Komunikacja międzykomputerowa. Cz. I

Transkrypt

1 Komunikacja międzykomputerowa Cz. I Dr inż Tomasz Gałkowski 2009 Wykład przygotowano w ramach projektu: Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Numer projektu: POKL /08

2 Informacje podstwowe Wstęp: Telekomunikacja, definicja, przykłady, podziały. Literatura przedmiotu, książki i inne źródła

3 O czym będzie mowa? Telekomunikacja jest dziedziną wiedzy zajmującą się przesyłaniem informacji na odległość Informacja coś, co ma znaczenie, sens; pozwala podejmować decyzje, wpływa na dalsze działanie systemu czy człowieka. Naturalne formy przesyłanej informacji są przetwarzane i później reprezentowane przez sygnał Należy rozróżnić: informacja a sygnał Nośnikiem informacji są obecnie, ogólnie: sygnały elektromagnetyczne Przykłady: afrykańskie tam-tam y: informacja zakodowana w rytmicznych uderzeniach w bębny; fala niosąca informację: akustyczna, w postaci naturalnej; północno-amerykańskie (indiańskie) telegrafy dymne: informacja zakodowana w postaci regularnych obłoczków dymu z ognisk; fala niosąca informację: świetlna (obraz naturalny zjawiska z dużej odległości); sygnalizacja świetlna za pomocą luster odbijających światło słoneczne wykorzystywana w wojnach morskich starożytnych Greków, (podobna do współczesnej telegrafii alfabetem Morse a, również i dziś stosowanym na morzu); semafor w marynarce; wiek XIX XX: telegraf, telefon, radio, telewizja, internet, i inne

4 Literatura: 1. Podstawy Cyfrowych Systemów Telekomunikacyjnych, Krzysztof Wesołowski, WKŁ 2003; 2. Telekomunikacja, Richard Read, WKŁ 2000; 3. Wprowadzenie do Transmisji Danych, Andrew Simmonds, WKŁ 1999; 4. Systemy Telekomunikacyjne, cz. 1 i 2, Simon Haykin, WKŁ 1998; 5. Wprowadzenie do Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów, Richard G. Lyons, WKŁ 2003; 6. Vademecum Teleinformatyka, cz. 1, 2, 3, Wydawnictwo IDG; 7. NetWorld - Sieci Komputerowe i Telekomunikacja, miesięcznik, Wydawnictwo IDG; 8. CISCO Systems, Technologie Telekomunikacyjne, Wydawnictwo Mikom; 9. CISCO Systems, Akademia sieci CISCO, Wydawnictwo Mikom; 10. Lokalne Interfejsy Szeregowe w Systemach Cyfrowych, Jacek Bogusz, Wydawnictwo BTC, 2004; 11. Szeregowe Interfejsy Cyfrowe, Wojciech Mielczarek, Wydawnictwo HELION, 1993; 12. internet :-)

5 Klasyfikacja pojęć Kryteria: kryterium przeznaczenia, kryterium rodzaju informacji, kryterium czynności, kryterium rodzaju kanału telekomunikacyjnego, kryterium rodzaju toru telekomunikacyjnego.

6 Kryterium przeznaczenia Rozróżniamy: telekomunikację rozsiewczą przesyłającą jednokierunkową informację z jednego punktu nadawczego do wielu punktów odbiorczych (np. telewizja). telekomunikację porozumiewawczą realizującą łączność między dwoma lub wieloma punktami (np. telefonia); przy czym łączność ta może mieć charakter stały (sieć stała) albo punkty mogą być wybierane dowolnie z pewnego zbioru (sieć komutowana). telekomunikację zbiorczą przesyłającą jednokierunkowo do jednego punktu informację z wielu punktów nadawczych np.: telemetria (przekazywanie danych pomiarowych) telemechanika (przekazywanie impulsów, sygnałów sterujących).

7 Kryterium rodzaju informacji Rozróżniamy: telefonię i radiofonię (transmisja dźwięków, a w szczególności mowy) telegrafię (transmisja symboli graficznych, a przede wszystkim znaków pisma) transmisja danych (dawniej: teledacja, zwykle w postaci sygnałów cyfrowych) symilografię (przekazywanie obrazów nieruchomych) telewizję (przekazywanie obrazów ruchomych).

8 Kryterium czynności Rozróżniamy: przetwarzanie sygnałów (zamiana energii niosącej informację na energię impulsów elektrycznych i odwrotnie) teletransmisję, transport (przesyłanie sygnałów na odległość) telekomutację (tworzenie i likwidowanie drogi przesyłowej sygnału dla czasowego połączenia między wybranymi punktami).

9 Kryterium rodzaju kanału telekomunikacyjnego Definicja: Kanał telekomunikacyjny (transmisyjny) można zdefiniować jako drogę przepływu informacji (zakodowanej w sygnale elektromagnetycznym) na odległość - za pomocą urządzeń określonego systemu teletransmisyjnego Sposoby separacji sygnałów (kanałów) mogą być kryterium podziału: przestrzenny - kanały przestrzenne częstotliwościowy - kanały częstotliwościowe czasowy - kanały czasowe kodowy - kanały kodowe Kanał przestrzenny, częstotliwościowy i czasowy tworzą grupę tzw. kanałów prostych. W praktyce tworzą się tzw. kanały kombinowane, najczęściej przestrzenno-częstotliwościowe i przestrzenno-czasowe, łączące w sobie cech odpowiednich kanałów prostych.

10 Kryterium rodzaju toru telekomunikacyjnego Tor telekomunikacyjny - urządzenie będące układem biernym, umożliwiające ruch sygnałów elektrycznych (prąd elektryczny, fala elektromagnetyczna) w kanale przestrzennym, w którym następuje koncentracja energii sygnału. Medium transmisyjne ośrodek, w którym rozchodzi się prąd (fala elektromagnetyczna) przewodowe: miedziane - symetryczne (wieloparowe, głównie tzw. skrętkowe) miedziane - współosiowe (koncentryczne) światłowodowe: jednomodowe i wielomodowe bezprzewodowe (radiowe, oparte na podczerwieni): proste i łamane falowodowe: otwarte i zamknięte

11 Inne związane pojęcia Łączem telekomunikacyjnym nazywamy zestaw środków technicznych (torów, urządzeń teletransmisyjnych i komutacyjnych) umożliwiających bezpośrednią łączność elektryczną między dwoma końcowymi urządzeniami przetwarzającymi (np. aparatami telefonicznymi) lub między centralami. Uwaga: sygnały na początku i końcu łączy występują zawsze w postaci naturalnej. Rodzaje łączy telekomunikacyjnych: trwałe (stałe) lub komutowane (zestawiane na czas połączenia) jednotorowe (lub jednokanałowe), gdy transmisja sygnałów w obu kierunkach odbywa się tym samym torem (kanałem). dwutorowy (lub dwukanałowe), gdy transmisja sygnałów w obu kierunkach odbywa się dwoma różnymi torami (kanałami). jedno- i dwukierunkowe, w zależności od tego czy jednocześnie przesyła się sygnał w obu czy w jednym kierunku (simplex, half-duplex, full-duplex).

12

13 Skażenie elektromagnetyczne środowiska Człowiek wykorzystując fale elektromagnetyczne jako nośnik użytecznej informacji emituje w przestrzeń sygnały w zakresach częstotliwości od kiloherców (khz) do gigaherców (np. 12 GHz dla telewizji satelitarnej). Powoduje to w poszczególnych pasmach użytecznych wzajemne zakłócenia sygnałów utrudniając transmisję. Niewątpliwie wpływa to również na kondycję zdrowotną człowieka. Przykład: W 1927 r. radiostacja długofalowa o mocy 12 kw (w Raszynie pod Warszawą) posiadała antenę o wysokości 150 metrów i była doskonale słyszalna prawie w całej Europie. W 1974 r., aby uzyskać podobny zasięg, zbudowano w Gąbinie maszt o wysokości 646 metrów, a zastosowana radiostacja długofalowa miała moc 2 MW (!).

14 Kompatybilność elekromagnetyczna Pojęcie kompatybilności elektromagnetycznej - w odniesieniu do systemu telekomunikacyjnego: kompatybilność oznacza spełnienie wymagania niezakłóconego odbioru pożądanego sygnału (informacji) w obecności sygnałów zakłócających. Sposoby zapewnienia kompatybilności, to głównie rózne metody ekranowania elektromagnetycznego urządzeń i torów transmisyjnych.

15 Telekomunikacja współczesna Telekomunikacja współczesna systemy (przewodowe, radiowe, sieci komputerowe, telefonia komórkowa, itp.) Pojęcie informacji rodzaje, przetwarzanie informacji, modulacja Sygnały i kanały Sposoby przedstawiania sygnałów: w dziedzinie czasu i w dziedzinie częstotliwości Transmisja szeregowa i równoległa; asynchroniczna i synchroniczna System analogowy a cyfrowy schematy blokowe

16 Schemat systemu telekomunikacyjnego (analogowego) Źródło informacji Ujście informacji Przetwornik Informacja/Sygnał Nadajnik : modulator, wzmacniacz, antena nadawcza Przetwornik Sygnał/Informacja Odbiornik: antena odbiorcza wzmacniacz, demodulator Kanał transmisyjny

17 Najważniejsze elementy systemu: - źródło informacji / odbiornik informacji ( ) - przetworniki: informacja / sygnał oraz sygnał / informacja Przetworniki mają zadanie przemiany energii sygnału informacyjnego (źródłowego, naturalnego) na energię sygnału w postaci dogodnej do transmisji (czyli dopasowanie do własności określonego toru/kanału transmisyjnego) - lub odwrotnie. Najczęściej sygnałem jest prąd / napięcie elektryczne lub fala elektromagnetyczna. - wzmacniacze ( ) - modulator / demodulator ( ) - kanał transmisyjny ( )

18 Schemat systemu transmisji cyfrowej Źródło informacji Koder źródłowy Koder kanałowy Kanał transmisyjny Szumy Ujście informacji Dekoder źródłowy Dekoder kanałowy Uwaga: pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, głównie w kanale transmisyjnym, mogą istnieć (istnieją) czynniki zakłócające komunikację (ogólnie zwane szumami).

19 Źródło wiadomości: wysyła wiadomości, które wybiera za skończonego zbioru wiadomości elementarnych, w takt zegara, Założenie: Źródło jest stacjonarne (tzn. własności statystyczne źródła nie zależą od czasu); Koder źródłowy: przetwarza wiadomości ze źródła do sekwencji symboli elementarnych; np. przedstawienie informacji naturalnej w postaci symbolicznej (kombinacje kropek i kresek, alfabet, specyficzny rytm uderzeń itp.) Koder kanałowy: przetwarza symbole wejściowe (z kodera) tak, by zagwarantować niezawodną transmisję (podział sekwencji na bloki, dodanie symboli nadmiarowych dla zapewnienia odporności na przekłamania w trakcie transmisji); Kanał: element systemu niezależny (w dużej mierze) od pozostałych elementów systemu, może być: przestrzenny, czasowy, częstotliwościowy (lub kombinowany), na sygnał w kanale działają szumy (sygnały zakłócające pochodzące z różnych źródeł zewnętrznych);

20 Dekoder kanałowy: wyznacza estymaty (oszacowania) nadanego bloku sygnałów - na podstawie odebranego bloku sygnałów Uwaga: Możliwe są trzy sytuacje po stronie odbiorczej: 1. dekoder kanałowy zrekonstruował rzeczywiście nadany blok, 2. dekoder nie był w stanie zrekonstruować bloku nadanego, ale wykrył błędy, o czym informuje inne elementy systemu, 3. dekoder zrekonstruował błędny blok symboli, ale ze zbioru bloków dopuszczalnych, więc nie informuje o tym fakcie innych elementów systemu. Dekoder źródłowy: przetwarza blok sygnałów z wyjścia dekodera kanałowego na postać zrozumiałą dla odbiorcy (tzw. ujścia wiadomości).

21 Wspólne cechy systemów telekomunikacyjnych Informacja (źródłowa) ma znaczenie dla odbiorcy, ma sens, jest więc pojęciem niematerialnym, ale można ją mierzyć!, (tzn. jej ilość) Sygnał (źródłowy) to nośnik informacji, energia w postaci fizycznej, tak ukształtowana, aby w niej znalazł się zapis informacji. Energia jest oczywiście mierzalna w sensie fizycznym, ale nie jest to miara ilości informacji! Przykłady: Dźwięk (mowa, muzyka fala akustyczna) Obraz (światło fala elektromagnetyczna) Teoria informacji ma swój początek w 1948r - prace C.E. Shannona. Shannon zaproponował sposób kwantyzacji informacji w sensie matematycznym (sformułował pojęcie miary informacji). Sformułował trzy ważne twierdzenia: - o kodowaniu źródła - o kodowaniu kanału - o przepustowości informacyjnej kanału

22 Podstawowe informacje o sygnałach Falowa natura sygnałów występujących w przyrodzie (drgania okresowe) Naturalne przesłanki stosowania analizy Fouriera (np. trąbka Eustachiusza) Co to jest analiza Fouriera? Dlaczego funkcje okresowe sinusoidalne? - własności matematyczne: suma, iloczyn, całka, pochodna też sinusoida! - łatwość technicznego generowania i przekształcania funkcji sinusoidalnych - sygnały naturalne są okresowo zmienne, są to fale A(t ) = A sin(ω t + ϕ ) Funkcje sinusoidalne: Parametry: A amplituda ω pulsacja, związana z częstotliwością f wzorem: ω = 2π f faza (kąt), czyli wartość wyrażenia w nawiasie (ωt+φ) argument funkcji sin(.)

23 Pojęcie widma (spektrum) częstotliwościowego jest to obraz zależności amplitudy funkcji okresowej w dziedzinie częstotliwości: A=A(f) lub A=A(ω) Sygnały naturalne (dźwięk, światło) są okresowo zmienne. Sygnały okresowo zmienne inne niż sinusoidalne mogą być traktowane jako superpozycja (nałożenie się) sygnałów sinusoidalnie zmiennych (twierdzenie Fouriera). Istnieją zatem silne podobieństwa w systemach analizy i syntezy układów w obrębie szerokiej klasy funkcji okresowo zmiennych.

24 Ogólny podział sygnałów Analogowe - ciągłe w czasie, Dyskretne, cyfrowe impulsy prostokątne, (funkcje okresowe, przedziałami stałe, zwykle dwu- lub trój-stanowe) Pojecie pasma częstotliwościowego sygnału: - wynika z rozkładu na szereg Fouriera - odróznia się pasmo absolutne i efektywne - szerokość pasma B (potocznie: pasmo) jest równa różnicy częstotliwości maksymalnej i minimalnej widma częstotliwościowego: B = f2 - f1

25 Przebiegi czasowe i widma typowych sygnałów a), b) sygnał akustyczny (audio) mowy; odpowiednio: przebieg czasowy i widmo częstotliwościowe, c), d) sygnał wizji (wideo) telewizji czarno-białej; odpowiednio: przebieg czasowy i widmo częstotliwościowe,

26 Przebiegi czasowe i widma typowych sygnałów e), f) sygnał cyfrowy (impulsy prostokątne); odpowiednio: przebieg czasowy i widmo częstotliwościowe, g), h) sygnał pasmowy zmodulowany amplitudowo; odpowiednio: przebieg czasowy i widmo częstotliwościowe.

27 Modulacja sygnałów wiadomości wstępne Powody stosowania modulacji: - przeniesienie częstotliwości użytecznych w zakres wysokich częstotliwości odseparowanie od poziomu szumów i zakłóceń - rozsądne wymiary anten - separacja kanałów transmisyjnych Dwa sygnały biorące udział: - sygnał użyteczny informacyjny, modulujący - sygnał nośny - modulowany Modulacja: uzmiennienie określonego parametru sygnału nośnego w takt zmian sygnału użytecznego (informacyjnego)

28 Przykład: Modulacja amplitudowa przyjmijmy, że sygnał użyteczny (wiadomość) to sinusoida: m(t ) = Am cos(ω m t ) sygnał nośny: też sinusoida: warunek: xc (t ) = Ac cos(ω c t ) ωc >> ω m Modulacja amplitudowa jest wynikiem mnożenia sygnału informacyjnego i nośnego:

29 W rezultacie mnożenia otrzymujemy: m(t ) x c (t ) = Am cos(ω m t ) Ac cos(ω c t ) = Am Ac [ cos(ω c + ω m )t + cos(ω c ω m )t ] = 2 Rezultat graficznie przedstawiają rysunki:

30 Przebiegi czasowe i widma częstotliwościowe

31 efekt: 1: separacja od poziomu szumów w pasmie podstawowym efekt 2: tzw. rozsądne wymiary anten c λ = f 8 Zależność długościcfali od częstotliwości : = 3 10 m / s l = Stosowane anteny mają długości: Jeśli l = λ = m f = 3 khz Jeśli λ 2 to f = 100 MHz to λ = 3m λ 4 l =! efekt 3: separacja kanałów Dla różnych częstotliwości nośnych otrzymuje się przesunięcie w inny zakres częstotliwości i tym samym separację kanałów 5 λ 8

32 Sposoby zwielokrotniania kanałów multipleksacja Polega na podziale łącza o stosunkowo dużej przepustowości na kanały dla różnych par nadawca-odbiorca. Łącze o dużej przepustowości niskie koszty jednostkowe Stosunkowo niewielkie wymagania dla terminali telefonicznych, i innych Możliwość tworzenia łączy dedykowanych, stałych FDM (Frequency Division Multiplexing) zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości TDM - (Time Division Multiplexing) zwielokrotnienie z podziałem czasu

33 FDM Frequency Division Multiplexing zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości

34

35 TDM Time Division Multiplexing zwielokrotnienie z podziałem czasu

36 Czas trwania szczeliny czasowej (przykładowy):

37

38

39 Komunikacja międzykomputerowa Cz. II Dr inż Tomasz Gałkowski 2009 Wykład przygotowano w ramach projektu: Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Numer projektu: POKL /08

40 Media transmisyjne i ich własności Przewodowe miedziane Przewodowe światłowodowe Bezprzewodowe Podstawowe wiadomości o antenach nadawczych i odbiorczych

41 Media transmisyjne i ich własności Medium transmisyjne: - stanowi fizyczną ścieżkę połączenia pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem - jest nośnikiem energii używanym do transmisji sygnałów w telekomunikacji i jest podstawowym elementem systemów telekomunikacyjnych. Możliwości transmisji zależą od parametrów użytego medium. Wyróżnia się media przewodowe i bezprzewodowe. Rodzaje użytych mediów w zależności od technologii, w jakiej utworzona jest sieć. Media transmisyjne można podzielić na przewodowe oraz bezprzewodowe. Do przewodowych mediów transmisyjnych należą: Kabel symetryczny (skrętka) Kabel współosiowy (kabel koncentryczny) Kabel światłowodowy (światłowód - jednomodowy, wielomodowy) Kable energetyczne Do bezprzewodowych mediów transmisyjnych należą: Fale elektromagnetyczne (fale radiowe) Promień lasera

42

43 Skrętka czteroparowa Skrętka składa się z ośmiu żył (czterech par). Żyły w skrętkach są ze sobą splecione parami. Każda para skrętki posiada jedną żyłę do przenoszenia napięcia, a druga jest połączona z masą urządzeń. Szum pojawiający się w jednej żyle, występuje także w drugiej, ale jest przeciwnie spolaryzowany i jest "znoszony" przez szum z drugiej żyły na końcu kabla dołączonego do odbiornika. Stopień, w jakim zakłócenia są wyeliminowane zależy od ilości splotów przypadających na jednostkę metra. Większa ilość splotów na metr gwarantuje zmniejszenie szumu. Dla jeszcze większej ochrony przed zakłóceniami stosuje się ekran w postaci folii aluminiowej, w którą zawinięte są pary żył oraz uziemienie. Folia może być owinięta wokół pojedynczych par lub wszystkich żył. Impedancja typowej skrętki wynosi 100Ω. Maksymalna odległość pomiędzy urządzeniami połączonymi skrętką nie powinna przekraczać 100 m.

44 Rodzaje skrętek Wyróżnia się następujące rodzaje skrętek: nieekranowana UTP (Unshielded Twisted Pair) ekranowana STP (Shielded Twisted Pair) - cały kabel składający się z czterech par żył jest ekranowany metalowym oplotem foliowana FTP (Foiled Twisted Pair) - cały kabel okręcony jest na całej długości metalową tasiemką pozostałe: SFTP, S/STP, FSTP

45 Skrętka nieekranowana (UTP - Unshielded Twisted Pair) Kabel typu UTP jest zbudowany ze skręconych ze sobą par przewodów i tworzy linię zrównoważoną (symetryczną). Skręcenie przewodów ze splotem l zwój na 6-10 cm chroni transmisję przed interferencją otoczenia. Tego typu kabel jest powszechnie stosowany w sieciach informatycznych i telefonicznych, przy czym istnieją różne technologie splotu, a poszczególne skrętki mogą mieć inny skręt. Dla przesyłania sygnałów w sieciach komputerowych konieczne są skrętki kategorii 3 (10Mb/s) i kategorii 5 (100 Mb/s), przy czym powszechnie stosuje się tylko tą ostatnią.

46 Skrętka foliowana (FTP - Foiled Twisted Pair) Jest to skrętka ekranowana za pomocą folii aluminiowej z przewodem uziemiającym. Przeznaczona jest głównie do budowy sieci komputerowych umiejscowionych w ośrodkach o dużych zakłóceniach elektromagnetycznych. Stosowana jest również w sieciach Gigabit Ethernet (l Gb/s) przy wykorzystaniu wszystkich czterech par przewodów.

47 Skrętka ekranowana (STP - Shielded Twisted Pair) Różni się od skrętki FTP tym, że ekran jest wykonany w postaci oplotu i zewnętrznej koszulki ochronnej. Jej zastosowanie wzrasta w świetle nowych norm europejskich EMC w zakresie emisji EMI (ElectroMagnetic Interference).

48 Inne rozwiązania Poza wyżej wymienionymi można spotkać także hybrydy tych rozwiązań: FFTP - każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem z folii, cały kabel jest również pokryty folią. SFTP - każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem z folii, cały kabel pokryty jest oplotem.

49 Kategorie skrętek miedzianych Kategoria 1 obejmuje kable o torach przeznaczonych do transmisji sygnałów w paśmie częstotliwości akustycznych oraz do doprowadzania zasilania o niewielkiej mocy. Nie stawia się żadnych wymagań wobec parametrów transmisyjnych torów kabli tej kategorii. Kategoria 2 obejmuje kable o liczbie par od 2 do 25, z torami przystosowanymi do transmisji sygnałów w zakresie częstotliwości do 2 MHz, z przepływnością binarną do 2 Mb/s. Sprecyzowane są wymagania dotyczące impedancji falowej (84 do 120 ) oraz tłumienności falowej torów do 1 MHz (przy 1 MHz, co najwyżej 26 db/km). Kategoria 3 dotyczy kabli z torami przewidzianymi do pracy przy częstotliwościach do 16 MHz, przy przepływności do 16 Mb/s.

50 Kategorie skrętek miedzianych Kategoria 4 dotyczyła kabli o torach przystosowanych do transmisji w paśmie częstotliwości do 20 MHz i przy większym zasięgu w stosunku do kategorii 3. Jako zamienniki tej kategorii, większość producentów oferuje obecnie kable kategorii 5. Kategoria 5 dotyczy kabli z torami przewidzianymi do pracy przy częstotliwościach do 100 MHz, z przepływnością binarną do 100 Mb/s (transmisja simpleksowa - po dwóch różnych torach, po jednym dla każdego kierunku). Kategoria 5e dotyczy kabli czteroparowych z torami przewidzianymi do pracy przy częstotliwościach do 100 MHz, z przepływnością binarną do 1 Gb/s (transmisja dupleksowa - po czterech torach w obydwu kierunkach). Kategoria 6 dotyczy kabli czteroparowych z torami przewidzianymi do pracy przy częstotliwościach do 200 (250) MHz, z przepływnością binarną większą od 1 Gb/s (transmisja dupleksowa - po czterech torach w obydwu kierunkach). Kategoria 7 dotyczy kabli z dwoma lub czterema indywidualnie ekranowanymi parami, których tory przewidziane są do pracy przy częstotliwościach do 600 MHz, z przepływnością binarną znacznie większą od 1 Gb/s.

51 Konstrukcja kabli wyższych kategorii

52 Wykorzystanie kabli miedzianych

53 Zalecenia techniczno-montażowe Do podstawowych trudności należy zaliczyć: usunięcie skrętu żył na zbyt dużej długości kabla przy jego zakańczaniu (maksymalny, dopuszczalny odcinek wynosi 13 mm), zagięcia kabla o zbyt dużej krzywiźnie (maksymalna, dopuszczalna krzywizna jest równa czterem średnicom kabla), zbyt silne zaciskanie złączy.

54 Parametry transmisyjne kabli Rezystancja żyły [Ω/km] Asymetria rezystancji [%] Rezystancja izolacji [MΩ/km] Odporność izolacji [V] Pojemność skuteczna [nf/km] Asymetria pojemności względem ziemi [pf/km] Impedancja sprzężeniowa ekranu [mω/m] Impedancja falowa [Ω] Tłumienność falowa [db/km, db/100m] Tłumienność odbiciowa [db] Tłumienność przenikowa [db]

55 Cechy skrętki wieloparowej Niewielki koszt; Stosunkowo niewielki zasięg (tłumienie). W systemach analogowych wymaga wzmacniaczy co 5-6 km; w systemach cyfrowych regeneratorów sygnału co 2-3 km; Stosunkowo niewielkie pasmo przenoszenia i szybkość transmisji; Podatna na zakłócenia zewnętrzne, przesłuchy, a zwłaszcza szum impulsowy; Stosowanie osłon i oplotów metalicznych, oraz skręcenie i różny stopień przeplotu poprawia niektóre powyższe wady; Łatwa instalacja i eksploatacja (lokalizacja i usuwanie uszkodzeń);

56 Kabel współosiowy (koncentryczny) Rysunek przekrojowy:

57 Opis budowy i własności Składa się z dwóch przewodów koncentrycznie umieszczonych jeden wewnątrz drugiego, co zapewnia większą odporność na zakłócenia a tym samym wyższą jakość transmisji. Jeden z nich wykonany jest w postaci drutu lub linki miedzianej i umieszczony w osi kabla (czasami zwany jest przewodem gorącym), zaś drugi (ekran) stanowi oplot, jest łączony z masą układu (uziemiany). Powszechnie stosuje się dwa rodzaje kabli koncentrycznych - o impedancji falowej 50 i 75 Ohm, przy czym te pierwsze stosuje się min. w sieciach komputerowych, a drugie w instalacjach antenowych

58 Zastosowanie w sieciach komputerowych - Cienki Ethernet (Thin Ethernet) - (sieć typu 10Base-2) - kabel RG-58 o średnicy ok. 5 mm i dopuszczalnej długości segmentu sieci wynoszącej 185 m. Stosowany nadal zwłaszcza tam, gdzie istnieje potrzeba połączenia na odległość większą niż 100 m - Gruby Ethernet (Thick Ethernet) - (sieć typu 10Base-5) - kable RG-8 i RG-11 o średnicy ok. 12 mm i dopuszczalnej długości segmentu wynoszącej 500 m. Nie stosowany obecnie, lecz można go spotkać jeszcze w bardzo starych sieciach. Oba kable mają impedancję falową 50 Ohm. Należy dodać, że impedancja kabla jest ściśle związana z impedancją urządzeń do niego podłączonych. Nie można więc bezkarnie stosować w sieciach komputerowych np. telewizyjnego kabla antenowego (o impedancji falowej 75 Ohm), gdyż wykonana w ten sposób sieć najprawdopodobniej nie będzie po prostu działać!

59 Cechy kabla współosiowego - Jest mało wrażliwy na zakłócenia i szumy (ekran), sam nie emituje zakłóceń na zewnątrz; - Duże pasmo przenoszenia, możliwa transmisja z większą prędkością - Nadaje się do sieci z przesyłaniem modulowanym (szerokopasmowym) np. CATV - Umiarkowany koszt, ale np. jest tańszy niż ekranowany kabel skręcany! - Stosunkowo trudny w instalacji (mniej giętki) i eksploatacji (wymaganie bardzo dobrej jakości styków) Obecnie kabel współosiowy jest stosowany tylko w bardzo małych sieciach (do 3-4 komputerów) stawianych możliwie najniższym kosztem. Wadą tego rozwiązania jest dosyć duża (w porównaniu z siecią na skrętce) awaryjność instalacji. Wykorzystywany jest również czasem do łączenia ze sobą skupisk stacji roboczych okablowanych w technologii gwiazdy zwłaszcza tam, gdzie odległość koncentratorów od siebie przekracza 100 m i nie jest wymagane stosowanie prędkości wyższych niż 10 Mb/s. Rozwiązanie to jest jednak spotykane prawie wyłącznie w sieciach amatorskich. W sieciach profesjonalnych zaś (gdzie liczy się szybkość i niezawodność, a koszt instalacji jest sprawą drugorzędną) praktycznie nie stosuje się już kabla koncentrycznego, a zamiast niego wykorzystuje się światłowody.

60 Kable energetyczne - Oferują najsłabszej jakości transmisję danych. Jest to spowodowane brakiem ochrony przed szumami zakłócającymi, które pochodzą z innych źródeł niż nadajnik. Z tego względu te media nie nadają się do transmisji danych na większe odległości. Teoretyczna maksymalna przepustowość tego medium wynosi 200 Mbit/s.

61 Światłowód Światłowód składa się z cienkiego włókna szklanego, które przenosi informację w postaci światła w zakresie widma światła widzialnego i poniżej. W konstrukcji kabla światłowodowego można wyróżnić takie elementy, jak: - powłoka pierwotna, nakładana podczas procesu produkcyjnego, przekrój stały, około 250μm - żel ochronny, włókno aramidowe, chroniące światłowód przed uszkodzeniem - powłoka wtórna, obejmująca powłokę pierwotną oraz opcjonalnie żel ochronny, w jednej z form: tuba, rozeta lub taśma - dielektryczny element wytrzymałościowy - żel uszczelniający - pancerz kabla (taśmy, druty stalowe) - pokrycie zewnętrzne

62 Przypomnienie zjawisk optycznych

63 Odbicie wewnętrzne światła

64 Zasada działania Transmisja światłowodowa polega na prowadzeniu przez włókno szklane promieni optycznych generowanych przez laserowe źródło światła. Ze względu na znikome zjawisko tłumienia, a także odporność na zewnętrzne pola elektromagnetyczne, przy braku emisji energii poza tor światłowodowy, światłowód stanowi obecnie najlepsze medium transmisyjne. Kabel światłowodowy składa się z jednego do kilkudziesięciu włókien światłowodowych.

65 Budowa Medium transmisyjne światłowodu stanowi szklane włókno wykonane najczęściej z domieszkowanego dwutlenku krzemu (o przekroju kołowym) otoczone płaszczem wykonanym z czystego szkła (SiO2), który pokryty jest osłoną (buforem). Dla promieni świetlnych o częstotliwości w zakresie bliskim podczerwieni współczynnik załamania światła w płaszczu jest mniejszy niż w rdzeniu, co powoduje całkowite wewnętrzne odbicie promienia i prowadzenie go wzdłuż osi włókna. Zewnętrzną warstwę światłowodu stanowi tzw. bufor (osłona) wykonany zazwyczaj z akrylonu poprawiający elastyczność światłowodu i zabezpieczający go przed uszkodzeniami. Jest on tylko osłoną i nie ma wpływu na właściwości transmisyjne światłowodu.

66

67 Źródła światła dla światłowodu

68 Rodzaje światłowodów Wyróżnia się światłowody jedno- oraz wielomodowe. Światłowody jednomodowe oferują większe pasmo przenoszenia oraz transmisję na większe odległości niż światłowody wielomodowe. Niestety koszt instalacji systemu wykorzystującego światłowód jednomodowy jest wyższy, ze wzgledu na ceny osprzętu nie włókna. Zazwyczaj przy transmisji typu full-duplex stosuje się dwa włókna światłowodowe do oddzielnej transmisji w każdą stronę, choć spotykane są rozwiązania umożliwiające taką transmisję przy wykorzystaniu tylko jednego włókna (WDM)

69 Profile światłowodów Światłowód skokowy

70 Światłowód gradientowy

71 Światłowód wielowarstwowy wyjaśnienie pracy światłowodu gradientowego

72 Światłowody jednomodowe - Długość transmitowanej fali świetlnej jest porównywalna z rozmiarami (średnicą) rdzenia - Zachodzą zjawiska korpuskularno-falowe, podobnie jak w falowodach - Promień świetlny nie ulega odbiciu wewnętrznemu rozprzestrzenia się wzdłuż osi światłowodu

73 Światłowód gradientowy a jednomodowy

74 Zestawienie zbiorcze

75 Straty i okna pracy światłowodów

76

77 Najczęstsze przyczyny strat w światłowodach

78 Rodzaje złączek

79 Zalety światłowodu w stosunku do kabli miedzianych: - odporność na zakłócenia RFI (Radio Frequency Interference) oraz EMI (ElectroMagnetic Interference) - bezpieczeństwo (nie można podsłuchać transmisji niezupełnie...!) - wyeliminowanie przesłuchów - duża przepustowość z powodu szerokiego pasma - odporność na korozję (tworzywa sztuczne) - większy zasięg wynikający z małych strat (tłumienia) - mniejsza kubatura i waga - szybsza transmisja (szersze pasmo użyteczne) - duża niezawodność poprawnie zainstalowanego łącza i względnie niski koszt, który ciągle spada...

80 Wady - wibracje fizyczne powodują zaszumienie sygnału informacyjnego - ograniczenie w zgięciu kabla (za duży łuk zgięcia może doprowadzić do złamania się włókna) - trudność w łączeniu światłowodów Koszt stosowania światłowodu jest kompromisem pomiędzy przepustowością i ceną. Gdy potrzebujemy większej przepustowości bardziej opłacalnym wyborem jest światłowód, natomiast przy niższym zapotrzebowaniu na przepustowość tańsze jest medium miedziane. Maksymalna prędkość transmisji uzyskana podczas prac badawczych nad piątą już generacją światłowodów wynosi 360 Tbit/s, a zasięg tego medium wynosi 9000 km.

81 Fale elektromagnetyczne Przepływowi prądu towarzyszy pole magnetyczne (indukcyjność), natomiast napięciu pole elektryczne (kondensator). Sygnały można rozpatrywać również jako pola magnetyczne oraz elektryczne. Stałe pole elektryczne może istnieć bez pola magnetycznego, ale zmienne pole elektryczne generuje zmienne pole magnetyczne (i odwrotnie). Ponieważ sygnał niosący informację musi się zmieniać, to sygnałowi elektrycznemu musi towarzyszyć zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne; sygnały takie nazywamy falami elektromagnetycznymi.

82 Fala elektromagnetyczna

83 Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w wolnej przestrzeni jest określona zależnością: c= 1 ( µ 0ε 0 ) - gdzie μ0 jest przenikalnością magnetyczną wolnej przestrzeni o wartości μ0 = 4π 10-7 H/m, - ε0 jest przenikalnością elektryczną próżni o wartości wyznaczonej eksperymentalnie jako ε0= 8, F/m

84 Podobieństwa zjawisk falowych i zjawisk związanych z przepływem prądu elektrycznego Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w bezstratnym, materialnym medium transmisyjnym: Vp = 1 (µ ε ) lub Vp = c ( µ rε r ) gdzie: μr i εr są parametrami względnymi (tzn. odniesionymi do przenikalności próżni odpowiednio magnetycznej i elektrycznej)

85 Podobieństwa i analogie... cd. W optyce natomiast przyjmuje się, że prędkość światła w ośrodku cechującym się współczynnikiem załamania światła n wynosi: c Vp = n

86 Impedancja falowa Teoria Maxwella przewiduje, że impedancja falowa bezstratnego medium jest dana zależnością: Z0 = µ ε Dla próżni np. wynosi ona: Z0 = µ0 = 377Ω ε0 Z teorii obwodów (tzw. teoria linii długiej) znane są zależności: Vp = 1 ( LC) Z0 = L C Spostrzeżenie: Indukcyjność jednostkowa L oraz pojemność jednostkowa C dla linii długiej mają to samo znaczenie co przenikalność magnetyczna μ0 oraz przenikalność elektryczna ε0 dla próżni.

87 Fale radiowe Fale radiowe znajdują się w zakresie niskich częstotliwości widma elektromagnetycznego zajmując zakres częstotliwości 3 khz GHz. Typowym zastosowaniem fal radiowych jest radiodyfuzja programów radiowych oraz telewizyjnych. Zasięg fal radiowych bardzo wysokich częstotliwości jest ograniczony linią widnokręgu. Propagacja oznacza sposób rozprzestrzeniania się fal

88

89 Transmisja danych bezprzewodowa Elementy: antena nadawcza i odbiorcza Transmisja bezprzewodowa może być: - bezkierunkowa - kierunkowa Wykorzystywane zakresy częstotliwości: a) 2 40 GHz (mikrofale) transmisja kierunkowa b) 30 MHz 1 GHz radio broadcast'owe c) Hz (podczerwień) transmisja lokalna, światłowody

90 Rodzaje propagacji fal radiowych. Propagacja jonosferyczna 1. Propagacja jonosferyczna wykorzystywana w radiokomunikacji krótkofalowej - zakres częstotliwości 3 MHz - 30 MHz - silnie uzależniona od intensywności promieniowania Słońca

91 Martwa strefa Może istnieć martwa strefa uniemożliwiająca jakąkolwiek transmisję (między zasięgiem odbioru przyziemnego a zasięgiem odbioru jonosferycznego)

92 Propagacja przyziemna Dalekosiężna propagacja przyziemna jest ograniczona do częstotliwości 10 MHz. Szerokość tego pasma nie jest zbyt duża, ale obejmuje stacje radiowe nadające na falach średnich oraz długich (stacje AM). Fale radiowe są prowadzone wzdłuż powierzchni ziemi lub morza, propagując w warstwie pomiędzy ziemią a niebem. Kanał ten nie jest idealny i przekazywany w nim sygnał jest tłumiony w miarę wzrostu odległości. Typowy zasięg jest około 250 km; tłumienie nad morzem jest mniejsze, a tłumienie nad terenami pustynnymi większe.

93 Propagacja troposferyczna dohoryzontowa Fale radiowe są przekazywane w dolnej warstwie atmosfery, nazywanej troposferą Wykorzystywana w zakresie do 30 MHz Zasięg ograniczony krzywizną kuli ziemskiej Odbicia od ziemi, budynków i innych przeszkód mogą zakłócać odbierany sygnał; ten typ zniekształceń jest nazywany efektem wielodrogowości (przykładem tego zjawiska są tzw. zjawy" pojawiające się na ekranie odbiornika telewizyjnego) - odbity sygnał przebył dłuższą drogę, a zatem został odebrany nieco później.

94 Wygaszanie wskutek odbicia W zakresie niskich częstotliwości fala padająca oraz fala odbita wygaszają się wzajemnie. W zakresie częstotliwości wyższych odbicia powodują zniekształcenia wielodrogowości.

95 Dukty troposferyczne Zachodzi podobieństwo do propagacji światła w światłowodzie jednomodowym w zakresie bardzo niskich częstotliwości (poniżej 30 khz) (!) Powierzchnia Ziemi oraz dolna warstwa jonosfery tworzą falowód lub dukt. Ten falowód prowadzi fale radiowe, które mogą wędrować wokół Ziemi, będąc tłumione w niewielkim stopniu.

96 Transmisja mikrofalowa naziemna Anteny paraboliczne, wymagane precyzyjne ustawienie anteny nadawczej i odbiorczej Maksymalna odległość: d = 7.14 Kh Gdzie h wysokość [m] K współczynnik Zastosowanie: Transmisja dalekiego zasięgu (głos, TV) Łącza między budynkami

97 Tłumienie wolnej przestrzeni Tłumienie oblicza się wg wzoru: 4π d 2 L = 10log( ) λ Gdzie d odległość λ - długość fali Stosowane są regeneratory lub wzmacniacze co km Silny wpływ opadów (deszczu) zwłaszcza powyżej 10 GHz Wymaga licencji (regulacje prawne) Łatwość podsłuchu obniżone bezpieczeństwo

98 Transmisja mikrofalowa satelitarna - system satelitów rozmieszczonych na orbitach wokół Ziemi - satelita (satelity) jest stacją przekaźnikową dla stacji naziemnych - rola satelity: odbiór sygnału (uplink), następnie wzmocnienie lub regeneracja, potem transmisja (nadawanie) w kierunku ziemi (downlink) - optymalny zakres częstotliwości od 1 GHz do 14 GHz - np. pasmo 4/6 GHz: uplink - 5,925 6,425 GHz downlink 3,7 4,2 GHz - np. pasmo 12/14 GHz: uplink ,5 GHz downlink 11,7 12,2 GHz - satelita geostacjonarny km - opóźnienie propagacji ok. ¼ s.

99 Anteny Antena jest to urządzenie promieniujące energię elektromagnetyczną pod postacią fal radiowych w określonym kierunku przestrzeni (antena nadawcza) lub transformujące energię fal radiowych na szybkozmienne (o wysokiej częstotliwości) drgania elektryczne (antena odbiorcza). Antena jest urządzeniem całkowicie pasywnym, które nie jest w stanie wzmocnić całkowitej mocy sygnału. W XX w. najbardziej znanym typem anteny była antena odbiornika radiowego i antena telewizyjna; w XXI w. częściej kojarzona z elementem bezprzewodowych sieci komputerowych lub z odbiorem sygnałów z satelitów. Antenami są również masery umieszczone w ognisku radioteleskopów.

100 Podział anten Ze względu na funkcję anteny możemy podzielić na: - nadawcze - odbiorcze Ze względu na pasmo przenoszonego sygnału: - wąskopasmowe - szerokopasmowe Ze względu na własności kierunkowe: - dookólne - kierunkowe Ze względu na typ polaryzacji rodzaje polaryzacji są następujące: - liniowa (pionowa, pozioma, +45, -45 ) - eliptyczna (kołowa) lewoskrętną prawoskrętną

101 Polaryzacja fal (światła) Polaryzacja to własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Fale dźwiękowe nie podlegają zjawisku polaryzacji, bo są falami podłużnymi. Najłatwiej jest sobie wyobrazić polaryzację płaskich fal sinusoidalnych. W większości przypadków światło to fale płaskie. Płaska fala elektromagnetyczna cechuje się tym, że wektory pola magnetycznego oraz elektrycznego prostopadłe do siebie leżą w jednej płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali, wektory te są zależne od siebie i podanie jednego jednoznacznie określa drugi dlatego przyjmuje się, że polaryzacja światła to zjawisko związane wyłącznie z wektorem pola elektrycznego. Wektor ten można rozłożyć na dwie składowe prostopadłe do siebie. Zmiany tych składowych można opisać funkcjami sinusoidalnymi, a zatem wystarczy podać ich fazę, amplitudę oraz częstotliwość (która jest jednakowa dla obu składowych).

102 Rodzaje polaryzacji Liniowa Kołowa Eliptyczna

103 Polaryzacja liniowa Przypadek po lewej, to polaryzacja liniowa, drganie odbywa się wzdłuż linii prostej. Każde drganie można przedstawić jako sumę drgań wzdłuż osi X i Y. W przypadku polaryzacji liniowej drgania składowe są w fazie lub w przeciwfazie (180 ). Stosunek amplitud drgań składowych określa kierunek drgania a tym samym i polaryzację. Brak jednej ze składowych odpowiada polaryzacji wzdłuż osi. W polaryzacji liniowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) punktu w każdym cyklu przechodzi dwa razy przez zero.

104 Polaryzacja kołowa Przypadek środkowy ilustruje polaryzację kołową. Drganie to odpowiada ruchowi po okręgu. Można je rozłożyć na dwa drgania o jednakowych amplitudach ale o fazach przesuniętych dokładnie o 90 lub 270 (-90 ). W zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90 czy 270, mówi się o polaryzacji kołowej prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Wynika to z faktu, że wektor wychylenia może obracać się albo w lewo albo w prawo. W polaryzacji kołowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) ma zawsze taką samą wartość, zmienia się tylko kierunek przemieszczenia.

105 Polaryzacja eliptyczna Trzeci rysunek przedstawia polaryzację eliptyczną, która jest uogólnieniem polaryzacji kołowej. Ruch ciała wytwarzającego drganie odbywa się po elipsie. Drganie to rozkłada się, podobnie jak w polaryzacji kołowej, na drgania o fazie przesuniętej o 90 lub 270 ale drgania składowe mają różne amplitudy. Polaryzacja eliptyczna może być wyrażona jako złożenie polaryzacji liniowej i kołowej.

106 Polaryzacja fal radiowych Fala elektromagnetyczna, której jednym ze składników jest pole elektryczne powstaje w wyniku zmian pola elektrycznego, zmiany te powstają w wyniku przyspieszania ładunku elektrycznego. Natężenie pola elektrycznego, a tym samym i jego zmiany, w powstającej fali ma kierunek taki sam jak natężenie pola elektrycznego wytwarzającego falę i rozchodzi się w przestrzeni. Pojedynczy dipol, przykładowo dipolowa antena radiowa zasilana prądem przemiennym lub pobudzony do drgań elektron, promieniuje we wszystkich kierunkach, ale nie jednakowo silnie. Natężenie promieniowania w wybranym kierunku jest proporcjonalne do rzutu prostokątnego dipola na płaszczyznę prostopadłą do wybranego kierunku. Z faktu tego wynika polaryzacja fal radiowych wytwarzanych przez anteny radiowe.

107 Polaryzacja używana w TV Antena w postaci dipola wytwarza falę spolaryzowaną zgodnie z ustawieniem dipola. Radiofonia na falach długich i średnich używa polaryzacji pionowej (zmiany natężenia pola elektrycznego mają pionowy kierunek) ze względu na wykorzystanie pionowego masztu jako anteny. Telewizja w transmisji naziemnej używa polaryzacji poziomej, tak by można było odbierać jedną anteną wszystkie stacje telewizyjne (były wyjątki). Służby techniczne pracujące na zakresie fal decymetrowych, by ograniczyć wzajemne zakłócenia telewizji i służb stosują polaryzację pionową.

108 Polaryzacja w TV SAT W telewizji satelitarnej polaryzację stosuje się do zwiększenia liczby kanałów dostępnych w tym samym paśmie. Stosuje się polaryzację kołowa prawoskrętna lub lewoskrętną. Antena wytwarzająca falę spolaryzowaną kołowo składa się z dwóch dipoli ustawionych prostopadle i zasilanych drganiami z przesunięciem fazowym o 90 stopni. Fale radiowe w wyniku wielokrotnego rozproszenia tracą swoją polaryzację.

109 Anteny nadawcze i odbiorcze Antena nadawcza i odbiorcza jest w zasadzie taka sama (zasada wzajemności) Jednak antenom nadawczym stawia się większe wymagania konstrukcyjne, przede wszystkim związane z mocami jakie wypromieniowują.

110 Podstawowe typy anten Ze względu na sposób wykonania anteny dzielimy na: Dipolowe Kolinerane Mikropaskowe Szczelinowe Reflektorowe

111 Podstawowe typy anten (cd.) Niektóre typy anten: antena dipolowa antena falowodowa (zobacz też: falowód) antena izotropowa (model teoretyczny) antena logarytmicznie periodyczna antena panelowa antena aperturowa antena satelitarna (paraboliczna i offsetowa) antena prętowa antena reflektorowa antena paraboliczna antena sektorowa antena śrubowa (inaczej: helikalna, helix, heliax) antena tubowa antena Yagi-Uda (w skrócie: antena Yagi)

112 Antena kierunkowa Anteny wykonane jako kierunkowe charakteryzują się zyskiem w wybranym kierunku w porównaniu do idealnej anteny dookólnej (izotropowej).

113 Anteny dipolowe Antena dipolowa - to najstarsza, lecz wciąż najbardziej popularna antena. Słowo dipol pochodzi z języka greckiego i oznacza układ dwubiegunowy. Antena dipolowa składa się przeważnie z dwóch symetrycznych ramion zasilanych za pomocą symetrycznej linii transmisyjnej. Tego typu antena jest tzw. anteną symetryczną, ponieważ prądy płynące w obu ramionach anteny są równe co do amplitudy i mają przeciwne zwroty. Anteny dipolowe ze względu na słabe parametry (wąskie pasmo pracy, mały zysk kierunkowy) występują rzadziej jako samodzielne, pojedyncze anteny, częściej stosuje się je jako elementy składowe bardziej skomplikowanych i rozbudowanych układów antenowych.

114 Rodzaje anten dipolowych Dipol prosty (a), Dipol pętlowy (b), Dipol prosty zasilany bocznikowo (c), Dipol szerokopasmowy (d), Dipol załamany (e), Dipol optymalizowany (f).

115 Zalety i wady anten dipolowych Zalety anten dipolowych prosta budowa niskie koszty produkcji łatwa adaptacja z innymi rodzajami anten możliwość tworzenia dużych układów antenowych np. kilka połączonych odpowiednio ze sobą anten Yagi-Uda. Wady anten dipolowych wąskie pasmo pracy mały zysk energetyczny

116 Diagramy promieniowania dipoli

117 Anteny kierunkowe Antena typu Yagi ustawiona do odbioru kanałów nadawanych w polaryzacji poziomej (1-wibrator, 2 reflektor, 3-direktor, 4-kabel doprowadzający sygnał)

118 Antena Yagi W latach dwudziestych XX wieku Shintaro Uda, profesor Królewskiego Uniwersytu Tohoku opracował we współpracy z inżynierem Hidetsugu Yagi, również pracownikiem uniwersytetu, typ anteny kierunkowej nazwanej kanałem falowym. W lutym 1926 opatentowano antenę w Japonii, a amerykański patent został wydany w maju Anteny Yagi-Uda znalazły szerokie zastosowanie w komunikacji amatorskiej, łączności cyfrowej, telewizji i radiofoni.

119 Zasada działania anteny Yagi Antena Yagi-Uda jest anteną kierunkową wieloelementową o polaryzacji pionowej lub poziomej, zależnej od ustawienia elementów. Głównym elementem anteny jest dipol (wibrator) prosty, pętlowy lub bocznikowy o długości równej połowie długości fali, podłączony do przewodu antenowego. Pozostałe elementy anteny nie są podłączone, dlatego nazywa się je elementami biernymi. Pręty od strony odbiorczej mają mniejszą długość od wibratora i noszą nazywę direktorów (od ang. direct - nadawać kierunek), a pręty z przeciwnej strony, dłuższe od wibratora nazywane są reflektorami (odbija fale). Liczba direktorów ma wpływ na kierunkowość oraz na zysk anteny (im więcej direktorów tym większy zysk i większa kierunkowość czyli węższa wiązka promieniowania).

120 Zastosowania Obecnie anteny te znalazły szerokie zastosowanie głównie do odbioru fal o długościach metrowych, decymetrowych, między innymi w odbiorze telewizji, sieciach radiowych typu WLAN, a także w telekomunikacji. Antena stosowana jest m.in. do łączenia access pointa oraz anteny głównej w sieciach radiowych.

121 Antena satelitarna Antena satelitarna - jest to antena paraboliczna zaprojektowana, aby odbierać i/lub nadawać sygnał z satelitów telekomunikacyjnych

122 Zasada działania Najpopularniejsze obecnie anteny przydomowe posiadają czasze o średnicach od cm (18") do 90 cm (35") i są ustawiane na jednego satelitę. Jest to tak zwany DBS (direct broadcast satellite). Większe czasze pozwalają wzmocnić sygnał zasłonięty przez drzewa, odbiór przy złych warunkach atmosferycznych czy instalację więcej niż jednego konwertera (odbiór sygnału wielu satelitów). Wiele osób uważa, iż sygnał wędruje wprost do konwertera, gdy naprawdę jest odbijany przez czaszę i ogniskowany na konwerterze. W przeszłości często instalowane były anteny paraboliczne z siłownikiem pozwalającym kierować anteną, obecnie instaluje się anteny tzw. "offsetowe", które nie zasłaniają sygnału, a zamiast siłownika instaluje się dodatkowe konwertery pozwalające złapać inne satelity. Anteny o większych rozmiarach są ciągle paraboliczne.

123 Typy anten satelitarnych - offsetowe - nie skierowane bezpośrednio na obiekt - stosowane w celu wyeliminowania zjawiska blokady apertury. Blokowanie apertury to zjawisko zasłąniania przez promiennik i jego podpory reflektora, a co za tym idzie zmniejszenie powierzchni skutecznej. w konsekwencji zmniejszenie zysku energetycznego. paraboliczne - starszy typ anten kierowany wprost na satelitę, w układzie Cassegraina - antena wykorzystująca podwójne odbicie (dwureflektorowa) - układ wykorzystywany przy dużych czaszach, a zastosowany w celu wyeliminowania osadzaniu się śniegu w czaszy anteny, co ma wpływ na fazę fal padających, a tym samym zysk anteny. Budowa układu Cassegraina jest następująca: - reflektor główny : reflektor paraboliczny, - reflektor pomocniczy : reflektor hiperboliczny posiadający dwa ogniska: rzeczywiste (w którym umieszczony jest promiennik) oraz pozorne( które pokrywa się z ogniskiem rzeczywistym reflektora parabolicznego). w układzie Gregoriana - (podobnie jak w układzie Cassegraina) antena wykorzystująca podwójne odbicie (dwureflektorowa). Różnica polega na tym, że zastosowano reflektor pomocniczy o kształcie eliptyczym, posiadający dwa ogniska rzeczywiste(pierwsze pokrywa się z ogniskiem rzeczywistym reflektora głównego, w drugim umieszczony jest promiennik).

124 Zysk anteny - jednostki Zysk anteny mierzy się zasadniczo w db, ale często stosuje się następujące jednostki: dbi - Wzmocnienie anteny wyrażone w dbi mówi o tym o ile decybeli poziom sygnału jest większy w stosunku od hipotetycznej anteny izotropowej (zysk energetyczny anteny). Przykładowo antena o zysku 8 dbi nadaje sygnał = 6,31 razy silniej od anteny izotropowej. dbd - Wzmocnienie anteny wyrażone w dbd mówi o tym o ile decybeli poziom sygnału jest większy w stosunku od hipotetycznej anteny dipolowej (zysk energetyczny anteny). Przykładowo antena o zysku 8 dbd nadaje sygnał = 6,31 razy silniej od anteny dipolowej. dbm to jednostka miary mocy odniesiona do 1 mw (db odniesiony do mw - stąd nazwa dbm). Moc wyrażona w dbm mówi o ile decybeli moc ta jest większa (lub mniejsza) od mocy 1 mw. Np. poziomowi 10 mw odpowiada 10 dbm, 1 mw -> 0 dbm, 0.1 mw -> -10 dbm.

125 Zysk anteny jednostki (cd.) Przykład. 100mW przeliczona na dbm wynosi: 10 * log10(100mw/1mw) = 10 * log10(100) = 10 * 2 = 20 dbm Przy czym: P [dbm] - 30 = [dbw] dbw to jednostka miary mocy odniesiona do 1W (db odniesiony do W - stąd nazwa dbw). Moc wyrażona w dbw mówi o tym, o ile decybeli moc ta jest większa od mocy 1 W. Przykład. 100 W przeliczona na dbw wynosi: 10 * log10(100w/1w) = 10 * log10(100) = 10 * 2 = 20 dbw Przy czym: P [dbw] + 30 = P [dbm]

126 Efektywna moc wypromieniowana ERP ERP (ang. Effective Radiated Power) to efektywna moc wypromieniowana stosowana przy obliczeniach mocy wyjściowej nadajnika względem anteny dipolowej. ERP obliczane jest ze wzoru: ERP = 10 * log10(p/1w) gdzie P - moc wypromieniowana. ERP wyrażana jest w jednostkach dbd. Przykład. Dla mocy 100mW ERP wynosi: 10 * log10(100mw/1mw) = 10 * log10(100) = 10 * 2 = 20 dbd Przykład. Dla nadajnika o mocy 1mW podłączonego bez strat do anteny dipolowej jego ERP wynosi 0 dbm. Dla rzeczywistych układów nadawczych aby obliczyć ERP układu nadawczego należy jeszcze uwzględnić straty wnoszone przez tor nadawczy i zysk anteny. Przykład. Dla nadajnika o mocy 50 mw podłączonego do anteny o zysku 12 dbd przewodem o tłumienności 0,55 db/m i o długości 18 metrów wynosi: ERP = 10 * log10(50mw/1mw) - 18 * 0, = 10 * 1,70-9, = 19,1 dbm Ze względu na to, że zysk energetyczny anteny wyrażony w dbi jest o 2,15 db większy niż zysk anteny wyrażony w dbd (udowodnić!) to ERP = EIRP - 2,15. Wartość ERP jest istotna przy obliczeniach parametrów sieci WLAN.

127 Efektywna izotropowa moc wypromieniowana EIRP EIRP (ang. Effective Isotropical Radiated Power) to efektywna izotropowa moc wypromieniowana stosowana przy obliczeniach mocy wyjściowej nadajnika. EIRP obliczane jest ze wzoru: EIRP = 10 * log10(p/1mw) gdzie P - moc wypromieniowana. EIRP wyrażana jest w jednostkach dbm. Przykładowo dla mocy 100mW EIRP wynosi: 10 * log10(100mw/1mw) = 10 * log10(100) = 10 * 2 = 20 dbm Dla nadajnika o mocy 1mW podłączonego bez strat do anteny izotropowej jego EIRP wynosi 0 dbm. Dla rzeczywistych układów nadawczych aby obliczyć EIRP układu nadawczego należy jeszcze uwzględnić straty wnoszone przez tor nadawczy i zysk anteny. Przykład. Dla nadajnika o mocy 50 mw podłączonego do anteny o zysku 12 dbi przewodem o tłumienności 0,55 db/m i o długości 18 metrów wynosi: EIRP = 10 * log10(50mw/1mw) - 18 * 0, = 10 * 1,70-9, = 19,1 dbm Ze względu na to, że zysk energetyczny anteny wyrażony w dbi jest o 2,15 db większy niż zysk anteny wyrażony w dbd to ERP = EIRP - 2,15.

128 Charakterystyki promieniowania anten kierunkowych

129 Charakterystyki promieniowania anten W zależności od rodzaju płaszczyzny, w której rozpatruje się to zjawisko rozróżnia się: charakterystykę kierunkową pionową - krzywa przecięcia kierunkowej charakterystyki przestrzennej anteny z płaszczyzną prostopadłą do powierzchni ziemi, umieszczoną zazwyczaj w kierunku maksymalnego promieniowania lub czułości odbioru. Kąt między kierunkiem maksymalnego promieniowania a płaszczyzną poziomą nazywamy kątem elewacji anteny. charakterystykę kierunkową poziomą - krzywa przecięcia kierunkowej charakterystyki przestrzennej z płaszczyzną równoległą lub nachyloną do powierzchni ziemi przechodzącą przez kierunek maksymalnego promieniowania lub odbioru.

130 Parametry anten Sprawność - stosunek mocy wypromieniowanej przez antenę do całkowitej mocy doprowadzonej do anteny Wysokość skuteczna środka elektrycznego - wysokość wzniesienia anteny nad średnim poziomem otaczającego terenu. Wysokość skuteczna środka antenowego jest sumą wysokości środka anteny nad podstawą masztu i zysku terenowego. Pojęcie to ma zastosowanie przy obliczeniach zasięgów radiostacji UKF w szczególności stacji telewizyjnych Zysk energetyczny - liczba wskazująca ile razy należy zwiększyć moc na wejściu dipola półfalowego (bez strat) jako anteny wzorcowej aby w określonym punkcie przestrzeni uzyskać takie samo natężenie pola jakie wytwarza dana antena Zysk kierunkowy - stosunek mocy promieniowanej przez antenę w danym kierunku do mocy jaka byłaby promieniowana gdyby antena nie miała własności kierunkowych tj. promieniowała we wszystkich kierunkach kuli równomiernie. Tak określony zysk jest funkcją kąta, zaś jego wykres pokrywa się z charakterystyką kierunkową anteny Dyskryminacyjność - zdolność rozdzielania przez antenę odbiorczą sygnału pożądanego od sygnału zakłócającego przychodzącego z określonego kierunku Impedancja wejściowa - wielkość zespolona określona stosunkiem napięcia wysokich częstotliwości do prądu, mierzona na zaciskach wejściowych anteny. Rezystancja strat - część rzeczywista impedancji wejściowej reprezentująca straty mocy w. cz. (zamianę w ciepło) w ziemi, w przewodach antenowych, w izolatorach na skutek upływności oraz w przewodnikach na skutek prądów wirowych. Wpływ poszczególnych czynników na ogólną wartość rezystancji strat jest różny dla anten pracujących w różnych zakresach częstotliwości.

131 Komunikacja międzykomputerowa Cz. III Dr inż Tomasz Gałkowski 2009 Wykład przygotowano w ramach projektu: Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Numer projektu: POKL /08

132 Transmisja analogowa i modemowa Podstawowe rodzaje modulacji Modem telefoniczny i jego elementy Rodzaje modulacji modemowych

133 Systemy modulacji - klasyfikacja

134 Systemy modulacji ciągłej W systemach modulacji ciągłej jako sygnał nośny wykorzystywany jest sygnał harmoniczny (najczęściej). W takt sygnału informacyjnego można zamieniać: A = A(t ) amplitudę : częstotliwość : f = f (t ) fazę : (ωt+φ) gdzie φ=φ(t)

135 Systemy modulacji impulsowej W modulacji impulsowej jako falę nośną wykorzystuje się ciąg okresowo powtórzonych impulsów (np. prostokątnych) o krótkim w porównaniu z okresem powtarzania czasie trwania. Informacje koduje się wówczas w zmianach: - amplitudy (wysokości) impulsów - szerokości impulsów (czasu trwania impulsów) - położenia impulsów (względem pewnych punktów odniesienia) - liczby impulsów w okresie zmian - gęstością impulsów

136 Rodzaje modulacji Modulacje ciągłe: Modulacje amplitudy: - AM SC (Amplitude Modulation with Suppressed Carrier) modulacja amplitudy bez fali nośnej, lub - DSB SC (Double Sideband with Suppressed Carrier) system dwuwstęgowy bez fali nośnej - AM (Amplitude Modulation) system dwuwstęgowy z falą nośną, lub - DSB (Double Sideband) - system dwuwstęgowy z falą nośną - SSB SC (Single Sideband with Supressed Carrier) system jednowstęgowy bez fali nośnej - SSB system jednowstęgowy z falą nośną - VSB (Vestigal Sideband AM ) system z częściową tłumioną wstęgą boczną Modulacje kąta: - PM (Phase Modulation) modulacja fazowa (fazy) - FM (Frequency Modulation) modulacja częstotliwości

137 Rodzaje modulacji Modulacje impulsowe: Systemy analogowe: -P AM (Pulse-Amplitude Modulation) modulacja amplitudy impulsów - PWM (Pulse Width Modulation) modulacja szerokości impulsów dawniej określana jako: - PDM (Pulse-Duration Modulation) -P PM (Pulse-Position Modulation) modulacja położenia impulsów (wzgl. punktu nt) -P NM (Pulse Number Modulation) -P DM (Pulse Density Modulation)

138 PDM wyjaśnienie: Rodzaj modulacji cyfrowej sygnału analogowego. W modulacji PDM nie są zapamiętywane wartości sygnału w poszczególnych próbkach (jak ma to miejsce w PWM czy PCM), lecz gęstość impulsów reprezentuje jego amplitudę. W ciągu bitów modulacji gęstością impulsów, 1 odpowiada impulsowi, a 0 - jego brakowi. Ciąg ( ) składający się z samych jedynek odpowiada dodatniej wartości amplitudy, ciąg ( ) składający się z samych zer - ujemnej jej wartości, a ciąg ( ) składający się z naprzemiennie występujących zer i jedynek odpowiada zerowej wartości sygnału. Demodulacja sygnału PDM sprowadza się do jego przepuszczenia przez filtr dolnoprzepustowy. Z powodu jego uśredniających właściwości, jest to jedyny krok potrzebny do przeprowadzenia tego procesu.

139 Modulacje impulsowe

140 Modulacje impulsowe w systemach cyfrowych PCM (Pulse Code Modulation) modulacja impulsowokodowa Modulacja Delta wariant PCM, dwa rodzaje: I-go rodzaju różnicowa, II-go rodzaju krokowa Podstawą do zastosowania technik cyfrowych dla wielu dotychczasowych systemów komunikacji analogowej jest przekształcenie sygnału analogowego w cyfrowy.

141 Przetwarzanie A/C Przetwarzanie analogowo cyfrowe (A/C) sygnału zmiennego obejmuje dwa procesy: próbkowanie, czyli pobieranie próbek sygnału x(t) w konkretnych chwilach czasu kwantowanie, czyli przypisanie każdej próbce wartości X ze skończonego zbioru N wartości, na które podzielono zakres pomiarowy.

142 Próbkowanie

143 Twierdzenie Kotielnikowa-Shannona - znane również jako twierdzenie Whittaker-NyquistKotelnikov-Shannon, mówi o tym, kiedy z danego sygnału dyskretnego można odtworzyć sygnał ciągły f(t). Sygnał ciągły może być ponownie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej częstotliwości swego widma. Tą częstotliwość graniczna nazywa się częstotliwością Nyquista.

144 Kwantowanie (kwantyzacja)

145 Dwa typy kwantowania

146 Schemat

147 Kodowanie PCM

148 PCM-256 W modulacji PCM-256 stosowanej w ISDN: - próbkowanie jest równomierne 8000 razy na sekundę (2 x 4 khz), - rozróżniane jest 256 poziomów - kodowanie próbek jest 8 bitowe, - stąd: przepływność jednego kanału typu B wynosi 64 kbps

149 Szum kwantyzacji

150 Modulacja Delta I-go rodzaju (różnicowa) Zamiast transmitowania słowa bitowego określającego wartość bieżącej próbki, można transmitować jedynie informację różnicową, czyli wartość i znak zmiany sygnału w stosunku do próbki poprzedniej. Zwykle są to ciągi bitowe krótsze (mniej bitów), czyli transmisja jest szybsza, efektywniejsza.

151 Modulacja Delta II-go rodzaju ( krokowa )

152 Zniekształcenia w modulacji delta II-go rodzaju, gdy sygnał jest zbyt szybko zmienny:

153 Problemy z poziomem sygnału próbkowanego Gdy poziom sygnału próbkowanego jest niski (np. cicha mowa) to stosowana jest tzw. kompansja sygnału (system kompanderowy): po stronie nadawczej kompresja po stronie odbiorczej ekspansja.

154 System kompanderowy

155 Modemy analogowe - wstęp Podstawą do zastosowania technik cyfrowych dla wielu dotychczasowych systemów komunikacji analogowej jest przekształcenie sygnału analogowego w cyfrowy, ale także występuje potrzeba odwrotna: przekształacania sygnału cyfrowego na analogowy (!)

156 Kluczowanie W modemach występują modulacje cyfrowe bazujące m.in. na kluczowaniu określonych parametrów fali nośnej, ciągłej. Kluczowanie (ang. keying) jest najstarszą techniką modulacji. Kiedy w XIX wieku zbudowano pierwsze elektryczne urządzenia do przekazywania informacji na odległość pojawił się problem kodowania znaków do postaci nadającej się do przesłania. Pierwszym pomysłem było użycie tylu przewodów ile jest liter w alfabecie. Pomysł ten okazał się niepraktyczny i dlatego Samuel Morse stworzył system kodowania znaków alfabetu w postaci serii krótkich (kropka) lub długich (kreska) impulsów. Urządzeniem kodującym był tutaj klucz mający postać przełącznika zwierającego obwód elektryczny. Operator wysyłał serię impulsów, którą odczytywał człowiek lub elektromagnes zapisywał na taśmie papieru. Kiedy technologia transmisji się rozwinęła powstało szereg technik kluczowania. Potem wszystkie te metody określono jednym terminem: modulacja.

157 Techniki kluczowania ASK - (ang. Amplitude Shift Keying) kluczowanie amplitudy QAM - (ang. Quadrature Amplitude Modulation) FSK - częstotliwościowe (ang. Frequency-Shift Keying): MFSK - (ang. Multiple Frequency-Shift Keying) kluczowanie wieloczęstotliwościowe GFSK - (ang. Gaussian Frequency Shift Keying) MSK - (ang. Minimum Shift Keying) kluczowanie minimalnofazowe GMSK - (ang. Gaussian Minimum Shift Keying) PSK fazowe (ang. phase-shift keying) czyli PM np:. BPSK, DPSK, QPSK, npsk, O-QPSK, π / 4-QPSK, U2-PSK Systemy szerokopasmowe DSSS - (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) systemy z bezpośrednim rozpraszaniem widma FHSS - (ang. Frequency Hopping Spread Spectrum) systemy szerokopasmowe ze skakaniem po częstotliwościach Pulsed-FM OFDM - (ang. Ortogonal Frequency Division Multiplexing) nazywany też DMT (ang. discrete multitone modulation) CDMA - (ang. Code Division Multiple Access) RTTY dalekopis na falach radiowych (ang. radio teletype) prosta modulacja pulsowo-kodowa

158 Pojęcie modemu Urządzenie dokonujące modulacji to modulator. Demodulacja to proces odwrotny do modulacji. Odbiornik nazywany demodulatorem uzyskuje sygnał, który dekoduje do wyjściowej postaci. Jeżeli komunikacja ma charakter dwustronny, to jedno urządzenie dokonuje równocześnie modulacji nadawanych sygnałów i demodulacji tych, które odbiera (modulator-demodulator w skrócie: modem).

159

160 Istotne fakty - Szybkość transmisji danych w sieciach telefonicznych jest ograniczona przez dość wąskie pasmo (100Hz-3400 Hz) - Ponadto ze względu na istnienie dużej rozpiętości w jakości dostępnych łączy nie można dla transmisji danych przeznaczyć całego dostępnego pasma - pasma ochronne z góry i z dołu zawężają pasmo efektywnie wykorzystywane. - Dodatkowo, aby zapewnić transmisję w trybie dupleksowym pasmo przenoszenia jest podzielone na dwa kanały (oddzielne dla dwóch kierunków transmisji). - W tym celu modulowane są dwa sygnały nośne, a kanały oddzielone są od siebie odpowiednim pasmem ochronnym, aby zapobiec wzajemnym przesłuchom. WNIOSEK: Konieczne jest stosowanie wyrafinowanych metod modulacji.

161

162

163

164

165 Standardy

166 V kbps, 768 punktów konstelacji

167 Technologia 56 kbps

168

169 PCM defines 256 different voltage (volume) levels with which to compare the volume of the voice samples. Thus, each sample is converted to an 8-bit value called a PCM word. Since we have bit PCM words each second, digital voice requires a bit rate of 64 kbps. For data applications, however, 64 kbps is not yet achievable. The primary reason has to do with imperfections in the transmission facilities and noise, which effectively limits data transmission to 56 kbps. To understand why, we must return to PCM. The relationship between voltage level and digital encoding is non-linear, a scheme called companding (compression-expansion). With companding, we obtain a finer granularity at the low volumes, so that a small voltage change at softer volumes results in the same change in digital encoding as a large voltage change at louder volumes. Companding is employed because it actually results in a more efficient encoding than a linear scale and, in fact, the majority of useful spoken information is in the softer volumes. (In addition, when someone is whispering sweet nothings into your ear, you want to catch every subtlety and nuance, while it is easier to get all the information you need when someone is screaming at you!) For data applications, it is extremely difficult to detect very small voltage changes accurately on a noisy loop. Therefore, the 56-kbps modem schemes use only half of the 256 PCM codes, eliminating those values most susceptible to noise. This means that bit samples are transmitted each second, yielding a 56 kbps data rate. Note that conversion of the analog signal into a bit stream cannot be perfect; when an analog voice sample is converted to a digital value, it is converted to the closest digital value corresponding to the sample voltage (this is analogous to using integers to approximate real numbers). This error, indiscernible to the human ear, is called quantization noise.

170 Inne modulacje wywodzące się z powyżej omówionych technik QAM kwadraturowa modulacja amplitudy Modulacja QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation) kombinacja modulacji amplitudy i fazy. Dane formowane są w dwójki, trójki, czwórki itd., które odpowiadają zarówno amplitudzie jak i fazie. Tworzone są według diagramu konstelacji (ang. Constalation diagram). Nośna powstaje w wyniku sumowania dwóch przebiegów: cosinusoidalnego i sinusoidalnego (powstałego z przesunięcia cosinusoidy w fazie o π/2).

171

172 Proces tworzenia sygnału Dane w postaci cyfrowej dzielone są na dwa strumienie. Następnie każdy strumień zamieniany jest na sygnał analogowy w przetworniku cyfrowo analogowym. Analogowy sygnał może przechodzić przez filtr dolnoprzepustowy (ang. Low Pass Filter). W kolejnym etapie jeden sygnał mnożony jest przez nośną (ang. Carrier) a drugi przez nośną odwróconą w fazie o π/2. Na koniec modulacji obydwa sygnały są sumowane i wysyłane jako sygnał QAM.

173 Przykład modulacji 16 QAM Ciąg wejściowy jest dzielony po 2 bity i są one umieszczane w dwóch kanałach w taki sposób:

174 Dla każdego kanału mamy 4 wartości różnych poziomów np

175 Diagram konstelacji (ang.constalation diagram) dla 16 QAM

176 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Ortogonalność: Dwa sygnały sinusoidalne o dowolnych fazach początkowych i dowolnych amplitudach są ortogonalne, gdy ich częstotliwości są różnymi wielokrotnościami odwrotności czasu ortogonalności, tzn. i j gdy: f c,i = Tort Tort Wówczas: 0 Tort 0 f c,i = Tort i j cos 2π t + ϕ i cos 2π t + ϕ j dt = 0 dla Tort Tort i j cos 2π t + ϕ i sin 2π t + ϕ j dt = 0 Tort Tort i j Dla dowolnego i, j

177 Technika OFDM Technika OFDM polega na kodowaniu pojedynczego strumienia danych w wielu podnośnych (ang. subcarriers). W systemie transmisji OFDM wykorzystuje się 52 podnośne, dla których stosuje się modulacje BPSK, QPSK lub QAM/64-QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation). Maksymalną szybkość transmisji (54 Mbit/s) uzyskuje się dla modulacji 64-QAM (216 bitów danych na jeden symbol OFDM).

178 Charakterystyka OFDM Modulacja OFDM jest oparta na FDM, ale jest używana jako modulacja cyfrowa. Strumień bitów, jaki ma być transmitowany jest rozdzielany na kilkanaście równoległych strumieni, zwykle więcej niż 12. Dostępne pasmo jest dzielone między kilka podkanałów, i każdy mniejszy strumień jest transmitowany przez 1 podkanał, modulując jego nośną, przy użyciu zwykłej modulacji, na przykład PSK czy QAM. Podnośne (nośne podkanałów) są wybierane tak, żeby każdy zmodulowany strumień był ortogonalny w stosunku do innych, dzięki temu eliminowane są zakłócenia międzykanałowe (przeniki międzykanałowe) i nie musimy ich dodatkowo zabezpieczać. Zasadniczą cechą OFDM jest radzenie sobie z różnymi, czasem ciężkimi warunkami kanału, na przykład wąskopasmową interferencją bez używania filtrów.

179 Zastosowanie OFDM OFDM jest używana w szerokopasmowych systemach cyfrowych, np.: ADSL i VDSL szerokopasmowy dostęp do internetu przez sieć telefoniczna (łącza miedziane) IEEE a i g Wireless LANs. Systemy telewizji cyfrowej DVB-T, DVB-H, T-DMB i ISDB-T. Standard The IEEE lub WiMax Wireless MAN standard. Standard IEEE lub Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) standard. System komórkowy Flash-OFDM Części Ultra-wideband (UWB) systems. Power line communication (PLC). Aplikacjach typu punkt-punkt lub punkt-wiele punktów

180 Główne cechy Zalety Łatwo dostosowuje się do trudnych warunków w kanale Dobrze radzi sobie z interferencjami międzykanałowymi Dobrze radzi sobie z interferencjami międzysymbolowymi i zanikami powodowanymi przez wielotorowość Szerokie spektrum częstotliwości Efektywne wykorzystanie przez FFT Mała wrażliwość na czas wykrycia błędów Przestrajalne filtry w odbiornikach podkanałów nie są wymagane (w przeciwieństwie do tradycyjnej FDM) Wady Wrażliwość na efekt Dopplera Wrażliwość na problemy z synchronizacją częstotliwości Nieefektywne wykorzystanie mocy

181 Podstawowe informacje o sieciach telekomunikacyjnych i komputerowych Sieci i ich własności, topologie Rodzaje sieci komputerowych Elementy sieci, aktywne i pasywne Standardy podstawowe Sieciowe systemy operacyjne Model ISO/OSI sieci komputerowej

182 Ogólne wiadomości o sieciach telekomunikacyjnych Struktury (topologie) sieci: gwiaździsta magistralna wieloboczna pierścieniowa

183 Sieci telekomunikacyjne W praktyce: mieszana (fragmentami mająca charakter powyższych typów) hierarchiczna (różne poziomy mają różne zadania)

184

185 Topologia Zalety Wady Gwiazdowa łatwy do modyfikacji układ kabli łatwość dodawania nowych stacji roboczych struktura scentralizowana ułatwia diagnozowanie i likwidację problemów duża ilość kabli wzrost ceny ze względu na konieczność zastosowania wiekszej ilości kabla centralny hub (centrala) jest pojedynczy jego uszkodzenie uniemożliwia łączność Magistralowa wymaga najmniejszej ilości kabli, układ okablowania prosty architektura jest elastyczna, prostota czyni ją bardzo niezawodną rozszerzanie sieci jest dość trudne mniejsza całkowita długość kabla krótsze kable - mniejszy koszt okablowania nie wymaga specjalnej szafki do łączenia kabli trudna diagnostyka i lokalizacja błędów przy dużym ruchu sama magistrala może stać się "wąskim gardłem całej sieci Pierścieniowa Pierścieniowo gwiaździsta diagnostyka i lokalizacja błędów są stosunkowo łatwe modułowa konstrukcja umożliwia łatwą rozbudowę sieci Drzewiasta łatwość rozbudowy sieci struktura ułatwia lokalizację uszkodzeń awaria węzła powoduje awarię całej sieci trudniejsza diagnostyka uszkodzeń modyfikacja i rekonfiguracja sieci jest trudniejsza i wymaga zwykle przerwania działania sieci konfiguracja sieci może być zadaniem technicznie trudnym złożony system okablowania sieci pierścień-magistrala może być wąskim gardłem systemu struktura zależy od układu pnia drzewa jeśli zawiedzie magistrala główna ( pień ) to cała sieć przestaje działać

186 Komutacja Komutacja: Proces zestawiania (i likwidacji) czasowego połączenia pomiędzy dwoma punktami sieci telekomunikacyjnej (np. telefonicznej) wybieranymi z pewnego zbioru (np. zbioru abonentów) Rodzaje: przestrzenna, czasowa, częstotliwościowa, kodowa (związek ze sposobami separacji kanałów) Komutacja przestrzenna:

187 Modulacja kodowa (Code Modulation)

188

189

190

191 Komunikacja międzykomputerowa Cz. IV Dr inż Tomasz Gałkowski 2009 Wykład przygotowano w ramach projektu: Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Numer projektu: POKL /08

192 Transmisja danych Podstawowe rodzaje transmisji Standardy

193 Podstawowe rodzaje transmisji i standardy Pojęcie przepustowości kanału (channel capacity): - szybkość z jaką przez dany kanał telekomunikacyjny mogą być transmitowane dane. Można posłużyć się dwoma wielkościami charakteryzującymi tę wielkość: - Prędkość bitowa (bit rate) [bps] ilość przesłanych bitów na sekundę, prędkość transmisji; - Prędkość sygnalizacji (modulacji) (signal rate) [baud] tzw. prędkość bodowa - ilość zmian sygnału elektromagnetycznego na sekundę. Inne wielkości charakteryzujące kanał: - szerokość pasma (bandwidth) [Hz] - stopa błędów (error rate) - poziom szumów [db]

194 Wzór Nyquista (1924r) Założenie: brak szumu Wzór Nyquista: szybkość sygnalizacji [baud] = 2 szerokość pasma B [Hz] Dla sygnałów binarnych (dwustanowych) szybkość bitowa C (capacity) wynosi: C = 2B Dla sygnałów wielostanowych (M liczba poziomów sygnału) C = 2Blog2M

195 Przykład Transmisja modemowa, łącze telefoniczne: szerokość pasma B=3100 Hz Prędkość sygnalizacji = prędkość bitowa dla M=2 wynosi C=6200 bps Jeśli M=4 (dwa bity/poz.sygn) to C=12400 bps Jeśli M=8 (trzy bity/poz.sygn) to C=18600 bps Wniosek: Konieczność wprowadzania specjalnych technik kodowania w celu zwiększenia szybkości przesyłu danych, jeśli kanał ma określoną szerokość pasma.

196

197 Szerokość pasma a szybkość transmisji Aby podwoić szybkość transmisji trzeba zapewnić dwa razy większą szerokość pasma lub stosować wyrafinowany metody modulacji wielopoziomowej

198 Słownictwo Mówimy: MODULACJA - gdy przekształcenie prowadzi do sygnału analogowego; Urządzenia mają nazwy: modulator i demodulator KODOWANIE - gdy przekształcenie prowadzi do sygnału cyfrowego; Urządzenia mają nazwy: enkoder (koder) i dekoder (odpowiednio)

199 Rodzaje transmisji I. Ze względu na kolejność przesyłania bitów w kanale transmisja może być: - szeregowa (wystarczy jedna linia dla przesyłu danych) - równoległa (poszczególne bity jednego bajtu są przesyłane oddzielnymi liniami (równoległymi) jednocześnie)

200 Transmisja szeregowa Przykład: Port szeregowy komputera COM (myszka) Mogą mieć miejsce następujące przypadki: 1. Szybkość sygnalizacji [baud] = szybkość transmisji [bps] (np. NRZ-L, FSK) 2. Szybkość sygnalizacji [baud] < szybkość transmisji [bps] (np. modulacja kwadraturowa QPSK) 3. Szybkość sygnalizacji [baud] > szybkość transmisji [bps] (np. kod Manchester)

201 Pojęcia związane z transmisją szeregową - DTE (Data Terminal Equipment) - urządzenie końcowe transmisji danych (np. komputer) - DCE (Data Communication Equipment) urządzenie komunikacyjne transmisji danych (np. modem) Urządzenia DTE i DCE wykorzystują tak samo zdefiniowane sygnały, jednak są dla siebie wzajemnie lustrzanym odbiciem (np. sygnał nadawania dla DCE jest sygnałem odbioru DTE).

202 Typy łączy do transmisji cyfrowej - łącze typu simplex, które pozwala na transmisję tylko w jednym kierunku; - łącze półdupleksowe (ang. half-duplex), które umożliwia transmisję w dwóch kierunkach, ale nie jednocześnie - w danej chwili tylko w jednym kierunku, z możliwością zmiany kierunku; - łącze dupleksowe (ang. full-duplex) umożliwiające jednoczesną transmisję dwukierunkową.

203

204

205 Null modem czyli modem zerowy Połączenie dwóch komputerów do transmisji szeregowej, za pośrednictwem portu szeregowego RS-232, z wykorzystaniem bezpośredniego kabla nazywane jest połączeniem null-modem - modem zerowy. Uwzględniając lustrzane zależności w znaczeniu sygnałów dla nadajnika i odbiornika, należy odpowiednio przygotować kabel przyłączeniowy. Minimalna konfiguracja wymaga w zasadzie tylko trzech żył sygnałowych. Jednak nie należy polecać takiego rozwiązania (rezygnacji z sygnałów pomocniczych) gdyż może to prowadzić do utraty danych.

206

207

208

209

210 Transmisja równoległa Standard: CENTRONICS Port równoległy komputera LPT (drukarka)

211 Rodzaje transmisji II. Ze względu na relację z układem odmierzania czasu (zegar systemowy) transmisja może być: - transmisja asynchroniczna - transmisja synchroniczna Pojęcia te stosujemy do transmisji szeregowej (głównie)

212 Istota transmisji szeregowej Przykład: Transmisja szeregowa: nadajnik wysyła dane w określonym tempie odbiornik obserwuje wyjście, tzn. próbkuje napięcie wyjściowe. Trudności: - określenie początku i końca nadawania - określenie tempa zmian sygnału nadawanego, żeby odróżniać od siebie poszczególne bity, czyli konieczność zapewnienia synchronizacji po obu stronach

213 Problem zapewnienia synchronizmu Przykład: Transmisja z prędkością 1 Mbps Szybkość (okres) próbkowania = 1 µs Różnica dokładności zegarów 1% Rozsynchronizowanie nastąpi po 50 bitach (!) Możliwe są dwa podejścia: - transmisja asynchroniczna (sygnał zegara nie jest transmitowany) - transmisja synchroniczna

214

215 Cechy transmisji asynchronicznej Zastosowanie: - kiedyś prawie wyłącznie do transmisji małych ilości danych (terminale, modemy analogowe) - obecnie powszechnie stosowane w technikach mikroprocesorowych do komunikacji szybkiej, ale na niewielkie odległości. Zalety: - prostota - niski koszt Wady: - umiarkowana szybkość transmisji - duży narzut do informacji dodatkowych bitów kontrolnych

216

217

218 Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Synchroniczna Hierarchia Systemów Cyfrowych, jest to technologia sieci transportu informacji, charakteryzująca się tym, że wszystkie urządzenia działające w sieci SDH, pracujące w trybie bezawaryjnym, są zsynchronizowane zarówno do nadrzędnego zegara (PRC) jak i do siebie nawzajem (w odróżnieniu od takich technologii jak, np. ATM).

219 SDH (cd.) Sieci SDH są w dzisiejszych czasach jedynym sposobem na przesyłanie danych cyfrowych do odległych lokalizacji, dzięki temu, że pozwalają na odwzorowanie wielu typów sygnałów, o niższych przepływnościach, niezsynchronizowanych z SDH, do struktur synchronicznych. Z usług SDH korzystają m.in. GSM, Internet, DQDB, FDDI. Sieci SDH charakteryzują się również o wiele większą niezawodnością od innych oraz mniejszą podatnością na uszkodzenia wynikającą z budowy m.in. struktur pierścieniowych. Dzięki temu mają możliwość automatycznej rekonfiguracji w czasie krótszym niż 50 ms.

220 Szybkości transmisji SDH Stosuje się następujące wielokrotności: STM-1 (155,52 Mbit/s) STM-4 (622,08 Mbit/s) STM-16 (2488,32 Mbit/s) STM-64 (9953,28 Mbit/s) STM-256 (39813,12 Mbit/s)

221 PDH - plezjochroniczna hierarchia cyfrowa (ang. Plesiochronous Digital Hierarchy) - technologia używana w sieciach telekomunikacyjnych. Termin plesiochronous pochodzi z Greki plesio, znaczy prawie i chronos, czas. Oznacza to ze elementy sieci PDH są ze sobą zsynchronizowane, ale nie idealnie gdyż każdy z elementów sieci posiada swój zegar. System PDH oparty jest na modulacji kodowo impulsowej (PCM). Pojedynczy kanał ma przepływność 64Kb/s (8*8KHz=64Kb/s), co pozwala na przesyłanie jednej nieskompresowanej rozmowy telefonicznej. Systemy PDH przy multipleksacji wykorzystują zwielokrotnienie z podziałem czasu TDM (ang. Time Division Multiplexing). Zwielokrotnienie sygnału następuje w kolejnych poziomach wykorzystując dopełnienie impulsowe.

222 Właściwości i wady systemów PDH Wady - w porównaniu do nowszych technologii mała przepływność sygnału liniowego - zawodność systemów PDH - energochłonność - konieczność stosowania hierarchii demultiplekserów kiedy chcemy wydzielić pojedynczy sygnał E1 z E4 - brak standaryzacji ostatnich stopni zwielokrotniania (E5, T4) - trzy różne standardy PDH na świecie (Europa, Ameryka, Japonia) Nowe systemy plezjochroniczne nie są już instalowane. Zostały wyparte przez nowsze systemy SDH.

223 Transmisja izochroniczna Jest to transmisja sygnałów, w których dopuszczalne jest stałe opóźnienie, zwykle nie przekraczające ustalonej wartości maksymalnej dla różnych form przekazu.

224

225 Jakość transmisji Rodzaje i przyczyny uszkodzeń transmisji: Transmisja analogowa a cyfrowa cechy charakterystyczne

226 Cele w ramach telekomunikacji Można wyróżnić następujące zadania w telekomunikacji: 1. dostarczenie interfejsu urządzenie system transmisyjny 2. generowanie i przetwarzanie sygnałów 3. synchronizacja 4. wykrywanie błędów i ich korekcja 5. sterowanie i kontrola przepływu 6. wybór trasy (routing) 7. odnawianie przerwanej transmisji, i inne Ważne jest wydajne wykorzystanie urządzeń transmisji, m.in. poprzez multipleksację i techniki kontroli przeciążeń

227 Wymagania skutecznej transmisji Bezpieczeństwo przesyłanej informacji (poufność, integralność, uwierzytelnianie, itd.) Zarządzalność systemami (konfigurowanie, monitorowanie, planowanie, reagowanie na błędy)

228 Czynniki skutecznej transmisji - Charakterystyka sygnału - Charakterystyka kanału transmisyjnego (medium) Sygnał analogowy fala elektromagnetyczna zmieniająca się w sposób ciągły Sygnał cyfrowy (dyskretny) sekwencja impulsów (napięciowych) prostokątnych Dane: analogowe (dźwięk, obraz) lub cyfrowe (źródło: komputer, tekst, liczby)

229

230 Transmisja analogowa a cyfrowa Słowo transmisja określa: 1. przesył informacji (propagacja sygnałów) 2. przetwarzanie sygnałów Transmisja analogowa: - ma miejsce gdy sygnał jest analogowy (dane analogowe lub cyfrowe) - nie ma interpretacji sygnałów sygnał jest przesyłany i przetwarzany taki jaki jest - ponieważ zachodzi tłumienie (osłabianie) sygnału, stosowane są wzmacniacze - ma miejsce kumulacja szumów, prowadząca do zniekształceń, degradacji sygnału

231 Transmisja analogowa a cyfrowa Transmisja cyfrowa: - sygnały cyfrowe lub analogowe, reprezentujące dane cyfrowe (modem!) - interpretacja sygnałów (decyzja: 0 czy 1) - osłabienie sygnału wskutek tłumienia - stosowanie regeneratorów (repeater'ów) - brak kumulacji szumów

232 Migracja systemów analogowych do cyfrowych Przyczyny migracji: - redukcja kosztów i rozmiarów urządzeń LSI, VLSI - integralność danych, brak kumulacji szumów - możliwe łącza o b. dużych przepustowościach (multipleksacja) - bezpieczeństwo i prywatność (łatwość stosowania metod kryptograficznych) - integracja danych (podobny sposób reprezentowania danych o dowolnym charakterze) podobny sposób przetwarzania redukcja kosztów

233 Uszkodzenia sygnału podczas transmisji Sygnał odbierany zawsze różni się od nadanego Systemy analogowe ogólna degradacja sygnału Systemy cyfrowe przekłamania (błędy) bitowe

234 Rodzaje uszkodzeń transmisyjnych 1. tłumienie (rozpraszanie mocy, osłabienie) i zniekształcenie powodowane przez tłumienie 2. zniekształcenie powodowane przez opóźnienie 3. szumy

235 Tłumienie Spadek mocy sygnału wraz ze wzrostem odległości przebytej w medium transmisyjnym Media przewodowe: Parametr tłumienność [db/km] Zależność logarytmiczna Media bezprzewodowe: Funkcja odległości, używanej częstotliwości nośnej, własności środowiska

236 Tłumienie cd. Definicja: Tłumienie jest to względna różnica mocy wyrażona w decybelach N db gdzie: NdB tłumienie P1 - moc sygnału na wejściu P2 - moc sygnału na wyjściu P1 = 10 log10 P2

237 Tłumienie cd. Przykład: Moc wejściowa: P1 = 10 mw Moc wyjściowa P2 = 5 mw NdB = 10log10 (10/5) = 10 0,3 = 3 db

238 Negatywne skutki tłumienia 1. Spadek mocy odbieranego sygnału 2. Pogorszenie stosunku sygnał/szum 3. Ponieważ tłumienie jest większe dla wyższych częstotliwości, to w efekcie tłumienie prowadzi do zniekształcenia sygnału brak składowych Fouriera wysokich częstotliwości Rozwiązania: Ad. 1. Stosowanie wzmacniaczy i regeneratorów Ad 2. Stosowanie regeneratorów Ad 3. Stosowanie korektorów graficznych (equalizers) Uwaga. Efekt zniekształcenia jest mniejszy dla sygnałów cyfrowych, bo jest mniejszy udział komponentów o wyższych częstotliwościach

239 Opóźnienie Dotyczy mediów przewodowych miedzianych i światłowodowych. Prędkość propagacji sygnału w mediach przewodowych zależy od częstotliwości. Efekt: zniekształcenie impulsów prostokątnych polegające na ich rozmyciu (dyspersja) Uszkodzenie to jest krytyczne dla transmisji cyfrowej

240 Szumy Szum dodatkowy sygnał z zewnątrz lub wprowadzony przez system, nakładający się na sygnał transmitowany. Jest to główny czynnik ograniczający wydajność systemu transmisji. Rodzaje szumów: - termiczny - przesłuchy - intermodulacyjny - impulsowy

241

242 Szum termiczny - biały - jest obecny we wszystkich urządzeniach i mediach transmisyjnych - jest funkcją temperatury - nie zależy od częstotliwości - nie może być wyeliminowany - biały oznacza własności statystyczne szumu (średnio równy zero, proces stacjonarny)

243 Moc szumu termicznego...określają następujące wzory: a) Dla pasma o szerokości B =1 Hz N0=kT gdzie N0 gęstość mocy szumu [W/Hz] -23 k stała Boltzmanna = [J/K] T temperatura w skali bezwzględnej b) dla pasma B Hz N=kTB [W]

244 Przesłuchy Dotyczy mediów przewodowych Określane są jako przenik sygnału z sąsiednich żył przewodu do danej żyły (pary) sygnałowej. Spowodowane sprzężeniem elektromagnetycznym sąsiednich ścieżek sygnału. Rozróżniane są różne typy przesłuchów (wartości podawane w kartach katalogowych konkretnych przewodów).

245 Rodzaje przesłuchów FEXT (z ang. Far End Crosstalk) Przesłuchy na odległym końcu kabla; zakłócenie mierzone na przeciwnym końcu kabla niż sygnał wywołujący zakłócenie. Jest to parametr łatwy do pomiaru, ale trudny do wyspecyfikowania w normach - wartość jest zależna od długości (a więc tłumienia) kanału transmisji. ELFEXT (z ang. Equal-Level Far End Crosstalk) - przesłuchy oraz sygnał zakłócający mierzone są na przeciwnym końcu kabla w stosunku do nadajnika. Wartość uwzględnia długość kanału i może być łatwo wyspecyfikowana w normach. NEXT (z ang. Near End Crosstalk) - Najczęstszy sposób pomiaru przesłuchu zbliżnego, polega na pomiarze poziomu sygnału zaindukowanego w jednej parze przewodników, pochodzącego od sygnału z dowolnej z trzech pozostałych par, na tym samym końcu przewodu.

246 Rodzaje przesłuchów cd. PowerSum NEXT - polega na pomiarze poziomu sygnału indukowanego w danej parze od sumy sygnałów pochodzących od wszystkich pozostałych par. Przesłuch zbliżny mierzony w ten sposób jest znacznie większy od mierzonego metodą tradycyjną i lepiej oddaje charakter rzeczywistych przesłuchów występujących w torze transmisyjnym. Bardzo istotny parametr dla instalacji w których będą działały protokoły transmisyjne wykorzystujące do transmisji wszystkie cztery pary przewodnika (np. Ethernet 100VG-AnyLAN, Ethernet 1000Base-T). Return Loss straty odbiciowe. Parametr ten określa wartość sygnału odbitego, co spowodowane jest niedopasowaniem (odbiciem) impedancji wzdłuż kanału transmisyjnego. Sygnał ten może być źródłem zakłóceń dla sygnału użytecznego, co jest bardzo istotne w przypadku transmisji w dwóch kierunkach jednocześnie (np. przy Ethernet 1000Base-T).

247 Szum intermodulacyjny Występuje w systemach analogowych modulacja a) jeśli mamy sygnały o dwóch różnych częstotliwościach f1 i f2, to występuje interferencja o częstotliwości f1+f2 b) w elementach elektronicznych jest nieliniowość (w systemie liniowym: wyjście = wejście stała) Efekt: powstanie pasożytniczych składowych częstotliwościowych

248 Szum impulsowy Cechy: - krótki czas trwania, duża amplituda - trudny do przewidzenia, występuje nieregularnie - silne zakłócenia elektromagnetyczne, powodujące indukowanie się napięć, prowadzą do błędów w systemach telekomunikacyjnych Jest to główny czynnik przekłamań (błędów bitowych) w systemach komunikacji cyfrowej

249

250 Wpływ szerokości pasma na kształt impulsu prostokątnego

251 Transmisja impulsów prostokątnych przez kanał o ograniczonym paśmie Baseband channel (ang.) kanał pasmowy I rodzaju przepuszcza efektywnie składowe częstotliwościowe (rozkład Fouriera) od dc (prąd stały) do ac (prąd zmienny) o częstotliwości fc. fc jest nazywana częstotliwością odcięcia (ang. cut-off) Bandpass channel (ang.) kanał pasmowy II rodzaju przepuszcza efektywnie składowe częstotliwościowe Fouriera od częstotliwości fd do częstotliwości fg. Składowe poza przedziałem (fd, fg) nie są efektywnie przepuszczane, co może oznaczać ich silne wytłumienie (niekoniecznie całkowite wycięcie).

252 Reprezentacja czasowa i częstotliwościowa pojedynczego impulsu prostokątnego.

253 Znormalizowana gęstość spektralna mocy pojedynczego impulsu prostokątnego.

254 Transmisja przykładowej sekwencji impulsów prostokątnych

255 Średnia znormalizowana gęstość spektralna mocy sekwencji złożonej z serii n impulsów prostokątnych Średnia znormalizowana gęstość spektralna mocy sekwencji złożonej z serii n impulsów prostokątnych ma taki sam kształt jak dla pojedynczego impulsu (!)

256 Idealny kanał pasmowy (I rodzaju) odcina średnią spektralną gęstość mocy dla częstotliwości odcięcia fc

257 Rozkład średniej mocy transmitowanego sygnału w funkcji częstotliwości

258

259 Wniosek Jeśli kanał pasmowy ma szerokość B Hz (czyli jest zdolny do przepuszczania sygnałów o częstotliwościach od 0 Hz do czestotliwości odcięcia równej B Hz), oraz wymagana jest dokładność odtwarzania impulsów odpowiadająca 95% średniej gęstości mocy wewnątrz pasma, to maksymalna szybkość transmisji wynosi: rb,max = B/2 bps (bitów/sekundę) Przykład 1. Niech kanał transmisyjny ma szerokość 100 khz. Wymaganie co do wierności kształtu odtwarzanych impulsów jest określone przez 95% średniej mocy spektralnej wewnątrz pasma. Wyznaczyć maksymalną szybkość transmisji. Rozwiązanie: Przykład 2. Powtórzyć Przykład 1 przy założeniu 90% dokładności (wierności) kształtu impulsów. Rozwiązanie: rb, max = B = 100,000 bits per second

260 Wpływ szumów na szybkość transmisji stosunek S/N

261 Twierdzenie Shannona (1948r) Claude Shannon badał zależność przepustowości kanału w obecności szumów. Założenie szum biały. Wzór Shannona: 2 S C = B log (1 + ) N Gdzie C przepustowość kanału [bps] B szerokość pasma [Hz] S/N stosunek sygnał/szum [db]

262 Przykład Transmisja modemowa Szerokość kanału B=3100 Hz (S/N)dB = 30 db czyli (S/N) =1000 Teoretyczna przepustowość: C = bps

263 Twierdzenie Shannona-Hartleya W teorii informacji Twierdzenie Shannona-Hartleya opisuje przepustowość kanału komunikacyjnego. Twierdzenie o przepustowości Shannona-Hartleya głosi, że można zwiększyć przepustowość wyrażoną w bit/s, jeśli zwiększy się szerokość pasma oraz moc sygnału, jednocześnie minimalizując szumy. Rezultat jest przedstawiony w postaci następującego równania S C = B log 2 (1 + ) N

264 Twierdzenie Kotielnikowa-Shannona - znane również jako twierdzenie Whittaker-NyquistKotelnikov-Shannon, - mówi o tym, kiedy z danego sygnału dyskretnego f*(t) można odtworzyć sygnał ciągły f(t). Sygnał ciągły może być ponownie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej częstotliwości swego widma. Tą częstotliwość graniczna nazywa się częstotliwością Nyquista.

265

266

267 Komunikacja międzykomputerowa Cz. V Dr inż Tomasz Gałkowski 2009 Wykład przygotowano w ramach projektu: Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Numer projektu: POKL /08

268 Kody transmisyjne Kodowanie danych Liniowe kody cyfrowe

269 Kodowanie źródłowe danych Przesłanie jakiejkolwiek informacji na odległość wymaga użycia kodu odwzorowującego litery, cyfry, słowa na przesyłane sygnały (i odwrotnie) Konwersja sygnału na zrozumiałą postać informacji wymaga alfabetu, tabeli kodowej. Taka konwersja nosi nazwę kodowania źródłowego. Kody informacyjne mogą być budowane w sposób zaplanowany, dla osiągnięcia ich określonych cech, np. zwięzłości, odporności na błędy, itp.

270 Przykłady alfabetów i kodów

271 Alfabet CCITT nr 3 Jest kodem z nadmiarem, nie są wykorzystywane wszystkie kombinacje kodowe, a tylko 35 spośród 128 (27=128) Stosunek liczby elementów Z do liczby elementów A w każdej kombinacji wynosi 3:4 Z rozważań teoretycznych wynika, że dla kodu pięcioelementowego, bez nadmiaru, prawdopodobieństwo błędu wynosi ok. 5*10-3. Prawdopodobieństwo błędnego znaku w kodzie siedmioelementowym (przy stosunku 3:4) wynosi 10-5, a więc jest około 500 razy mniejsze. Zastosowanie właściwie skonstruowanego kodu poprawia w tym przypadku niezawodność transmisji.

272 Alfabet CCITT nr 5 Każdy znak alfabetu nr 5 może być określony numerem kolumny i wiersza W celu wykrycia nieprawidłowo przekazanego bitu znaku służy przesyłany dodatkowo ósmy bit, zwany bitem parzystości. Dodatkowe bity stanowią narzut w transmisji

273 Postulaty dotyczące budowy alfabetów Alfabet powinien być: - zwięzły efektywność transmisji, zajmowanie łącza krótko - posiadać odporność na przekłamania mechanizmy wykrywania błędów transmisji -samokorygujący po wykryciu błędu właściwa korekta.

274 Liniowe kody cyfrowe - Liniowe kody cyfrowe są też nazywane transmisyjnymi - Potrzeba odwzorowania kombinacji kodowych informacji, czyli ciągów zero-jedynkowych, za pomocą zmian parametrów sygnałów elektrycznych. - Kodowanie danych cyfrowych na sygnały cyfrowe. - Nie zachodzi potrzeba modulacji sygnału nośnego, a odwzorowanie ma charakter naturalny - Bezpośrednie odwzorowanie kombinacji bitowych za pomocą zmian napięcia lub prądu elektrycznego, impulsów świetlnych, itd. - Stosowane w: połączeniach null modem, sieciach komputerowych, światłowodach, itp. (w liniach transmisyjnych stąd nazwa: liniowe)

275 Uwagi wstępne Element danych bit Szybkość bitowa [bps] Element sygnału stan napięcia Szybkość sygnalizacji [baud] Sygnalizacja: - unipolarna (wszystkie poziomy napięć mają ten sam znak, + poziom zera) - polarna (dopuszcza się poziomy dodatnie, ujemne i zerowy)

276 Wpływ na bitową stopę błędów Czynniki wpływające na bitową stopę błędów: 1. pasmo przenoszenia 2. szybkość transmisji 3. stosunek sygnał/szum (S/N) 4. schemat kodowania

277 Kryteria wyboru schematu kodowania - widmo sygnału - składowe w.cz. - składowa stała (prąd stały) - rozkład mocy w widmie sygnału - synchronizacja (taktowanie) - możliwość wykrycia błędów - odporność na zakłócenia (szumy) - koszt i złożoność implementacji

278 Podstawowe typy kodów cyfrowych

279

280

281 Cechy kodów NRZ i RZ Są to kody dwuwartościowe Wady Podatne na zakłócenia Nieodporne na długie ciągi zer Trudności w synchronizacji wymagają transmisji sygnału zegara Obecność składowej stałej Zalety Prostota realizacji i łatwość implementacji Efektywne wykorzystanie pasma Kod RZ jest samosynchronizujący, ale wymaga podwójnej szerokości pasma

282

283 Kody wielopoziomowe Kody wielopoziomowe binarne służą do reprezentacji danych dwójkowych, ale sygnał ma więcej niż jeden poziom Kod AMI (Alternate Mark Inversion) 1 - impuls dodatni i ujemny na przemian, 0 brak sygnału Kod HDB-3 Podobny do kodu AMI, ale pozwala uniknąć niedogodności długich ciągów zer. Gdy wystąpią więcej niż trzy zera 0, to generowany jest dodatkowy impuls, tej samej polaryzacji co ostatnia jedynka 1 Kod WAL-2 Zmiana polaryzacji następuje w środku trwania okresu. Dla każdej nowej jedynki (po zerze) i dla każdego nowego zera (po jedynce) odwrócenie fazy sygnału Jedynkom odpowiadają impulsy o przeciwnej polaryzacji niż zerom Kod samosynchronizujący (!)

284

285 Cechy kodów wielopoziomowych Zalety: - brak składowej stałej - mała szerokość pasma Wady: - odbiornik musi rozróżniać trzy poziomy sygnału - mniej wydajne niż prosty NRZ - długa sekwencja zer (jedynek) może powodować trudności z synchronizacją

286 Kod Manchester Kod Manchester jest sposobem fazowej modulacji sygnału cyfrowego (modulacja bifazowa). Logicznemu zeru odpowiada zmiana stanu w środku bitu z wysokiego na niski, jedynce - z niskiego na wysoki. Jest możliwa również odwrotna konwencja, która jako pierwsza została wprowadzona przez G. E. Thomasa w 1949 r.