Wprowadzenie do Transmisji Cyfrowej

Transkrypt

1 Wprowadzenie do Transmisji Cyfrowej Prowadzący: dr hab. inŝ. Marcin Lipiński prof. nz. AGH tel.: (AGH) Literatura uzupełniająca: 1.S.Haykin Systemy telekomunikacyjne cz.1 WKŁ Roden M.S.- Digital Transmission - Prentice-Hall Baran Z.- Podstawy transmisji danych - praca zbiorowa, WKŁ, Warszawa

2 Cel podstawowy Przetransmitować jak największą liczbę danych przez ograniczony, niedoskonały kanał transmisyjny z minimalną ilością błędów. Transmisja cyfrowa to przesyłanie sygnałów dyskretnych, dla których w dowolnej chwili sygnał przybiera jedną z ograniczonej liczby wartości konkretny znak z ograniczonego alfabetu. Transmisja binarna szczególny przypadek transmisji cyfrowej. 2

3 Rys historyczny W latach 20-tych XX w. pionierska praca Harryego Nyquista nad wykorzystaniem systemu telefonicznego dla transmisji cyfrowej Bell Telephone Laboratories. W latach 40-tych XX w. prace Richarda Hamminga i Claude Shannona. Największe osiągnięcia miało Bell Telephone Laboratories w Holmdel (obecnie AT&T), gdzie przez kilkadziesiąt lat, co najmniej 3 pokolenia inŝynierów pracowało m.in. nad transmisja cyfrową 11 noblistów!! Obecnie naleŝy do francuskiej korporacji Alcatel-Lucent. 3

4 Podział według sposobu realizacji a/ System klasycznie cyfrowy np. magistrala (szyna danych) komputera, gdzie dystans jest relatywnie krótki, taki, Ŝe sygnał zachowuje standard cyfrowy spełnia warunki amplitudowe. b/ System quasi-analogowy gdzie przesyłany sygnał cyfrowy tak dalece ulega deformacjom i degradacjom, Ŝe musi być re- interpretowany w odbiorniku transmisja w paśmie podstawowym. c/ System analogowy gdzie przesyłany sygnał jest z załoŝenia analogowy z cyfrową modulacją któregoś parametru transmisja w paśmie modulacyjnym. 4

5 Warstwy Współczesne systemy transmisyjne są bardzo rozbudowane i dla skutecznej współpracy muszą podlegać określonym regułom PROTOKOŁY. Stopień złoŝoności tych systemów jest na tyle duŝy, Ŝe dokonuje się podziału na tzw. WARSTWY dla których określa się róŝne zasady współpracy. Zgodnie z wytycznymi International Standard Organization (ISO) stosuje się 7-warswową klasyfikację protokołów. Podstawą jest zasada, Ŝe protokół i-tej warstwy nie musi znać protokołu ani wyŝszej ani niŝszej warstwy, ale musi współpracować z najbliŝszymi sąsiadami z tej samej warstwy. Nie kaŝdy system musi mieć 7 warstw, ale powinien posiadać najniŝsze np. 4 warstwy. 5

6 Warstwy c.d. 7/ Aplikacyjna usługi i procedury zaleŝne od aplikacji 6/ Prezentacyjna formaty danych, reprezentacja i wyświetlanie 5/ Sesyjna sterowanie dialogu pomiędzy procesami 4/ Transportowa sterowanie transmisji end-to-end, pakowanie i rozpakowywanie pakietów lub wiadomości 3/ Sieciowa routing, nadzór sieci, formatowanie pakietów i wiadomości 2/ Łącza danych sterowanie przepływu danych przez łącza 1/ Fizyczna funkcjonalne interfejsy elektryczne i mechaniczne Nas interesują jedynie dwie dolne wartstwy 6

7 Podziały według innych kryteriów Według kryterium podziału czasu Stacja 1 medium Stacja 2 1/ Simpleks jeden kierunek transmisji 2/ Półdupleks kaŝda stacja moŝe nadawać i odbierać na przemian, wykorzystując wspólne medium; transmisja jest dwukierunkowa przykładowo rozmowa telefoniczna. 3/ Dupleks kaŝda stacja nadaje i odbiera jednocześnie; transmisja jest dwukierunkowa w kaŝdej chwili

8 Według kryterium własności Właściciel sygnału 1 Właściciel kanału - operator Właściciel sygnału 2 8 8

9 Podziały według innych kryteriów c.d. 1/ Transmisja asynchroniczna pomiędzy przesyłanymi danymi nie muszą być zachowane stałe odstępy czasu moŝe przyjmować postać transmisji pakietowej; bity start-stop. 2/ Transmisja synchroniczna zmiana wartości bitu moŝe nastąpić jedynie w określonych chwilach, wyznaczonych przebiegiem zegarowym obowiązuje jeden zegar dla wszystkich uŝytkowników. 2/ Transmisja plezjochroniczna zmiana wartości bitu moŝe nastąpić jedynie w określonych chwilach, wyznaczonych lokalnym przebiegiem zegarowym kaŝdy uŝytkownik ma swój zegar. Nominalnie zegary wszystkich uŝytkowników generują tą samą częstotliwość. 9

10 Najczęściej spotykane kanały fizyczne 1/ Klasyczny kanał telefoniczny charakteryzuje się charakterystyką częstotliwościową amplitudy i fazy w postaci opóźnienia grupowego: 0 [db] 2 τ[ms] f [khz] f [khz] Nierównomierności charakterystyk do pewnego stopnia moŝna skompensować filtrem jeśli SNR jest dostatecznie duŝy. Maksymalne osiągi to ok. 20 kb/s. 1 0

11 Najczęściej spotykane kanały c.d. 2/ Specjalny kanał telefoniczny niektórzy operatorzy oferuja kanały o podwyŝszonej jakości. Szersze pasmo do khz/ 4 km, uzyskuje się poprzez lepszej jakości kable skrętkowe i stąd przepływności mogą być do 5X większe niŝ w kanale klasycznym. Niedogodnością są tzw. przesłuchy pomiędzy kanałami.

12 Najczęściej spotykane kanały c.d. 3/ Kanał radioliniowy lub satelitarny przy zastosowaniu nośnej o częstotliwościach mikrofalowych 4, 6 i 11 GHz i finezyjnych modulacjach wielowartościowych, w pasmach 20, 30 i 40 MHz 20 MHz 30 MHz 40 MHz 34 Mb/s 4 PSK 4 PSK 4 PSK 68 Mb/s 16 QAM 8 PSK 4 PSK 140 Mb/s 256 QAM 64 QAM 16 QAM 280 Mb/s 1024 QAM 256 QAM Typowa charakterystyka kanału radioliniowego ma kształt M Radiolinia jest bardzo kosztowna!!! f k f 12

13 Kanał satelitarny c.d. NajwaŜniejszym ogniwem jest pośrednicząca satelitarna stacja retransmitująca. Stacja ta, wyposaŝona jest w tzw. transpondery (odbiornik + nadajnik), znajduje się na pokładzie telekomunikacyjnego satelity geostacjonarnego (na wysokości ok km nad równikiem). Typowo satelita telekomunikacyjny odbiera z Ziemi sygnał na częstotliwości 4 GHz i nadaje z powrotem na częstotliwości 6 GHz. Pasmo kanału mikrofalowego wynosi 500 MHz i jest podzielone pomiędzy 12 transponderów. 13

14 Kanał satelitarny c.d. Jeden transponder stanowi kanał o szerokości pasma 36 MHz, który moŝna przykładowo wykorzystać do retransmisji 1200 kanałów telefonicznych, lub strumienia danych 50 Mbit/s. Największe zalety to szeroki obszar pokrycia bez konieczności budowy naziemnej infrastruktury. 14

15 Najczęściej spotykane kanały c.d. 4/ Kanał światłowodowy o tym juŝ było 5/ Radiowy kanał łączności ruchomej Zasadniczą cechą kanału tego typu są niestałe warunki propagacyjne i zjawisko odbioru wielodroŝnego. Dawniej kategorię tę tworzyła łączność radiotelefoniczna obecnie przykładem mogą być wyrafinowane sieci telefonii komórkowej. 15

16 MoŜliwości modulacyjne Podstawowe trzy: 1. ASK Amplitude-Shift Keying 2. FSK Frequency-Shift Keying 3. PSK Phase-Shift Keying Kombinowane wielopoziomowe: 4, 8 poziomowe PSK 16 lub więcej punktowa QAM 16

17 MoŜliwości modulacyjne c.d. ϕ 4 PSK 8 PSK 16 QAM KaŜdy punkt odpowiada jakiejś amplitudzie fali nośnej i jakiejś fazie w stosunku do fali wzorcowej. W ten sposób moŝna tworzyć alfabety wieloznakowe. 17

18 Szybkość transmisji Bity/sek [b/s] jeśli transmisja jest binarna Znaki/sek [Baud/s] jeśli transmisja jest wielopoziomowa alfabet jest wieloznakowy. 18

19 Jednostki informacji Bit: rozróŝnia 2 znaki (0,1) Dibit: rozróŝnia 4 znaki (00,01,10,11) Tribit: rozróŝnia 8 znaków Tetrada: rozróŝnia 16 znaków Oktet: rozróŝnia 256 znaków (bajt) 19

20 Właściwości sygnału informacyjnego P(f)/ f gęstość widmowa mocy 1 1 sin π π f f T T 2 -T/2 T/2 t 1/T 2/T 3/T f Widmo impulsu prostokątnego 20

21 Widmo impulsów o całkowitych krotnościach czasu trwania T sin T f T f π π 2 2 sin T f π T 2T 3T 21 1/T 1/2T 2/3T 1/3T 2 sin T f T f π π 2 T f π f P(f)/ f

22 u(t) u(t) Źródło strumienia danych zegar szeregowy T Rejestr PISO Dane równoległe zegar szeregowy Częstotliwość zegara szeregowego: Dane szeregowe 1 f = clk T NRZ t 22 u H u L T T T T T T T T Sygnał reprezentujący dane szeregowe t

23 Losowość strumienia danych Zakładając sygnał binarny, niezaleŝność kaŝdego bitu oraz prawdopodobieństwa apriori: P 0 =P 1 =1/2 Dla dwóch sąsiednich bitów zachodzi: P 11 =P 00 =1/4 ; Dla tribitu zachodzi: P 111 =P 000 =1/8 23

24 Właściwości sygnału informacyjnego u(t) u H u L Sygnał binarny unipolarny t Składowa stała U śr = 1 1 t t 1 0 t t 0 u ( t) dt = n uh 24

25 Właściwości sygnału informacyjnego c.d. u(t) u H t u L Sygnał binarny bipolarny t U 1 1 śr = u t t t 0 ( t) dt = n ( u ) H ul ul Składowa stała zaleŝy od n! 25

26 Właściwości sygnału informacyjnego c.d. P(f)/ f Przebieg krzywej widmowej 1/3T 1/2T 2/3T 1/T f Moc zawarta pod krzywą: P s f = 1 f 0 P ( f ) df 26

27 Właściwości sygnału informacyjnego c.d. MoŜliwość odtworzenia dyskretnej skali czasu czyli taktu zegarowego. Kłopotliwe są długie ciągi sygnału, w których nie występują zbocza! MoŜliwe są logiczne operacje na ciągu binarnym w celu modyfikacji wszystkich wymienionych parametrów sygnału informacyjnego! 27

28 Kodowanie róŝnicowe y n a n D Q y n = a y n n 1 clk Koder Do strumienia danych a n sumuje się (suma modulo 2) wyjściową wartość poprzedzającą y n-1. Długi ciąg jedynek zostaje przedzielany zerami. Długi ciąg zer pozostaje bez zmian.

29 Dekodowanie róŝnicowe y n D Q x n lub y n D Q x n clk clk Dekoder Dekoder x = n = yn yn 1 = an yn 1 yn 1 a n lub dla y n x = n = yn yn 1 = an yn 1 yn 1 = an yn 1 yn 1 a n 29

30 Kodowanie róŝnicowe właściwości Funkcję sumy realizuje bramka EXOR Prostota Nie zwiększa strumienia danych Dane są dekodowane prawidłowo niezaleŝnie do tego, czy kanał odwraca fazę czy nie odwraca!! Modyfikuje długi ciąg 1 Nie zmienia długiego ciągu 0.

31 Inne metody kodowania wstępnego - Skrambling Jest specjalną techniką kodowania, z uwagi na prostotę i skuteczność, powszechnie spotykaną w wielu aplikacjach. Technika kodowania jest oparta na sumowaniu ciągu danych informacyjnych z ciągiem pseudolosowym: y n = a n p n Gdzie p n jest ciągiem pseudolosowym a operator oznacza sumę modulo 2 (exclusive or). a n p n a n p n

32 Technika dekodowania następuje przez powtórne dodanie do danych kodowanych (skramblowanych) identycznego ciągu pseudolosowego. z = y p = a p p = n n n n n n a n a n y n y n kanał a n p n skrambler p n deskrambler 32

33 Tabela dekodowania a n p n a n p n a n p n p n

34 Generacja ciągu pseudolosowego - PRBS Rejestr przesuwny zegar x 0 x 1 x 2 x 3 x 4 y n Sekwencja pseudolosowa to wynik operacji, którą moŝna zapisać w postaci wielomianu: y n = 1 x x 4 Struktury odpowiadają tzw. wielomianom pierwszym (pierwotnym) stopnia N (N liczba przerzutników). 34

35 Wielomian pierwszy (analogią są liczby pierwsze) Wielomian stopnia N nazywamy pierwszym, jeśli: Jest nieredukowalny, Jest podzielnikiem wielomianu 1 2 N-1, Nie jest podzielnikiem Ŝadnego wielomianu stopnia niŝszego niŝ 2 N -1. Sekwencja PRBS generowana w rejestrze o strukturze odpowiadającej wielomianowi pierwszemu zawsze jest taka sama, nie zaleŝy od stanu początkowego i ma długość 2 N

36 Skrambler i deskrambler samosynchronizujący a n y n y n a n x x 2 x 3 x 4 x x 2 x 3 x 4 skrambler deskrambler Jest to struktura oparta o wielomian: 1+x+x 4 Inne przykłady wielomianów pierwszych uŝywanych w skramblerach: 1+x 6 +x 7 (w sieciach SDH) 1+x 4 +x 9 ; 1+x 5 +x 9 ; 1+x 7 +x 10 ; 1+x 9 +x 11 ; 1+x 14 +x 15 ; 1+x 18 +x 31 ; 36

37 Skrambling podsumowanie właściwości Prostota realizacji (+++) Wysoka skuteczność dla długich sekwencji 0 lub 1 (++) Nie wymaga poszerzenia pasma w kanale (++) Utajnia (szyfruje) dane (+) Małoprawdopodobne, ale moŝliwe pogorszenie cech strumienia danych (-) Powielanie błędów detekcji w deskramblerze (---) 37