Wprowadzenie do telekomunikacji i teleinformatyki

Transkrypt

1 Studia Podyplomowe Instalacje telekomunikacyjne i teletechniczne w budownictwie Wprowadzenie do telekomunikacji i teleinformatyki SŁAWOMIR KULA Instytut Telekomunikacji Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska Wszelkie prawa zastrzeżone Warszawa, październik 2017

2 Cel wykładu Zapoznanie słuchaczy z podstawowymi zagadnieniami telekomunikacji. Nabyta wiedza pozwoli im lepiej zrozumieć działanie systemów telekomunikacyjnych, także z punktu widzenia projektowania instalacji teletechnicznych. Program wykładu 1. Zdefiniowanie pojęć: telekomunikacji, informatyki i teleinformatyki. 2. Podział telekomunikacji pod katem rodzaju czynności, celu, usług, oraz realizacja techniczna usług. 3. Pojęcie wiadomości (informacji) i miary informacji. 4. Sygnały telekomunikacyjne, ich podział i opis. 5. Pojęcie widma sygnału. 6. Kodowanie sygnałów źródłowych. 7. Kodowanie bezstratne, kodowanie kompresyjne., kod Huffmana. 8. Kodowanie korekcyjne, zdolność kodu do wykrywania i korygowania błędów. 9. Kodowanie liniowe sygnałów elektrycznych i optycznych. 10. Podział sieci telekomunikacyjnych. 11. Systemy warstwy szkieletowej. 12. Systemy warstwy dostępowej. 13. Standaryzacja w telekomunikacji i teleinformatyce. 14. Organizacje standaryzacyjne o zasięgu światowym i regionalnym.

3 Telekomunikacja a informatyka Telekomunikacja to dziedzina działalności ludzkiej dotycząca przekazywania na odległość wiadomości za pośrednictwem sygnałów (zwykle elektrycznych). Informatyka to dyscyplina nauki i techniki zajmująca się zastosowaniem maszyn matematycznych Teleinformatyka to część telekomunikacji zajmująca się zdalnym użytkowaniem urządzeń informatycznych przez wielu użytkowników

4 Podział telekomunikacji z punktu widzenia czynności Technika przetwarzania (wiadomości na sygnał i odwrotnie) Technika przesyłania sygnałów (teletransmisja) Technika łączenia (komutacja) Podstawy telekomunikacji i teleinformatyki dla nie-inżynierów

5 Realizacja techniczna usług Sieci szkieletowe Sieci dostępowe USŁUGA Sieci budynkowe, mieszkaniowe i urządzenia końcowe

6 Co to jest sygnał? Sygnał to zależność od czasu jakiejś jednej albo wielu wielkości. Przykład 1: Zmiana w czasie prędkości samochodu jest sygnałem. Przykład 2: Zmiana zużycia paliwa wraz ze zmianą prędkości samochodu nie jest sygnałem. Przykład 3: Wynik kolejnych rzutów monetą nie jest sygnałem, ale jeżeli zwiążemy rzut monetą z konkretną chwilą czasu to wówczas zależność wyniku rzutu od chwili czasu jest sygnałem

7 Jaką postać mają wiadomości? znaki pisma mowa muzyka i inne dźwięki obrazy nieruchome obrazy ruchome dane alfanumeryczne sygnały i dane pomiarowe

8 Pojęcie i miary informacji

9 Co to jest informacja? Autoinformacja: I( x i ) log p Bit to miara informacji, gdy k=2, wówczas: k i I( x ) log 2 p n i i bitow

10 Co to jest informacja? Przykład : rzucamy monetą, z prawdopodobieństwem ½ wypadnie orzeł, albo reszka. Zatem wynik rzutu monetą jest informacją jednobitową: I( reszka) I( orzeł ) log log 1bit Można przypisać 1 wyrzuceniu orła i 0 wyrzuceniu reszki, albo odwrotnie, ale można tez przypisać O i R bit

11 Przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji

12 Podstawowy podział sygnałów telekomunikacyjnych Sygnały telekomunikacyjne analogowe dyskretne cyfrowe czas czas czas

13 Najpopularniejsze sygnały podstawowe Sygnał sinusoidalny (kosinusoidalny) czas t Impuls prostokątny czas t

14 Jak opisać sygnał sinusoidalny? Wzór: o A x( t) Asin(2 f0t o) Wykres: czas t amplituda A faza φ o częstotliwość f okres T pulsacja ω czas t - A T 0 1 f 0

15 Jak inaczej przedstawić informację o sygnale sinusoidalnym? amplituda A częstotliwość f faza f 0 częstotliwość f f 0 o

16 Impuls (-y) prostokątne A Unipolarny czas t т A Unipolarny T czas t A Bipolarny czas t

17 Jak opisać sygnał? Dziedzina częstotliwości Każdy sygnał okresowy można złożyć z sygnałów sinusoidalnych o różnych amplitudach, fazach i częstotliwościach będących wielokrotnością jego częstotliwości podstawowej. Każdy sygnał nieokresowy można przedstawić w postaci sumy nieskończenie wielu sygnałów sinusoidalnych o różnych amplitudach i fazach, których częstotliwości należą do zbioru liczb rzeczywistych.

18 Jak inaczej opisać sygnał? czas t T 1 f = czas t + czas t +

19 Widmo sygnału okresowego czas t T 1 f o amplituda faza częstotliwość f częstotliwość f Widmo amplituda Widmo fazowe

20 Widmo sygnału nieokresowego czas t widmowa gęstość mocy faza częstotliwość f częstotliwość f Widmo amplituda Widmo fazowe

21 Cyfryzacja sygnałów analogowych Próbkowanie Jeżeli szerokość pasma zajmowanego przez sygnał jest ograniczona to sygnał może być bezstratnie zastąpiony ciągiem jego próbek, pod warunkiem, że częstotliwość próbkowania spełnia zależność: f p 2B t f t B Sygnał analogowy Widmo Sygnał dyskretny

22 Cyfryzacja sygnałów analogowych Kwantowanie Kwantowanie to operacja polegająca na zastąpieniu rzeczywistych wartości próbek sygnału wartościami ze skończonego zbioru. Kwantyzacja zniekształca sygnał. Z sygnału skwantowanego nie można już powrócić do sygnału analogowego. amplituda poziomy kwantyzacji przed kwantyzacją błąd kwantyzacji t po kwantyzacji f skok kwantyzacji

23 Cyfryzacja sygnałów analogowych Kwantowanie Jeżeli liczba poziomów kwantyzacji jest skończona to każdy z nich może być reprezentowany za pomocą skończonej sekwencji bitów. Minimalna liczba bitów reprezentujących dany poziom zależy od liczby poziomów. amplituda t przed kwantyzacją błąd kwantyzacji po kwantyzacji f skok kwantyzacji

24 Cele przetwarzania sygnałów w telekomunikacji umożliwienie wypromieniowania energii sygnału, np. radiofonia, tory radiowe - wypromieniowanie fal radiowych jest możliwe dla częstotliwości powyżej 15 khz (rozmiary anteny) stworzenie warunków do jednoczesnego i niezależnego przesyłania wielu różnych sygnałów, tworzenie kanałów częstotliwościowych i czasowych do przesyłania wielu sygnałów przez to samo środowisko (tor teletransmisyjny) stworzenie warunków dogodniejszego przesyłania sygnałów, takie przekształcenie sygnału, aby sygnał - był odporny na zakłócenia, - umożliwiał detekcję i korekcję błędów, - znalazł się w paśmie wolnym od zniekształceń stworzenie warunków do poufnego przesyłania sygnałów, utajninianie, szyfrowanie

25 Kodowanie w telekomunikacji

26 Kodowanie w telekomunikacji Chcemy przesłać w ciągu jednej sekundy milion bitów o wartości logicznej 0. Najprostszym i najbardziej naturalnym rozwiązaniem jest przypisanie każdemu zeru impulsu o zerowej wartości napięcia. Czy jest to rozwiązanie optymalne? Odpowiedź nie, ponieważ: 1. Sprawdzając po stronie odbiorczej, jaki sygnał nadano, wiadomo, że były to zera, ale nie wiadomo ile ich było. 2. Zamiast wysyłać milion bitów lepiej wysłać informację milion zer. 3. Zakłócenia mogą spowodować przekłamania bitów.

27 Podział technik kodowania kodowanie sygnałów źródłowych w celu zmniejszenia objętości przesyłanych sygnałów kodowanie kanałowe (korekcyjne) w celu kontroli i korekcji błędów kodowanie liniowe (transmisyjne) w celu dopasowania sygnału do właściwości toru transmisyjnego

28 Kodowanie sygnałów źródłowych - sygnały kodowane sygnał mowy sygnały audio obrazy nieruchome wideo inne (np. medyczne)

29 Kodowanie kompresyjne danych Kompresja danych ma na celu: zmniejszenie ich objętości przed ich przesłaniem albo magazynowaniem, zwiększenie odporności na błędy, a zastosowane kodowanie musi być bezstratne.

30 Kodowanie kompresyjne danych Przykład Kod nieosobliwy Kod nieosobliwy, prefiksowy Tablica kodowania wiadomości elementarnych Sekwencja nadawanych cyfr Sekwencja bitów nadawanych Interpretacja w odbiorniku albo

31 Kodowanie kompresyjne danych Kod Huffmana Problem znalezienia kodu optymalnego a zarazem prefiksowego został rozwiązany i od nazwiska autora nazywany jest kodem Huffmana. Aby znaleźć kod Huffmana dla danego zbioru wiadomości elementarnych niezbędna jest wiedza o prawdopodobieństwach występowania tych zdarzeń w wiadomości, którą mamy przesłać.

32 Cel kodowania kanałowego i podział kodów Cel kodowania wykrywanie (detekcja) błędów korekcja błędów Podział kodów blokowe splotowe

33 Podstawowe parametry kodu minimalna odległość Hamminga Odległość d(a,b) między ciągiem bitów a i ciagiem bitów b określa na ilu pozycjach ciągi te różnią się między sobą. Przykład: a = ; b = , d(a,b)=2 współczynnik kodu (sprawność kodu) Sprawność kodu R określa ile bitów zakodowanych przypada na jeden bit informacyjny: Przykład: n=4, k=1, R=1/4 R k n

34 Podstawowe parametry kodu Dla każdego kodu obowiązują następujące zależność: t s d d min 2 min 1 1 gdzie: t maksymalna liczba korygowalnych błędów s maksymalna liczba błędów, które mogą być wykryte

35 Podstawowe parametry kodu Przykład: Ciągi informacyjne są dwubitowe i każdemu z nich jest przypisany ciąg kodowy (słowo kodowe): 00 - s 1 = s 2 = s 3 = s 4 = d min =3 Jeżeli odebrany będzie np. ciąg to odległości między nim a słowami kodowymi wynoszą: d(010000,s 1 )=1, d(010000,s 2 )=2, d(010000,s 3 )=4 d(010000,s 4 )=5. Najmniejsza jest odległość pierwsza. Odbiornik może skorygować odbierany ciąg. Jeżeli w odbieranym ciągu będą dwa błędy to tylko wykryjemy błąd, ale nie da się go skorygować.

36 Kody blokowe k k r ( ) KODER ( ) u v u - blok wejściowy (k-bitowy) v - blok wyjściowy (n bitowy, n=k+r) PODZIAŁ KODÓW kody blokowe z kontrolą parzystości kody blokowe cykliczne

37 Kody cykliczne CRC Niech G(x) oznacza wielomian wiadomości stopnia k, a P(x) wielomian generatora stopnia r (r=n-k). Algorytm tworzenia słowa kodowego 1. Pomnożyć wielomian G(x) przez x n-k 2. Podzielić otrzymany iloczyn G(x)x n-k przez wielomian generatora P(x) 3. Resztę R(x) z dzielenia dodać do iloczynu G(x)x n-k i utworzyć słowo kodowe C(x): C(x)= G(x)x n-k + R(x)

38 Zastosowanie kodów liniowych Stosowane w celu uzyskania pożądanych (z punktu widzenia toru lub kanału transmisyjnego) własności sygnału cyfrowego (binarnego) dopasować widmo sygnału do charakterystyki toru umożliwić wyłowienie przebiegu synchronizacyjnego (zegara) w każdym punkcie toru umożliwić nadzór nad jakością transmisji - wykrywanie błędów dla systemów przewodowych nie może być składowej stałej (transformatory) dla systemów światłowodowych musi być składowa stała

39 Przykłady kodów liniowych dla systemów przewodowych NRZ RZ AMI HDB-3 CMI

40 Przykłady kodów liniowych dla systemów światłowodowych nb mb B B I0 AMI II

41 Systemy warstwy szkieletowej i dostępowej

42 Model warstwowy sieci telekomunikacyjnych Sieć szkieletowa (transportowa) Sieć dostępowa Sieć dostępowa Sieć dostępowa

43 Model warstwowy sieci telekomunikacyjnych urządzenia: multipleksery, przełącznice, switche, rutery, modemy, regeneratory media transmisyjne: światłowody, kable miedziane, wolna przestrzeń

44 Systemy warstwy transportowej (szkieletowej) Analogowe FDM PDH (Plezjochroniczna Hierarchia Cyfrowa) SDH (Synchroniczna Hierarchia Cyfrowa) OTH (Optyczna Hierarchia Transportowa) SyncE (Synchroniczny Ethernet)

45 Systemy sieci szkieletowych SDH DWDM Sieci szkieletowe PDH SyncE

46 Systemy sieci dostępowych xdsl Wireless (radio) Sieci dostępowe HFC (CATV) FITL

47 Warianty dostępu do Internetu w Polsce rok 2011 WLAN 0,64 mln pozostałe 0,50 mln LAN-Ethernet 0,93 mln xdsl 3,81 mln 2G/3G 1,82 mln telewizja kablowa 2,31 mln

48 Warianty dostępu do Internetu w Polsce rok 2014 LAN-Ethernet 0,61 mln WLAN 0,82 mln pozostałe 0,34 mln xdsl 2,93 mln 2G/3G/4G 5,84 mln telewizja kablowa 2,47 mln

49 Dostęp do Internetu - Japonia

50 Organizacje standaryzacyjne

51 International Organization for Standardization ISO Trzy kategorie 168 członków (państw) 1. Członkowie z organizacjami krajowymi ( w Polsce PKN) 2. Członkowie bez organizacji krajowych: [1] 3. Członkowie subskrybenci (kraje o słabym rozwoju, korzystające ze standardów) 250 komitetów technicznych

52 International Electrotechnical Commission IEC Trzy kategorie 82 członków (państw) 1. Pełni członkowie 2. Członkowie o ograniczonych prawach 1] 3. Kraje współpracujące Współpracuje z ISO i ITU

53 International Telecommunication Union ITU 193 członków (państw) + organizacje prywatne Komisje ITU-R - radio (1927) ITU-T - telekomunikacja (1956) ITU-O - publikacje (1992)

54 European Telecommunications Standards Institute ETSI Trzy kategorie 1. Pełni członkowie z UE 2. Członkowie stowarzyszeni 3. Obserwatorzy Współpracuje z ISO i ITU ponad 800 członków z 82 państw

55 American National Standards Institute (ANSI) American Institute of Electrical Engineers (AIEE, now IEEE) American Society of Mechanical Engineers (ASME) American Society of Civil Engineers (ASCE) American Institute of Mining Engineers (AIME, now AIMMPE) American Society for Testing and Materials

56 Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE

57 Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE Student Members Graduate Student Members Members Society Affiliates Senior Members Fellow Members Honorary Members Life Members, Life Senior Members and Life Fellows

58 Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE Communications Society Ponad członków w 149 krajach

59 Polski Komitet Normalizacyjny PKN Powstał w 1924 roku. Od 1991 roku PKN (wówczas PKNMiJ) był stowarzyszony z Europejskim Komitetem Normalizacyjnym CEN i Europejskim Komitetem Normalizacyjnym Elektrotechniki CENELEC, a od 2004 roku jest pełnoprawnym członkiem obu tych organizacji