Transmisja cyfrowa i analogowa

Transkrypt

1 1

2 Transmisja cyfrowa i analogowa 2

3 Istnieją dwa odmienne sposoby przesyłania dowolnej informacji przez łącza radiokomunikacyjne: transmisja analogowa i transmisja cyfrowa. Transmisja cyfrowa w najprostszym wydaniu oznacza, że przesyłany jest ciąg impulsów dwustanowych typu tak/nie, podobnie jak w komputerach. Sygnały te, zwane bitami, mogą być transmitowane przy współczesnych technologiach w szerokim zakresie szybkości, nawet powyżej kilkadziesiąt Mb/s. 3

4 Transmisja analogowa oznacza, że są przesyłane sygnały o ciągłym widmie częstotliwości, takim jak głos, dźwięk lub światło. Większość istniejących łączy radiokomunikacyjnych, po których są przesyłane dane na najniższym poziomie infrastruktury, jest przeznaczona do transmisji analogowej, a nie cyfrowej. 4

5 Istnieje wiele parametrów charakteryzujących przydatność łączy telekomunikacyjnych do transmisji danych. Przepływność kanału radiowego Szerokość pasma Prędkość transmisji Stopa błędów Poziom szumu w kanałe 5

6 Przepływność kanału radiowego 6

7 Przepływność torów teletransmisyjnych (do niedawna oznaczana jako przepustowość kanału i nadal jeszcze określana w ten sposób) zależy od typu łączy. Łącza do transmisji cyfrowej są projektowane na określoną szybkość przesyłama wyrażoną w bitach na sekundę (b/s). Przydatność łącza analogowego do pracy z różnymi szybkościami jest charakteryzowana szerokością pasma. 7

8 Szerokością pasma jest różnica między górną a dolną częstotliwością pasma, które kanał jest zdolny przenieść z nierównomiemością nie gorszą niż 3 db. Szerokość pasma jest wyrażona w hercach (Hz, khz, MHz, GHz, THz). 8

9 Przepływnością kanału (przepustowością) nazywamy zdolność kanału do przenoszenia informacji binarnej, to znaczy określenia, ile bitów danych można przesłać w ciągu 1 sekundy przez konkretne medium transmisyjne. Przepływność binarna jest wyrażana w bitach na sekundę (b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s). 9

10 Dzięki odpowiedniej modulacji sygnału przepływność kanału, wyrażona w bitach na sekundę, jest zwykle kilkakrotnie wyższa od szerokości pasma tego kanału, wyrażonej w hercach. Do obliczania przepływności kanału z uwzgłędnieniem liczby M zmian zmodułowanego sygnału (np. poziomów napięcia) stosuje się prawo Nyquista.! 10

11 Prawo to w postaci: P = 2B log2 M określa przepływność P kanału w zależności od szerokości pasma B oraz liczby różnych stanów charakterystycznych sygnału M i zależy od przyjętego sposobu modulacji informacji. Harry Nyquist

12 Maksymalna teoretyczna przepływność kanału jest ograniczona prawem Shannona, które jest fundamentalnym prawem transmisji danych. Prawo to w postaci: P = B log (1 + 2 S N ) określa maksymalną przepływność P kanału w zależności od szerokości pasma B oraz stosunku mocy sygnału S do mocy szumu termicznego N i nie zależy od przyjętego sposobu modulacji informacji. 12

13 Stosunek sygnału u do szumu Signal to noise rario. P = B log (1 + 2 SNR) SNR = 10 log10 db P P s n 13

14 Rozpatrzmy przykład. Przepuśćmy, iz widmo kanałowe leży w przydziale od 3 do 4 MHz, zaś stosunek sygnału do szumu (SNR) wynosi 24 db. Wówczas: B = 4MHz-3MHz=1MHz, (SNR)=24db=10 log 10 (SNR) SNR=251 Zastosujmy prawo Shannona: P=10 6 log 2 (1+251) = 8Mbit/s Jest to granica teoretyczna i osiągnąć ją jest niemożliwie. 14

15 Więc granica teoretyczna wynosi: P=10 6 log 2 (1+251) = 8Mbit/s Załóżmy jednak, iż osiągneliśmy ją. Ile według prawa Nyquista wtedy będzięmy potrzebowali poziomów (stanów) sygnału? P=2B log 2 M, = log 2 M, 4 = log 2 M M=16 15

16 Shannon Claude Elwood - matematyk i inżynier amerykański. Członek Narodowej Akademii Nauk w Waszyngtonie i Amerykańskiej Akademii Umiejętności w Bostonie. Profesor Massachusetts Institute of Technology w Cambridge (od 1956). Jeden z twórców teorii informacji. Od 1941 w Bell Telephone Laboratories prowadził badania w zakresie warunków przenoszenia informacji, 1948 opracował metodę ilościowego jej wyrażania. Podstawowa praca: Mathematical Theory of Comunication (1949). 16

17 Modulacja 17

18 Modulacja stosowana w radiokomunikacji jest procesem konwersji informacji cyfrowej na postać analogową, która może być transmitowana przez lącza radiowe. W radiokomunikacji proces ten zachodzi w radiomodemach działających na zasadzie emisji ciągłej, sinusoidalnej fali nośnej, której parametry są modyfikowane odpowiednio do wartości posyłanych danych. 18

19 Recall: Dig Comm Principle Analog message Digital code Digital message modulate AM Sinusoidal carrier FM PM AM & PM 19

20 Modyfikacja wejściowym sygnałem cyfrowym jednego z trzech parametrów opisujących idealną sinusoidę fali nośnej: amplitudy, częstotliwości oraz fazy, umożliwia uzyskanie wielu punktów charakterystycznych sygnału nośnej, zwanych konstelacją. 20

21 Przejścia pomiędzy kolejnymi stanami charakterystycznymi w konstelacji noszą nazwę momentów znamiennych, a przedział czasowy między nimi nazywany jest elementem modulacji. 21

22 Szybkość modulacji a szybkość transmisji 22

23 Jednostką miary szybkości modulacji jest bod (baud), określający maksymalną liczbę zmian momentów lub stanów charakterystycznych w czasie l sekundy. Dla sygnałów telegraficznych o dyskretnym przebiegu czasowym wyróżniane są tylko dwa stany charakterystyczne i dla takich sygnałów szybkość modulacji jest równoważna z przepływnością binarną (l bod = l b/s). 23

24 We współczesnych modemach jeden stan charakterystyczny w konstelacji niesie informację o większej liczbie bitów wejściowych (2, 4, a nawet 8 bitów informacji), zatem na l bod przypada więcej bitów informacji, co odpowiednio zwiększa przepływność binarną kanału. 24

25 Baudot Jean Maurice Émile ( ), wynalazca francuski. Od jego nazwiska pochodzi nazwa jednostki szybkości transmisji sygnałów - bod. 25

26 Szybkość transmisji kanału jest określana liczbą przesyłanych bitów informacji binarnej w czasie l sekundy przez kanał telekomunikacyjny, przy wymaganej i ustalonej stopie błędów. (Dla różnych nośników informacji przewiduje się różne stopy błędów transmisji). 26

27 Maksymalna teoretyczna szybkość transmisji (przepływność binarna) przez kanał telekomunikacyjny jest ograniczona szerokością pasma i zgodnie z prawem Shannona nie zależy od typu przyjętej modulacji sygnału. 27

28 Zaawansowane systemy modulacji, oparte na wielowartościowym kodowaniu M-ary (do 8 bitów na jeden element modulacji), a także na wielowymiarowej interpretacji fali nośnej (do 4 wymiarów), umożliwiają nawet kilkunasto krotne zwiększenie przepływności binarnej konkretnego kanału. 28

29 29

30 Wzrostu przepływności kanału nie należy wiązać z kompresją informacji wejściowej, która pomimo że podnosi efektywną szybkość przekazu, nie jest związana z parametrami fizycznymi toru przesyłowego, lecz z większym upakowaniem informacji wejściowej. 30

31 Baud Rate a Bit Rate Szybkości modulacji Szybkość transmisji 31

32 1 0 Baud Rate a Bit Rate 2 amplitudes (signals), 1 bit/baud amplitudes (signals), 2 bits/baud amplitudes (signals), 3 bits/baud 32

33 33

34 Możliwość modulowania fali nośnej przebiegiem o liczbie stanów większej niż 2 nazwano modulacją wielowartościową (M-ary). Przesłanie duobitów (2 bity informacji) wymaga czterech stanów charakterystycznych fali zmodulowanej i określana jest modulacją czterowartościową. Modulacja przy użyciu trójbitów (8 kodów) nosi nazwę modulacji ósmiowartościowej, a przęsła nie takich sygnałów wymaga 23-8 możliwych stanów charakterystycznych fali nośnej. 34

35 Skuteczność widmowa 35

36 Parametr skuteczności widmowej BF (Bandwidth Efficiency) wskazuje, jak wiele bitów informacji cyfrowej można zakodować (przesłać) w określonym paśmie częstotliwości. Zasadniczy wpływ na skuteczność widmową, rozumianą jako stosunek szybkości transmitowanych bitów (w b/s) do zajmowanej szerokości pasma (w Hz) w kanale transmisyjnym, ma przyjęty sposób modulacji, szczególnie istotny dla uzyskiwania wysokich przepływności w ściśle ograniczonym paśmie. 36

37 Skuteczność widmowa jest wyrażana w bitach na sekundę na herc (b/s/hz). Na przykład: przesłanie pełnego kanału El (2048 kb/s) przy modulacji QPSK o skuteczności l,5 b/s/hz wymaga pasma o szerokości 1,4 MHz zamiast 2,048 MHz. Do najbardziej skutecznych zaliczają się modulacje z kodowaniem: 2B1Q (Two Binary One Quarternary), CAP (Carrierless Amplitude and Phase) i DMT (Discrete Multi-Tone). 37

38 38

39 Wydajne modulacje umożliwiają nawet kilkakrotne zawężenie pasma przy zadanej przepływności binarnej kanału, jednak ze względu na określony wymagany stosunek sygnału do szumu S/N w konkretnym medium transmisyjnym skuteczność widmowa nie może rosnąć nieograniczenie. 39

40 Efektywność transmisji Segmentowanie informacji wejściowej pred transmisją na bloki danych wymaga dołączenia dodatkowych informacji sterujących do każdego transmitowanego bloku informacji nie przenoszących treści użytkowej. 40

41 Im więcej sygnałów sterujących i synchronizacyjnych znajduje się w samodzielnym bloku informacji, tym niższa jest efektywność wykorzystania transmisji określanej jako stosunek liczby bitów informacyjnych do całkowitej liczby przesyłanych bitów. Z kolei im dłuższy jest ciąg transmitowanych informacji (pakiet, ramka, komórka, znak), tym wyższa efektywność transmisji. 41

42 Najniższą efektywnością (ok. 70%) cechuje się asynchroniczna transmisja znakowa, powszechnie stosowana w modemach. Narzut na sterowanie w protokole pakietowym VoFR (Voice over Frame Relay) wynosi dodatkowo tylko 6 bajtów na każde 64 bajty danych użytkowych (efektywność 91%), natomiast dla sieci internetowych z przekazem VoIP narzut wzrasta już do 28 bajtów (efektywność transmisji ok. 70%). 42

43 Kasowanie echa Stosowana w najnowszych technologiach cyfrowych (ISDN, GSM, DCS) funkcja kasowania echa w łączu telekomunikacyjnym ma na celu maksymalne wykorzystanie pasma do transmisji dupleksowych prowadzonych przez łącza jednotorowe (przewodowe, radiowe). 43

44 Inteligentny, adaptacyjny układ kasowania echa, znajdujący się w urządzeniu końcowym i oparty na procesorze sygnałowym DSP (Digrtal Signal Procesor), sam rozpoznaje właściwy kierunek transmisji, a przez odpowiednią kompensację eliminuje z toru przesyłowego szkodliwe sygnały pochodzące z: niezrównoważenia rozgałęznika liniowego, zmiennych w czasie parametrów linii, zbędnych przeników i przesłuchu między różnymi kierunkami transmisji. 44

45 45

46 Technika preplotu 46

47 Technika pizeplotu (interleaving), stosowana zwykle w nadajnikach radiowych (naziemnych i satelitarnych) i skojarzona z operacja rozplotu (deinterleaving) używaną przy odbiorze sygnału, polega na rozpraszaniu występujących blisko siebie paczek błędnych bitów w strumieniu informacji - na znacznie szerszy zakres informacji przesyłanej pizez ten sam kanał. 47

48 Dzięki temu uzyskuje się pojedyncze i rozproszone w czasie błędy, które mogą być identyfikowane i korygowane za pomocą kodowania nadmiarowego, eliminując wpływ zaników radiowych lub chwilowych spiętrzeń błędów wynikających z zakłóceń sygnału radiowego. Typowym kodem nadmiarowego zabezpieczenia transmisji szeregowej jest blokowy kod Hamminga. 48

49 Operacja przeplotu w nadajniku i towarzysząca jej operacja rozplotu w odbiorniku mają za zadanie rozproszenie ciągów występujących blisko siebie błędnych bitów, jakie mogą się pojawić na wejściu dekodera kanałowego w odbiorniku. Takie grupy błędów, zwane paczkami błędów (ang. error burst) mogą być powodowane własnościami kanału fizycznego (np. kanał z zanikami) lub działaniem kodu wewnętrznego w układzie, który stosuje tzw. kodowanie kaskadowe. 49

50 50

51 Przeplot polega na zmianie kolejności bitów pobieranych z wyjścia kodera kanałowego, według wcześniej ustalonej reguły, przed wysłaniem ich w kanał transmisyjny. 51

52 Na rysunku a) pokazano przykładowy ciąg siedmiobitowych słów kodowych A, B, C,... G, który generowany jest na wyjściu kodera kanałowego. Układ przeplotu zmienia jego kolejność tak, że powstaje ciąg binarny pokazany na rysunku b)., który następnie wysyłany jest w kanał. W układzie rozplotu przywracana jest początkowa kolejność bitów (rys. c). 52

53 Jeśli w kanale zdarzy się, na przykład, pięciobitowa paczka błędów, wówczas w układzie rozplotu błędy te zostaną rozproszone tak, że w dowolnym siedmiobitowym ciągu odebranym znajdzie się co najwyżej jeden błędny bit. 53

54 Jeżeli w układzie kodem zabezpieczającym przed błędami będzie, na przykład, kod blokowy Hamminga, wówczas zdoła on skorygować wszystkie pojedyncze błędy występujące w ciągu danych, ale nie zdołałby skorygować paczki błędów gdyby w systemie nie zastosowano przeplotu. 54

55 Przeplot blokowy W nadajniku bity z wyjścia kodera są zapisywane do tablicy dwuwymiarowej w założonej kolejności. Najprostszym rozwiązaniem jest zapis w kolejnych wierszach tablicy. Po zapełnieniu tablicy następuje jej odczyt w innej kolejności np. w kolejności kolumn. W odbiorniku odebrany ciąg jest zapisywany do analogicznej tablicy (tablicy rozplotu) dokładnie w taki sposób, w jaki następował jego odczyt z tablicy przeplotu w nadajniku. 55

56 Można podać sekwencję adresów zapisu i odczytu z tablicy. Sekwencja adresowa i rozmiar tablicy tzw. głębokość przeplotu powinny być dobrane tak, aby zmienić charakter statystyczny powstałych w kanale błędów paczkowych i uczynić je jak najbardziej zbliżonymi do błędów niezależnych. Należy podkreślić kluczowe znaczenie synchronizacji dla poprawnego działania układu przeplotu. Tak więc często bity nadawane mają pewne krótkie słowo pełniące funkcję synchronizacyjną. 56

57 Opisaną powyżej zasadę przeplotu łatwo zrealizować w układzie tzw. przeplotu blokowego (wierszowokolumnowego). 57

58 Przeplot realizowany jest w macierzy o rozmiarze M N (na rysunku przyjęto M=4 oraz N=6). Symbole wpisywane są do macierzy kolumnami. Po zapełnieniu macierzy, odczyt odbywa się wierszami. 58

59 W układzie rozplotu zapis i odczyt maderzy odbywają się w sposób odwrotny. Dla każdej paczki K przekłamanych bitowi (N K), na wyjściu układu rozplotu pojawią się pojedyncze blędy oddzielone od siebie co najmniej M-1 bitami poprawnymi. 59

60 Niekorzystną konsekwencją zastosowania w układzie telekomunikacyjnym przeplotu jest wprowadzenie do łańcucha transmisyjnego dodatkowego opóźnienia. Całkowite opóźnienie wprowadzane przez układ przeplotu pokazany na rysunku wynosi (2MN-2M+2)T, gdzie T jest długością pojedynczego bitu. Ponieważ w praktycznych realizacjach zapis i odczyt macierzy przeplotu (lub rozplotu) odbywają się równocześnie, zarówno w nadajniku jak i odbiorniku potrzebne są po dwa moduły pamięci o rozmiarze M N każda; jedna z macierzy M N jest wypełniana podczas gdy druga jest odczytywana. 60

61 Przeplot splotowy Przykładowy schemat realizacji przeplotu i rozplotu splotowego. Ciągi binarne są wprowadzane szeregowo na kolejne wejścia grupy B rejestrów opóźniających o wzrastającej długości. 61

62 W układzie przeplotu pierwszy rejestr ma opóźnienie zerowe, drugi opóźnia o M taktów, trzeci o 2M taktów i tak dalej, wreszcie ostatni o (B-1)M taktów. Sygnały wyjściowe z ostatnich komórek kolejnych rejestrów są podawane za pomocą komutatora szeregowo na wyjście układu przeplotu. 62

63 Układ rozplotu działa identycznie jak układ przeplotu. Jedyną różnicą jest uporządkowanie grupy rejestrów opóźniających począwszy od rejestru o długości (B-1)M komórek, a kończąc na opóźnieniu zerowym. 63

64 Tu również kluczowe znaczenie ma synchronizacja. Sprowadza się ona do synchronicznego przełączania komutatorów w nadajniku i odbiorniku tak, aby opóźnienie łączne w każdej równoległej gałęzi pomiędzy wejściem przeplotu a wyjściem rozplotu było stałe i wynosiło (B-1)M. 64

65 Dziękuję za uwagę 65