WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ INŻYNIERII

Transkrypt

1 WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ INŻYNIERII Elektronika i telekomunikacja dr inż. Piotr Korbel

2 Plan Definicje podstawowe Historia rozwoju telekomunikacji Telekomunikacja przewodowa Telekomunikacja bezprzewodowa Zastosowania telekomunikacji WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 2

3 DEFINICJE PODSTAWOWE WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 3

4 Telekomunikacja Definicje każde przesyłanie, nadawanie i odbiór znaków, sygnałów, pisma, obrazów i dźwięku lub wiadomości wszelkiego rodzaju drogą przewodową, radiową, optyczną lub za pomocą innych systemów elektromagnetycznych WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 4

5 Kanał telekomunikacyjny INFORMACJA SYGNAŁ Źródło informacji Nadajnik Kanał Odbiornik Odbiorca informacji - głos, dźwięk - obraz - grafika - dane zakłócenia - szumy - przesłuchy - tłumienie - wielodrogowość - echo - efekt Dopplera, itp. człowiek - urzadzenie - (RTV, PC, PDA, fax, drukarka, itp.) WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 5

6 Sygnały Informację przenoszą sygnały: elektryczne elektromagnetyczne optyczne Sygnały zmienne w czasie (analogowe) są odzwierciedleniem charakterystyk informacji: ciśnienie akustyczne (dźwięk, głos) jasność i kolor (obraz, grafika, dane) wielkości pomiarowe, (temperatura, przyspieszenie, prędkość, itp.) WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 6

7 Sygnały analogowe Odwzorowanie sygnałów prąd, napięcie, natężenie pola e-m czas Sygnał analogowy ma wiele ograniczeń: Jest bardzo podatny na wszechobecne zakłócenia Trudno poddaje się przetwarzaniu Jest mało dokładny, tzn. wymaga stosowania urządzeń wysokiej jakości, zatem drogich WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 7

8 Sygnały cyfrowe Sygnał nadany zakłócenia 1 0 komparator Sygnał odebrany Sygnał zakłócony WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 8

9 Próbkowanie Jeżeli sygnał analogowy jest dostatecznie regularny to można go przedstawić w postaci sumy sygnałów sinusoidalnych o różnych częstotliwościach widmo częstotliwościowe Konwersję sygnału analogowego na cyfrowy umożliwia tzw. zasada próbkowania: Aby odtworzyć wiernie sygnał analogowy na podstawie próbek, szybkość próbkowania musi być dwa razy większa niż najwyższa częstotliwość widma sygnału analogowego WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 9

10 Konwersja analogowo-cyfrowa (A/C) Próbkowanie z pamięcią Sample & Hold Kwantyzacja np. 8 bitowa, błąd 0.2 % Przykład: Sygnał mowy 4 khz wymaga 8000 próbek na sekundę, co daje sygnał cyfrowy 8000 próbek x 8 = 64 kb / sekundę WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 10

11 Media transmisyjne Kanał radiowy Kanał przewodowy Kanał światłowodowy WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 11

12 Tryby komunikacji - kierunek transmisji T Simplex (jednokierunkowa) T R T Pół-duplex (naprzemienna) R T R T Duplex (dwukierunkowa) R T R WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 12 R

13 Rodzaje transmisji 1. Transmisja asynchroniczna transmisja danych, przy której zegary odbiornika, kanału transmisyjnego i nadajnika nie są ze sobą zsynchronizowane. Każdy znak (słowo, blok danych) jest poprzedzony bitem START i zakończony bitem lub większą liczbą bitów STOP, używanymi w odbiorniku do synchronizacji. 2. Transmisja synchroniczna transmisja pomiędzy terminalami, przy której dane są przesyłane w blokach binarnych, a zegary nadajnika i odbiornika są utrzymywane w synchronizmie. WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 13

14 Szerokość pasma Jest to zakres częstotliwości, jaki kanał jest zdolny przenieść. Maksymalna szybkość transmisji cyfrowej jest określona wzorem: C = W log 2 ( 1 + S/N) W szerokość pasma S moc sygnału N moc szumów Claude Shannon ( ) WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 14

15 Pasmo transmisji 1. Transmisja w pasmie podstawowym (naturalnym) jeżeli sygnał nadawany zajmuje to samo pasmo częstotliwości, jaki zajmuje sygnał informacyjny (np. tradycyjna transmisja telefoniczna, transmisja pomiędzy mikroprocesorem a pamięcią). 2. Transmisja pasmowa sygnał informacyjny jest tak przekształcony (zmodulowany), że zajmuje istotnie zmienione pasmo częstotliwości przesunięte w górę i zwykle rozszerzone. Jest to transmisja poza pasmem naturalnym. WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 15

16 Modulacja korzyści 1. Możliwość dopasowania się do fizycznych właściwości medium transmisyjnego. 2. Możliwość zwielokrotnienia kanału telekomunikacyjnego, tzn. jednoczesnego przesłania przez niego wielu niezależnych informacji. 3. Zwiększenie odporności transmisji na zakłócenia. 4. Efektywne wypromieniowanie przez antenę. WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 16

17 Zwielokrotnianie multipleksacja Wspólne użytkowanie (współdzielenie) medium transmisyjnego dla jednoczesnej transmisji pewnej liczby niezależnych sygnałów niosących informację. 1. Zwielokrotnianie z podziałem czasowym, TDM Zwielokrotnianie z podziałem częstotliwościowym, FDM f 1 f 2 f 3 częstotliwość WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 17

18 HISTORIA ROZWOJU TELEKOMUNIKACJI (W SKRÓCIE) WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 18

19 1876 Alexander Graham Bell patentuje telefon WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 19

20 Klasyczna sieć telekomunikacyjna PSTN (telefoniczna) Sieć dostępowa Sieć szkieletowa Sieć dostępowa WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 20

21 Pierwsze centrale telefoniczne 1891, Berlin Pierwsza centrala ręczna w Niemczech, WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 21

22 1911, USA, linie telefoniczne napowietrzne WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 22

23 Centrale automatyczne Wybierak elektromechaniczny Srowgera, , Monachium, centrala automatyczna WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 23

24 Centrale elektroniczne Centrala elektroniczna EWS (Alcatel), 1970 Centrala elektroniczna System 12 (Siemens), WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 24

25 Transmisja radiowa Hertz, 1885 pierwsza antena radiowa Heinrich Rudolf Hertz WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 25

26 Odbiorniki radiowe 1895, Pierwszy odbiornik radiowy A. S. Popowa WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 26

27 Marconi 1898, Marconi ze swym nadajnikiem radiowym WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 27

28 Początki systemów radiowych Stacja anten odbiorczych w Glace Bay, New Scotland, USA Nadajnik iskrowy WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 28

29 Systemy radiowe Pierwszy przekaźnik radiowy 1.7 GHz, po obu stronach kanału La Manche, WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 29

30 Anteny Hidetsugi Yagi, Shintaro Uda, 1928 Yagi-Uda antena WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 30

31 Kable Pierwszy kabel koncentryczny, 1936, Berlin-Lipsk TV rozmów telefonicznych WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 31

32 Rozwój elektroniki Tetroda lampowa, 1916 Tranzystor, 1947 Układy scalone, lata WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 32

33 System satelitów geostacjonarnych WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 33

34 1990 Cyfrowa telefonia komórkowa, GSM WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 34

35 Sieci komputerowe, Internet WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 35

36 Komunikacja globalna Next Generation Networks WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 36

37 TELEKOMUNIKACJA PRZEWODOWA WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 37

38 Telekomunikacja przewodowa Podstawowym systemem jest sieć telekomunikacyjna. Jest to zbiór węzłów (np. central, serwerów, ruterów) i łączy a zadaniem sieci jest dostarczanie jej użytkownikom (abonentom) usług komunikacyjnych z zadaną jakością. Najważniejszym zadaniem projektowania sieci telekomunikacyjnej jest optymalny dobór liczby i przepustowości łączy oraz parametrów węzłów (wymiarowanie sieci) przy zadanym poziomie jakości świadczonych usług oraz ograniczeniach technologicznych realizacji WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 38

39 Architektura sieci typu każdy z każdym Np. dla 100 abonentów potrzeba 4950 przewodów łączeniowych (linii) rozwiązanie nie do przyjęcia WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 39

40 Projektowanie sieci Ruch telekomunikacyjny - przepływ zgłoszeń, połączeń i wiadomości. Podstawowym parametrem jest natężenie ruchu. Jednostką natężenia ruchu jest erlang (Erl). Jeden erlang odpowiada czasowi trwania połączenia równemu jednej godzinie, gdy czas obserwacji wynosi również jedną godzinę. Do wymiarowania sieci stosujemy: Pierwszy wzór Erlanga dla systemów z blokadą Drugi wzór Erlanga dla systemów z opóźnieniem WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 40

41 Przykłady ruchu teleinformatycznego Dobowy rozkład natężenia ruchu telefonicznego Rozkład ruchu danych w Internecie (w czasie 3 godzin) WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 41

42 Przykład - wymiarowanie wiązki w łączu telefonicznym Podczas godziny największego ruchu abonenci generują łącznie ruch o natężeniu 10 rozmów na minutę, przy średnim czasie rozmowy 3 min. Jaka jest minimalna liczba łączy w trakcie aby ruch z centrali A przenieść do centrali B na poziomie strat 0.01? A mln linii 41 B Razem: WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 42

43 Komutacja Jest to technika zestawiania połączenia i zapewnienia transmisji informacji pomiędzy użytkownikami (abonentami) w sieci. Są dwa podstawowe rodzaje komutacji: komutacja kanałów (łączy) komutacja pakietów Pakiet jest to jednostkowa porcja danych (bitów) przesyłanych przez sieć. Struktura pakietu obejmuje: nagłówek z informacjami adresowymi i sterującymi oraz przestrzeń informacji użytkownika. Nagłówek Przestrzeń informacyjna Są różne formaty pakietów, np. pakiet internetowy, komórka sieci ATM, itp WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 43

44 Komutacja Komutacja kanałów ciągłe połączenie uzyskuje się za pomocą węzła (przełącznika, centrali, itp.) i jest używane przez czas trwania transmisji. Jest stosowana w sieciach telefonicznych i niektórych nowszych cyfrowych sieciach teleinformatycznych. Komutacja pakietów długie wiadomości w postaci strumienia bitów są dzielone na pewną liczbę mniejszych jednostek zwanych pakietami. Pakiety są przesyłane przez sieć aktualnie dostępną wolną trasą i są z powrotem łączone w kompletne wiadomości w miejscu przeznaczenia. Sygnalizacja przechodzenie informacji i instrukcji z jednego węzła do drugiego, celem ustanowienia lub nadzoru połączenia telefonicznego lub transmisji wiadomości WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 44

45 Sieć z komutacją kanałów (łączy) Np. sieć telefoniczna -zestawienie kanału (łącza) -połączenie -rozłączenie połączenia WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 45

46 Sieć z komutacją pakietów Np. Internet nie potrzeba czasu na zestawienie i rozłączenie połączenia WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 46

47 Zintegrowana sieć telekomunikacyjna WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 47

48 Technologia VoIP Voice over Internet Protocol Umożliwia transmisję głosu w postaci cyfrowej przez sieci pakietowe z protokołem IP, poprzez wydzielone lub dzierżawione łącza pakietowe bądź przez Internet. Polega na utworzeniu cyfrowej prezentacji sygnału mowy, poddaniu go kompresji bitowej oraz pakietyzacji. Tak spreparowany strumień pakietowy jest przesyłany w sieci wraz z danymi z komputerów. W węźle odbiorczym cały proces jest powtarzany w kierunku odwrotnym, dzięki czemu otrzymuje się sygnał głosu analogowego WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 48

49 Opóźnienie pakietyzacji głosowego sygnału cyfrowego A 48 8 bitów 64 kb / s C 6 ms B A C 6 ms 6 ms 6 ms... B WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 49

50 TELEKOMUNIKACJA BEZPRZEWODOWA WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 50

51 Telefonia komórkowa MTA 0G networks (160 MHz, 40 kg) Ericsson Review No. 3, WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 51

52 10 Gbit/s w łączu mobilnym 2005: 2.5 Gb/s 2006: 5 Gb/s 2013: 10 Gb/s First 10-Gb/s Mobile Packet Transmission, IEEE Vehicular Technology Magazine, June WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 52

53 Linie radiowe Święty Krzyż WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 53

54 Stacje bazowe dopuszczalny poziom gęstości mocy promieniowania Rozkład wynikowy gęstości mocy [dbw/m 2 ] na wysokości 26 m npt. (płaszczyzna zawieszenia środków elektrycznych anten parabolicznych) WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 54

55 Przepływ informacji w systemie radiowym Inny strumień danych Generator fali nośnej dane głos Koder źródłowy Koder kanałowy Multiplekser Modulator + wzmacniacz Inny strumień danych Generator fali nośnej dane głos Dekoder źródłowy Dekoder kanałowy Demultiplekser Demodulator +wzmacniacz WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 55

56 Widmo radiowe 100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1 m 100 cm 10 cm 1 cm długość fali VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 khz 30 khz 300 khz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz częstotliwość fali VLF bardzo małe częstotliwości LF małe częstotliwości MF średnie częstotliwości HF duże częstotliwości VHF bardzo duże częstotliwości UHF ultra duże częstotliwości SHF super duże częstotliwości EHF ekstremalnie duże częstotliwości WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 56

57 Propagacja w wolnej przestrzeni Wzór transmisyjny Friisa R Antena izotropowa E 60P G R T T P R P T G G T 2 R 4 R 2 WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 57

58 Fala przestrzenna Fala przestrzenna Względny poziom mocy [db] ht hr d Częstotliwość [MHz] Odległość [m] Propagacja przyziemna przedhoryzontowa: Przykład zależność natężenia pola od odległości i częstotliwości, przy ht = 50 m, hr = 3 m WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 58

59 Propagacja w warunkach rzeczywistych Propagacja wielodrogowa zaniki WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 59

60 Zalety rozwiązań bezprzewodowych Mobilność: dostęp do informacji w czasie rzeczywistym bez ograniczenia swobody przemieszczania się Szybkość i prostota instalacji: brak potrzeby tworzenia nowej infrastruktury Elastyczność: możliwość adaptacji zmian w strukturze i konfiguracji sieci Zasięg: może być rozszerzony do miejsc, które nie mogą być łatwo usieciowione przewodowo Skalowalność: rozmaitość topologii WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 60

61 WPAN WLAN WMAN WWAN Zasięgi Właściwości sieci bezprzewodowych Sieci satelitarne GSM/UMTS/LTE e n a/g b DECT 2,5/5 km 100/300 m 100/300 m 50/300 m 50/300 m 2,5/15 km a UWB 10/100 m Bluetooth 10/100 m ZigBee, WirelessHART, 6loWPAN RFID/NFC 10 m 8/50 km 20/200 m WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 61

62 Zużycie energii Właściwości sieci bezprzewodowych 2G 2,5G 3G Satelitarne e n a/g b 4G ac UWB RF ID Mb/s WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 62

63 Projektowanie WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 63

64 Telekomunikacja satelitarna WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 64

65 Usługi LBS G.Sabak, Tests of Smartphone Localization Accuracy Using W3C API and Cell-Id, FedCSIS WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 65

66 Usługi LBS G.Sabak, Tests of Smartphone Localization Accuracy Using W3C API and Cell-Id, FedCSIS WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 66

67 PRZYKŁADOWE PYTANIA WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 67

68 Zagadnienia Najważniejsze daty w historii rozwoju telekomunikacji Elementy kanału telekomunikacyjnego Definicja telekomunikacji Rodzaje sygnałów w telekomunikacji Zasada próbkowania Konwersja analogowo-cyfrowa Pasmo transmisji Rodzaje transmisji Podstawowy wzór Shannona Zalety modulacji Zwielokrotnienie Media transmisyjne Zasada działania modemu Rodzaje komutacji Ruch telekomunikacyjny WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 68

69 Zagadnienia Rodzaje sieci teleinformatycznych Rodzaje sieci komputerowych Sieci cyfrowe z integracją usług Sieci ATM Technologia VoIP Przepływ informacji w systemie radiowym Widmo radiowe Propagacja fal radiowych w wolnej przestrzeni Wpływ zakłóceń na transmisję radiową Anteny Zalety radiowych sieci ruchomych Sieci radiowe doraźne Bezprzewodowy dostęp do Internetu Wymiarowanie sieci telekomunikacyjnych Pierwszy i drugi wzór Erlanga Wpływ promieniowania elektromagnetycznego na organizm człowieka WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 69

70 Przykładowe pytania Jaka powinna być częstość próbkowania sygnału pomiarowego 10 khz w celu odtworzenia wiernego na podstawie próbek? Erlang jest jednostką W wolnej przestrzeni moc fali EM maleje Modem służy do W pewnym kanale o stałej szerokości pasma częstotliwości wzrosła wartość mocy zakłóceń. W efekcie maksymalna szybkość bitowa w kanale WDWI - Moduł EiT, sem. I, 2016/17 70