SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE

Transkrypt

1 SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE AiR 5r. Wykład 1

2 dr inż. Tomasz Bajorek bud.l p.28 tbajorek.prz.edu.pl 15 godz. wykład 30 godz. laboratorium kryteria zaliczenia

3 LITERATURA Norris M.: Teleinformatyka, WKŁ, Read R.: Telekomunikacja, WKŁ, Marciniak M.: Łączność światłowodowa, WKŁ, Simmonds A.: Wprowadzenie do transmisji danych, WKŁ, Haykin S.: Systemy telekomunikacyjne, WKŁ, 2004, t.1 i t.2 Kula S.:"Systemy teletransmisyjne"", WKŁ, 2004 Woźniak J., Nowicki K.: Sieci MAN, WAN, LAN protokoły komunikacyjne, WFPT, 2000 Dunsmore B., Skandier T.: Technologie telekomunikacyjne CISCO SYSTEMS, MIKOM, Mucha M.: Sieci komputerowe- budowa i działanie, Helion, 2003 Meloni J.C.: PHP podręcznik tworzenia stron WWW, MIKOM 2001 Schultz D., Cook C.:HTML, XHTML i CSS : nowoczesne tworzenie stron WWW, Helion, Williams E., Lane D.: Bazy danych w Internecie, Wyd.RM, 2002.

4 Tematyka sieci teleinformatyczne (telekomunikacyjne) - typy, struktura, transmisja danych cyfrowych, struktury przesyłu, kodowanie, multipleksowanie, modulacja, szyfrowanie, kompresja typy systemów teleinformatycznych, ich cele i zadania technologie tworzenia systemów, przykłady (PHP, MySQL)

5 Teleinformatyka - technologia informacyjna, IT (akronim od ang. Information Technology) - dziedzina wiedzy obejmująca - informatykę - sprzęt komputerowy i oprogramowanie używane do: tworzenia i przetwarzania przesyłania prezentowania zabezpieczania informacji, - telekomunikację, - narzędzia i inne technologie związane z informacją. Dostarczenie narzędzi, za pomocą których można pozyskiwać informacje, selekcjonować je, analizować, przetwarzać, zarządzać i przekazywać innym ludziom. Specjalność: projektowanie, programowanie i utrzymanie sieci teleinformatycznych (na podstawie WIKIPEDIA)

6 System teleinformatyczny.zespół współpracujących ze sobą urządzeń informatycznych i oprogramowania, zapewniający: wysyłanie i odbieranie przechowywanie przetwarzanie danych poprzez sieci telekomunikacyjne za pomocą właściwego dla danego rodzaju sieci urządzenia końcowego. W rozumieniu ustawy z dnia 16 lipca 2004 r. Prawo telekomunikacyjne (Dz. U. z 2004 r. Nr 171, poz. 1800, z późn. zm.)

7 Telekomunikacja - transmisja informacji przy pomocy procesów: - model myślowy w umyśle nadawcy (lub ew. "od razu" zbiór bitów) - opis modelu zbiorem symboli umownych (słuchowych, wizualnych, liczbowych, innych) - kodowanie dla transmisji - transmisja!!! - dekodowanie i reprodukcja informacji - odtworzenie modelu zazwyczaj do postaci "bliskiej" oryginałowi (lub przetworzenie, zapis, analiza)

8 Rys historyczny - przesył informacji 1837 Samuel Morse telegraf kod Morse kropka, kreska, spacja literowa, spacja słowna --- SOS łączność przewodowa Maxwell elektromagnetyczna teoria światła istnienie fal radiowych Marconi łączność bezprzewodowa (Tesla, Popow)

9 1904 Fleming dioda - wzmacniacze a więc zwiększenie odległości przesyłu 1918 Armstrong superheterodyna początki radia, modulacja częstotliwości FM 1928 telewizja Fansworth BBC nadawanie 1937 Reeves modulacja impulsowokodowa PCM szyfrowanie mowy w czasie II wojny światowej

10 1948 matematyczne podstawy teorii komunikacji Shannon udowadnia, że nieprawdą jest, iż zwiększenie szybkości przesyłu zwiększa prawdopodobieństwo błędu o ile szybkość nie przekracza pojemności kanału przesyłowego W uproszczeniu prawo to mówi,że maksymalna prędkość transmisji jest zależna od: szerokości pasma częstotliwościowego stosunku sygnału do "szumu" dla linii. Ponieważ szerokość pasma komutowanych linii telefonicznych jest definiowana przez standardy techniczne, przepustowość zależy przede wszystkim od szumu w medium.

11 Miara zakłóceń... Szumy parametr sygnał szum SNR (ang. Signal Noise Ratio) np. na wejściu odbiornika: SNR = 10log 10 P P sygn szumu db /decybeli/ standardowa linia telefoniczna ok. 20 db czyli P sygnału /P szumu = 100 Ile??????????????

12 Zanik sygnału... Tłumienie 10 log P wej 10 P wyj τ= db /decybeli/ dla U i I 20 log Uwe bo log P= 2*log U wy U U 2 we 2 wy P = U 2 R więc współczynnik 10 żeby wielkości były porównywalne

13 1948+ tranzystor i dalszy rozwój elektroniki układy przełączające i komunikacja cyfrowa propozycja i w 1957 realizacja wprowadzenia satelitów (Telstar TV przez Atlantyk) 1971 sieć ARPANET

14 Elementy optyczne już w czasach starożytnych - sygnały ogniowe 1959 LASER wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania 1966 Kao i Hockam - włókno szklane jako falowód optyczny światłowód rozwój INTERNETU i telefonii komórkowej

15 System telekomunikacyjny - elementy sygnał estymata sygnału informacyjny informacyjnego Źródło Nadajnik Odbiornik Użytkownik informacji informacji sygnał nadany Kanał sygnał odebrany

16 A zatem podstawowe elementy systemu telekomunikacyjnego to: nadajnik (urządzenie końcowe) kanał transmisyjny (medium transmisji) odbiornik (urządzenie końcowe)

17 Czasem człowiek jest wyłączony z systemu, np. komunikowanie się dwu lub więcej automatów ("komputerów") Człowiek wówczas włączony jedynie w: programowanie dostarczanie (korekta) danych monitorowanie (interpretacja) wyników

18 Cel nadajnika przekształcenie sygnału informacyjnego do formy nadającej się do transmisji Cel odbiornika odtworzenie sygnału nadanego (stworzenie estymaty sygnału nadanego postać zbliżona, czytelna!) Przesył zniekształcenia wywołane szumami (inne źródła) - kanał nie jest idealny

19 Źródła informacji mowa (klasyczny telefon i telefon mobilny) komputer (sygnał cyfrowy ciąg bitów) telewizja urządzenia mobilne telefony, PDA (Personal Digital Assistent) itp/

20 MOWA sygnał analogowy fala dźwiękowa o rozkładzie spektralnym (częstotliwościowym) widmo mocy mowy - moc spada przy częstotliwości dążącej do 0, maximum dla kilkuset Hz zakres częstotliwości: 300 Hz do 3100 Hz wystarczający w telekomunikacji komercyjnej

21 Idealna charakterystyka przetwarzania przedstawia się jako pozioma, płaska linia, w układzie współrzędnych z częstotliwością na osi poziomej (otrzymujemy stałą wartość napięcia dla każdej częstotliwości). U [V] f [Hz]

22 Każdy "dołek" na takiej charakterystyce oznacza spadek napięcia w określonym zakresie, a każde wzniesienie - wzrost, co po przetworzeniu sygnału elektrycznego na akustyczny, oznaczać będzie zniekształcenie naturalnego dźwięku - uwypuklenie jednych tonów, wyciszenie innych. U [V] f [Hz]

23 Urządzenia elektroakustyczne są tak projektowane, aby jak najbardziej płaską charakterystyką objąć jak najszerszy zakres częstotliwości, słyszalnych przez człowieka. Zakres ten rozciąga się: od ok. 20 Hz(16 Hz) do ok Hz i nazywa się zakresem częstotliwości akustycznych.

24 Pasmo przenoszenia pasmo częstotliwości, w którym urządzenie zachowuje założoną liniowość. k u db k u [db]= 20 log U wy U we 20 Hz 20 khz f Decybeli używamy, gdy dwie wartości są liniowo bardzo daleko od siebie U 0 =1 U 1 =10 U 2 =100 U 3 =1000 p 1 =20dB p 2 =40dB p 3 =60dB

25 KOMPUTER bajt znaki ASCII 7 bitów + bit parzystości bit parzystości reprezentacja parzysta uzupełnienie takie, aby liczba jedynek była parzysta inaczej błąd bity przesyłane szeregowo asynchronicznie bit START 0 bit START 0 bity od b1 do b7 bit parzystości bit STOP 1 przerwa ciągi jedynek synchronicznie długa porcja danych bez przerw wysyłana w blokach

26 SYNCHRONIZM W TRANSMISJI DANYCH Z punktu widzenia powiązania timerów (zegarów systemowych) nadawcy i odbiorcy, sieci komputerowe dzielimy na: - asynchroniczne - synchroniczne

27 Transmisja asynchroniczna Wysyłanie danych w dowolnym momencie i dowolnie długie oczekiwanie na przesłanie kolejnego pakietu. Nie muszą być zachowane stałe odstępy czasowe pomiędzy przesyłanymi danymi. W transmisji asynchronicznej synchronizacja odbiorcy z nadawcą realizowana jest na krótki okres najczęściej czas przesłania jednego znaku! Zasada działania transmisji asynchronicznej początek: przesłanie bitu startu (bit STB), następnie przesyłany jest znak (CB) zwykle 7 lub 8 bitów danych, transmisję kończy bit stopu (SPB). Po przerwie (tzw. czasie martwym) procedura się powtarza.

28 Wady transmisji asynchronicznej: istnienie martwego czasu transmisji - wydajność przesyłu poniżej 68%; szybkość pracy ograniczona do kilkudziesięciu kbit /s. Zalety: niezależność timer-ów nadawcy i odbiorcy ścisłe ramy czasowe transmisji Transmisja asynchroniczna jest przeznaczona zdecydowanie wyłącznie do realizacji transferu danych. Nie na daje się do transmisji multimedialnej

29 Transmisja synchroniczna Wysyłanie danych w momencie, gdy odbiorca jest gotowy do ich odebrania (zsynchronizowany z nadawcą), ustalony czas na przesłanie pakietu danych. Używany jest sygnał zegarowy (timer) do regulacji przepływu danych między urządzeniami końcowymi. Bity lub znaki danych są przesyłane w blokach z ustaloną szybkością między nadajnikiem i odbiornikiem zsynchronizowanymi na początku i końcu bloku.

30 W transmisji synchronicznej tzw. preambuła synchronizacyjna - dokonuje zsynchronizowania zegarów nadawcy i odbiorcy. Preambuła jest ciągiem impulsów zero-jedynkowych o ustalonym czasie trwania i ilości. Zasada działania transmisji synchronicznej Początek transmisji - preambuła synchronizacyjna (zazwyczaj nie przekracza 25 impulsów) SYNC. Po synchronizacji następuje przesyłanie bloków danych (DATA).

31 Przykład: sieć Ethernet zaprojektowana w 1976 r przez dr. Robert M. Metcalfe RAMKA (pakiet, frame) porcja danych przesyłana w sieci 7 B (7x8 bitów) SFD - (ang. start frame delimiter) naprzemienne 0 i 1 - synchronizacja

32 Zalety transmisji synchronicznej brak przerw w transmisji; nielimitowane szybkości przesyłu. Wady: konieczność synchronizacji timerów nadawcy i odbiorcy; urządzenia nadawczo-odbiorcze (szczególnie urządzenia odbiorcze) muszą być wyposażone w bufory

33 Sygnały charakter impulsowy (przekaz i cisza transmisyjna ) np. sygnały komputerowe charakter ciągły np. sygnały telefonii cyfrowej,tv interaktywnej

34 JEDNOCZESNOŚĆ TRANSMISJI Kanały transmisyjne dzielimy na: - simpleksowe SIMPLEX przesyłanie jednokierunkowe - półdupleksowe HALF DUPLEX przesyłanie naprzemiennie dwukierunkowe - dupleksowe FULL DUPLEX przesyłanie dwukierunkowe

35 Kanały transmisyjne sieć telefoniczna światłowód kanały radiowe łączności ruchomej kanały satelitarne

36 Sieć telefoniczna tradycyjna komutacja kanałów do połączeń czasowych kable miedziane (pary) przetworniki : mikrofon słuchawka(głośnik) zakres (jak wspomniano) 300 Hz do 3100 Hz wystarczający w telekomunikacji ograniczona szerokość pasma aby dzielić kanał na wielu użytkowników

37 Kabel koncentryczny ("cienki" lub "gruby" ethernet) ekranowany w celu odizolowania od zewnętrznych pól elektromagnetycznych - cienka siatka miedziana. Mało wrażliwy na zakłócenia ale łatwo ulega uszkodzeniom - trudnym do lokalizacji. Wykorzystywany w sieciach lokalnych (mały zasięg) już rzadko

38 Kabel skrętkowy Skrętka w zależności od przepustowości 10Base-T, 100Base-T 1000Base-T wykonana ze skręconych nieekranowanych przewodów. Kabel skrętkowy tworzy tzw. linię zrównoważoną (symetryczną). UTP skrętka nieekranowana. STP skrętka ekranowana oplotem, FTP skrętka foliowana, czyli skrętka miedziana ekranowana za pomocą folii (wraz z przewodem uziemiającym) FFTP skrętka z folią na każdej parze przewodów i dodatkowa folia. SFTP skrętka jak FFTP plus oplot. Segment do 100 m FTP do 230m, FFTP do 300m.

39 Światłowód Transmisja na odległość powyżej 100 m - kabel światłowodowy. Do budowy światłowodu stosuje się wyłącznie szkło kwarcowe o dużej czystości małe tłumienie Światłowód składa się z dwóch warstw: wewnętrzna- rdzeń zewnętrzna płaszcz ochronny. dodatkowo powłoka zabezpieczająca tworzywo sztuczne

40 teleinformatyka telekomunikacja 12 włókien

41 Swiatłowód (falowód optyczny dielektryczny) przenosi sygnały świetlne fiber-optic cable Zasada działania - wielokrotne wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia (odbicie i załamanie fal) wiązki światła podążającej wzdłuż światłowodów (odbicie od płaszcza) propagacja fali 4 firmy produkują światłowody tzw. mod wiązka światła mody wpadają do światłowodu pod różnym kątem, skutkiem tego- pokonują różne odległości

42 Cechyświatłowodu duża szerokość pasma do Hz mała stratność mocy spowodowana rozpraszaniem ok. 0,2 db/km Kao i Hockam przewidzieli 20 db/km, a wcześniej było 1000 db/km przesył km/sek (prędkość światła w szkle) odporność na interferencje elektromagnetyczne mała waga, wymiary, dobra giętkość i wytrzymałość cena? wykonane w zasadzie z piasku

43 Zaleta: Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego, w związku z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji. Wada: Dyspersja - Impuls biegnący w falowodzie ulega wydłużeniu (rozmyciu), co ogranicza maksymalną częstotliwość sygnału przesyłanego przez światłowód. W wyniku różnic w prędkości poruszania się fal o różnych długościach, fale wysłane jednocześnie nie docierają do odbiornika w tym samym czasie. Na wyjściu pojawia się szerszy impuls, który rośnie wraz ze wzrostem długości światłowodu

44 Generacje światłowodów Pierwsza generacja (okno 850nm) amerykańska firma Corning Glass -światłowodowe włókno wielomodowe Druga generacja (okno 1300nm) - w roku 1987 udało się po raz pierwszy zastosować światłowód jednomodowy o prawie zerowej dyspersji Trzecia generacja (okno 1550nm) charakteryzuje się najmniejszą tłumiennością jednostkową (od 0,16 do 0,2 db/km) Czwarta generacja wiąże się z wprowadzeniem szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA, komutacji i zwielokrotnienia falowego WDM Piątą generację tworzą najnowsze osiągnięcia w zakresie transmisji solitonowej impulsy optyczne o dużej mocy (co teoretycznie prowadzi do nieograniczonego wzrostu pojemności transmisyjnej)

45 Światłowody -wielomodowe (ang. Multi Mode Fiber, MMF) -średnica rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. Następuje tu rozdzielenie fali wejściowej na wiele promieni o takiej samej długości fali, lecz propagowanymi po innych drogach. Występuje tu zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego, a więc ograniczenie prędkości transmisji i odległości, na jaką może być transmitowana. Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe. 640 do 650 modów! -jednomodowe (ang. Single Mode Fibers, SMF) -średnica rdzenia od 8 do 10 mikrometrów. Sygnał wytworzony przez laser półprzewodnikowy ulega tylko niewielkim zniekształceniom. Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie tzw. modzie podstawowym. Zasięg do 200 km. Może być kilka modów!

46 Wielomodowe 50 lub 62,5 µm światłowód skokowy - współczynnik załamania światła inny dla rdzenia i płaszcza (duża dyspersja więc niewielkie odległości) światłowód gradientowy gęstość kwarcu zmienna płynnie, mniejsza droga promienia to mniejsza dyspersja (do 2 km) Jednomodowe ~9 µm telekomunikacja tanie ale światło spójne (laser drogi) duże odległości odcinka (do 200 km)

47 Okna transmisyjne światłowodów Okno transmisyjne długości fali 850 nm najstarsze - wysoka tłumienność (4dB/km). kabel gradientowy jaskrawe czerwone koszty niskie do 1Gb/s Okno transmisyjne długości fali 1300 nm od roku tłumienność około 0,4 db/km. odległości do kilkudziesięciu kilometrów. laser Maksymalna prędkość transmisji danych Gb/s Zakres pomiędzy oknami 1300 i 1550 nie jest wykorzystywany (niekorzystne zjawiska chemiczne) Okno transmisyjne długości fali 1550 nm od 1989, specjalne kable, tłumienność około 0,16 db/km, transmisja na duże odległości.

48 nanometr 1 nm= 10-9 m mikrometr 1 µm= 10-6 m λ = nm fiolet, λ = nm niebieski, λ = nm zielony, λ = nm żółty (żółty), λ = nm pomarańczowy, λ = nm czerwony. f=v/ λ swiatłowód f UKF 1,3 do 2, Hz=130 do 250 THz 3/14

49 Tłumienie sygnał podlega degradacji Np. światłowód 0,2 db/km. I tak po ok. 10 km spadek 3-krotny, ale możliwe >100 km odcinki długość fali λ= Tłumienie rośnie dla wyższych częstotliwości f v Tłumienie światłowodów kwarcowych maleje zgodnie z krzywą Rayleigh'a, z czwartą potęgą długości fali światła. λ =850 nm τ= 1,53 db/km, λ =1300 nm τ= 0,28 db/km f = f = = , = , 10 6 = 6 = 175 THz 115 THz λ =1550 nm τ= 0,138 db/km f = = , 10 6 = 95 THz stąd wybór okna poza granicą 1550nm!!! długie fale mała tłumienność znamy z radia!!

50

51 Światłowody w Polsce

52 Urządzenia systemach światłowodowych diody optyczne nadawcze i odbiorcze (podczerwień) lub laser wzmacniacze optyczne