Telecommunicatie bandbreedte en kanaalscheiding

[jkien]

De natuurkundeexamenstof voor vwo en havo is dit jaar vernieuwd, meer contextgericht, er is bijvoorbeeld een hoofdstukje informatieoverdracht toegevoegd. Het gaat over de begrippen draaggolf, amplitudemodulatie, frequentiemodulatie, bandbreedte, kanaalscheiding; "minimaal in de context van telecommunicatie (tv, radio, telefoon)". Met kanaalscheiding wordt het frequentieverschil tussen twee kanalen bedoeld.

Ik heb moeite met de begrippen bandbreedte en kanaalscheiding bij FM-radio en mobiele telefonie.

1) Waarom is de afstand tussen FM-radio kanalen 200 kHz? De bandbreedte van het audiosignaal is slechts 15 kHz.

2) Mobiele telefonie: een oefenopgave is bijvoorbeeld: In de telecommunicatie [bijvoorbeeld mobiele telefonie] wordt gebruik gemaakt van kanaalscheiding. Wat is kanaalscheiding? Gebruik in je antwoord het begrip bandbreedte.

Ik kan geen heldere uitleg vinden over kanaalscheiding bij de huidige mobiele telefonie. Wikipedia (klik) zegt dat GSM-1800 gebruik maakt van een 75 MHz brede band voor het zenden van telefoon naar de GSM-mast (uplink) en een 75 MHz brede band voor de omgekeerde richting (downlink), waarbij beide banden verdeeld zijn in 374 kanalen met een breedte van 0.2 MHz. Maar een telefoontoestel communiceert als ik het goed begrijp met een spread spectrum techniek (CDMA) die de boodschap verspreidt over verschillende kanalen. Wat is dan de kanaalscheiding en bandbreedte bij het versturen van de boodschap?

[WillemB]

Nogal wat vragen in een topic, ik begin maar met, punt 1, zit hem in de modulatie index van FM technieken,
 
https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation#Modulation_index
 
Hier wordt uitgelegd, waar de bandbreedte bij FM van afhankelijk is.

[jkien]

Aha, ik dacht dat een 10 kHz toon vertaald werd in een 10 kHz afwijking van de draaggolf. Maar bij FM radio wordt hij blijkbaar vertaald in een 75 kHz afwijking van de draaggolf, omdat dat gunstig is voor de signaal-ruisverhouding. De 200 kHz breedte van het kanaal wordt dus grotendeels nuttig gebruikt. Helder.

[Olof Bosma]

1) Waarom is de afstand tussen FM-radio kanalen 200 kHz? De bandbreedte van het audiosignaal is slechts 15 kHz.

 

 
Wanneer een uitzending in mono is (of zo wordt ontvangen) is de frequentiezwaai (75 kHz) veel groter dan de maximum audiofrequentie (15 kHz). Dit heeft tot gevolg dat de signaalruisverhouding na detectie aanzienlijk groter is dan voor detectie (dus op HF-niveau). Hierdoor is kwalitatief goede ontvangst mogelijk ook bij een wat mindere signaalruisverhouding op HF-niveau.
Daarnaast is het bij uitzending mogelijk de beschikbare audiobandbreedte te gebruiken om stereo-informatie uit te zenden. Hierbij worden beide audiokanalen gemultiplext met een frequentie van 38 kHz. Is de signaalruisverhouding op HF-niveau voldoende dan kan de stereo-informatie worden benut. Ook kan nog wat extra info worden toegevoegd (bv. RDS).
Een bijkomstig voordeel is dat door de relatief grote banddoorlaat in de ontvanger vrijlopende oscillatoren kunnen worden gebruikt.

 

2) Mobiele telefonie: een oefenopgave is bijvoorbeeld: In de telecommunicatie [bijvoorbeeld mobiele telefonie] wordt gebruik gemaakt van kanaalscheiding. Wat is kanaalscheiding? Gebruik in je antwoord het begrip bandbreedte.

 

 
Bij mobiele telefonie moet je onderscheid maken tussen GSM en netwerken van 3G en hoger.
GSM gebruikt kanalen van 200 kHz waarbinnen tijdmultiplex wordt toegepast. Als je in dit geval over kanaalscheiding spreekt lijkt mij dat dit over het kanaal van 200 kHz moet gaan. Er is voldoende scheiding nodig om geen last te hebben van data in de naastliggende kanalen. Hiervoor is de vermogensverdeling over het spectrum bij zenden van belang en de filter eigenschappen bij ontvangen.
Ook mogen niet te grote verschillen is signaalsterktes voorkomen om de eisen hieraan praktisch te houden. Daarom reguleren de basisposten de zendvermogens van de mobiele telefoons.
3G en hoger werkt inderdaad op basis van (W)CDMA. Hierbij zijn de kanalen aanzienlijk breder (5 MHz). Omdat er hier sprake is van code-multiplex worden nog hogere eisen gesteld aan de gelijkheid van de signaalsterktes.

[WillemB]

Vraag twee is complexer, omdat binnen één radio draaggolf, meerder (digitale) informatie kanalen kunnen worden opgezet.
Al deze kanalen mogen elkaar niet storen, en moeten dus op bepaalde afstand van elkaar zitten.
Dan zijn er nog de nodige modulatie technieken om zoveel mogelijk bitjes in één kanaal te persen.
 
Wordt een heel lange uitleg, maar je kan het beste zoeken op: Whitepapers LTE

[jkien]

Ik las <a data-ipb='nomediaparse' href=''>hier</a> dat de 200 kHz kanaalscheiding van FM gekozen werd vanwege de beperkte electronica van destijds, toen de FM-standaard werd opgesteld. Met de filtertechniek van toen was een betere kanaalscheiding niet haalbaar of betaalbaar.

 

Bij mobiele telefonie moet je onderscheid maken tussen GSM en netwerken van 3G en hoger.

GSM gebruikt kanalen van 200 kHz waarbinnen tijdmultiplex wordt toegepast. Als je in dit geval over kanaalscheiding spreekt lijkt mij dat dit over het kanaal van 200 kHz moet gaan.

 

Ok. In het frequentiedomein overlappende kanalen, het tegendeel van kanaalscheiding, komt niet voor bij GSM-telefoongesprekken? Vanwege de bekende plaatjes van overlappende wifi-kanalen kreeg ik even de indruk dat kanaalscheiding in het algemeen ouderwets en achterhaald was.

 


 

Vraag: blijft een gsm-telefoonverbinding tijdens een telefoongesprek op hetzelfde kanaal zitten, of doet hij aan frequentiehopping?

[WillemB]

het antwoord is allebei, er wordt zowel aan hopping gedaan, als multiplexing.
Er kunnen meerdere gesprekken over 1 frequentie kanaal.
 
Frequency hopping niet te verwarren met frequency spread spectrum, bij spread worden
pseudo random frequenties gebruikt.
 
Bandbreedte en kanaal scheiding zijn nog springlevend,
bandbreedte gaat over de ingenomen frequentie band in het spectrum,
terwijl kanaal scheiding gaat over oplossend vermogen in dat spectrum van
meerdere in gebruik zijnde kanalen met bepaalde  bandbreedtes.
 
Voorbeeld, in je stereo versterker, heb je fysieke kanaal scheiding, als
je werkt met twee tulp stekkers, de overspraak geeft de kwaliteit aan van de kanaal scheiding.
 
Bij je digitale stereo ingang heb je 1 drager, waar twee kanalen digitaal logisch gescheiden over heen gaan.
de kanaal scheiding is dan digitaal gerealiseerd.

[jkien]

Waarom heeft men (alleen?) bij wifi gekozen voor kanalen die in het frequentiedomein overlappen, dus niet gescheiden zijn? 

[WillemB]

bij WiFi moet je dus zelf zorgdragen voor kanaal scheiding,

men wilde de beschikbare ruimte zo goed mogelijk benutten,

anders zou je in grote kantoor ruimten niet uitkomen met een paar kanalen

in grote kantoren waar men WiFi installeerd , daar moet het ook eerst uitgemeten worden. er wordt dan een heel plan gemaakt met de mogelijke kanaal indelingen, zodat deze elkaar niet storen, best een leuke puzzel.

thuis kan je dat ook doen als je meerdere acces points hebt, dan kan

je in huis de kanalen zo kiezen dat ze niet met elkaar storen, en kan

je ook frequentie hoppen, van het eene AP naar het andere.

eigenlijk net als in de FM band , daar zitten ook meerdere stations op de zelfde freq. maar doordat ze ver genoeg van elkaar zitten physiek, kan dat, en storen ze elkaar niet

[jkien]

Op de een of andere manier lijkt kanaalscheiding in de thuisomgeving niet zo nodig. Als ik op mijn smartphone met wifi-analyzer de omgeving bekijk zie ik een oerwoud van actieve wifinetwerkjes die onderling overlappen.

[WillemB]

dat klopt, hier geld het recht van de sterkste, hier vind kanaal scheiding plaats op sterkte. dat is niet ideaal, want daardoor krijgen sommige toch problemen met de verbinding.

wat er nu gebeurt is dat mensen sterkere WiFi zenders gaan gebruiken, om andere gebruikers uit de band te drukken.

je zou met de buurt overleg moeten voeren voor een ideale indeling, dan heeft een ieder optimale verbinding.

het is ook makkelijk te storen, zet maar een sterke zender aan op 2,4 GHz, en de hele buurt zit zonder WiFi

[WillemB]

wat ik nog vergeet, is als het erg druk wordt op de kanalen, de kwaliteit van de ontvanger een rol gaat spelen, de kanaal scheiding moet dan komen van de ontvanger. als deze het niet meer aankan gaat het steeds langzamer vanwege de herhalingen, totdat de ontvanger het niet meer kan scheiden , en opgeeft

als de naburige kanalen te hard zijn, zal de ontvanger de bandbreedte verkleinen, om de kanaal scheiding beter te maken, maar dan gaat het wel langzamer

[Olof Bosma]

Ok. In het frequentiedomein overlappende kanalen, het tegendeel van kanaalscheiding, komt niet voor bij GSM-telefoongesprekken? 
 
 

 
Nee, bij GSM is het niet de bedoeling dat er overlappende frequentiekanalen worden gebruikt. Hier moet de kanaalscheiding dus voldoende zijn om geen datafouten te krijgen. Om dit te bereiken moet de uitgezonden bandbreedte (frequentiespectrum waarin 99% van de energie zit) binnen de gestelde grenzen liggen, de energie die in de naastliggende kanalen komt voldoende onderdrukt zijn en de ontvanger moet voldoende instaat zijn om de naastliggende kanalen te onderdrukken.
Om een en ander mogelijk te maken moet de bandbreedte altijd kleiner zijn dan de kanaalspatiëring.
 
 

 
Vraag: blijft een gsm-telefoonverbinding tijdens een telefoongesprek op hetzelfde kanaal zitten, of doet hij aan frequentiehopping?
 

 
Voor de overdracht is bij GSM geen frequentiehopping vereist, maar de basispost kan er wel voor kiezen dit te doen. Nog steeds blijft dan gelden dat de kanaalscheiding voldoende moet zijn bij een momenteel gekozen frequentie.
 
 

Waarom heeft men (alleen?) bij wifi gekozen voor kanalen die in het frequentiedomein overlappen, dus niet gescheiden zijn? 

 
Bij wifi wordt niet door alle gebruikers voortdurend de maximale capaciteit gebruikt. Je probeert het gewoon en als het mislukt doe je dat nog een keer. Kanaalscheiding is hier dus geen voorwaarde voor de dataverbinding. Zou je hier iedere gebruiker een vaste frequentie of tijdslot geven, dan vraagt dat een hele organisatie en is de totale band inefficiënter in gebruik (tot een bepaalde gebruikersdichtheid).

[jkien]

Waarom is de bandbreedte van een wifikanaal eigenlijk 200 kHz, volgt de bandbreedte op een eenvoudige manier uit de gewenste throughput? Mijn internetsnelheid is ongeveer 20 Mbps via een ethernetkabel. Dat is bij wijze van spreken mijn eis aan wifi, een throughput van 20 Mbps. Kun je dan de minimale bandbreedte van het wifi-kanaal berekenen, in kHz?

[317070]

Kun je dan de minimale bandbreedte van het wifi-kanaal berekenen, in kHz?

Yep: https://en.wikipedia.org/wiki/Shannon%E2%80%93Hartley_theorem
 
Also, die overlappende kanalen in Wifi zijn een artifact van oude tijden. Nu is er geen enkele reden waarom je andere kanalen dan 1,6 of 11 zou gebruiken. (De enige 3 kanalen die niet overlappen) Vroeger (maar dan echt lang geleden) ondersteunden niet alle routers alle kanalen, en waren de tussenliggende kanalen dus soms handig.
Meer info: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels
 
Dat aanpassen van de bandbreedte bij wifi lijkt me sterk. Meer of minder vermogen of een groter/kleiner deel van het tijdsvenster, ja. Maar aanpassen van de bandbreedte heb ik nog nooit van gehoord.