. +Då faller det undre sidbandet, \SIrange{9002,7}{9000,0}{\kilo\hertz} inom +filtrets passband. + +Det övre sidbandet \SIrange{9003,3}{9006,0}{\kilo\hertz} faller nu utanför +passbandet och blir undertryckt. + +%% k7per: Make this bigger. +\mediumtopfig{images/cropped_pdfs/bild_2_1-29.pdf}{Sidbandslägen vid SSB}{fig:BildII1-29} + +Bild~\ssaref{fig:BildII1-29} illustrerar sidbandslägen vid SSB. +LF-signalens amplitud bestämmer amplituden på sidofrekvensen. + +LF-signalens frekvens bestämmer sidofrekvensens avstånd från bärvågsfrekvensen +(bärvågen undertryckt). + +Bandbredden på den utsända signalen är skillnaden mellan högsta och lägsta +modulerande frekvens i signalen: + +till exempel \(b = \qty{3}{\kilo\hertz} - \qty{0,3}{\kilo\hertz} = +\qty{2,7}{\kilo\hertz}\) + +\subsection{Fördelar med J3E-modulation} +Bra verkningsgrad vid J3E-modulation jämfört med vid A3E-modulation +(traditionell AM). +Effekten i det utsända sidbandet motsvarar den i ett av sidbanden vid A3E. +Hela den utsända effekten finns alltså i ett enda sidband, +som överför hela informationen. + +I sändningspauserna sänds ingen effekt ut. +Bandbredden är mindre än hälften av den vid A3E. +Vid mottagning av en J3E-sändning (SSB) är det mindre besvär med +interferenstoner från J3E-sändningar på närliggande frekvenser, eftersom ingen +bärvåg och endast ett sidband sänds ut. + +\subsection{Nackdelar med J3E-modulation} +J3E-modulation medför mera komplicerade apparater, både för mottagning och +sändning. +En J3E-signal blir förvrängd och hörs i fel tonläge om mottagaren inte är +inställd på exakt rätt frekvens. diff --git a/koncept/modulation-vinkelmodulation.tex b/koncept/modulation-vinkelmodulation.tex new file mode 100644 index 000000000..3318b4538 --- /dev/null +++ b/koncept/modulation-vinkelmodulation.tex @@ -0,0 +1,22 @@ +\section{Vinkelmodulation} +\harecsection{\harec{a}{1.8.3a}{1.8.3a}} +\index{vinkelmodulation} +\label{modulation_vinkel} + +Termen vinkelmodulation är samlingsnamnet för frekvensmodulation (FM) och +fasmodulation (PM). +Ofta sägs utrustningar vara för frekvensmodulation när de antingen är för +frekvens- eller fasmodulation. +Det finns alltså skillnader och likheter mellan dessa system, vilka emellertid +inte är oberoende av varandra, eftersom frekvensen i en signal inte kan +varieras utan att fasen också varieras, och vice versa. + +Hur effektiv kommunikationen då är beror mest på mottagningsmetoderna. +I båda fallen uppfattas ändringar i den mottagna signalens frekvens och fasläge. +Amplitudändringar uppfattas däremot inte. +De flesta störningar -- särskilt pulserande sådana som från tändningssystem -- +kommer därför att skiljas bort. + +För att effektivt utnyttja fördelarna med vinkelmodulation, antingen det är +frekvens eller fasmodulation, behövs tillräckligt frekvensutrymme. +Det innebär att främst högre frekvensband kommer i fråga. diff --git a/koncept/modulation.tex b/koncept/modulation.tex new file mode 100644 index 000000000..6ab531abd --- /dev/null +++ b/koncept/modulation.tex @@ -0,0 +1,21 @@ +\chapter{Modulation} +\harecsection{\harec{a}{1.8}{1.8}} +\label{ch:modulation} +\index{modulation} +\index{modulerande signal} +\index{basband} +\index{modulerad signal} +\index{bärvåg} + +\emph{Modulera} (lat. \emph{modulari}, rytmiskt avmäta, eng. \emph{modulate}) +är att med hjälp av en oftast högfrekvent elektrisk signal (bärvågen) överföra +informationen i en lågfrekvent signal. +På så sätt kan lågfrekvens, till exempel tal och musik, först omvandlas till en +elektrisk signal, som får påverka (modulera) en högfrekvent elektrisk signal. +Denna modulerade signal strålas ut från antennen som ett elektromagnetiskt fält. + +Den signal som innehåller informationen kallas \emph{modulerande signal}, +\emph{basband} eller \emph{underbärvåg}. + +Den signal som informationen överförts till kallas \emph{modulerad signal}, +\emph{bärvåg} eller \emph{huvudbärvåg}.