Sygnały, media, kodowanie

Transkrypt

1 Sygnały, media, kodowanie Warstwa fizyczna Częstotliwość, widma, pasmo Pojemności kanałów komunikacyjnych Rodzaje danych i sygnałów Zagrożenia transmisji Rodzaje i charakterystyka mediów Techniki kodowania Techniki modulowania Techniki Kodowania 1. Dane cyfrowe, sygnał cyfrowy 2. Dane analogowe, sygnał cyfrowy (telekomunikacja) 3. Dane cyfrowe, sygnał analogowy 4. Dane analogowe, sygnał analogowy 1

2 Dane cyfrowe, sygnał cyfrowy sygnał cyfrowy ynieciągłe impulsy napięcia ykażdy impuls jest elementem sygnału ydane binarne zakodowane jako elementy sygnału Pojęcia podstawowe(1) jednobiegunowe ywszystkie elementy sygnałowe mają ten sam znak dwubiegunowe ystany logiczne są odwzorowane na elementy sygnałowe dodatnie i ujemne Szybkość transmisji yszybkość przekazywania danych w bitach na sekundę czas trwania, długość bitu yczas potrzebny do transmisji jednego bitu 2

3 Pojęcia podstawowe (2) Szybkość modulacji yszybkość zmian stanów sygnału ymierzona w baud = liczba elementów sygnałowych na sekundę Mark i Space ybinarne 1 i binarne 0 Rozpoznawanie sygnałów Co trzeba znać? ypołożenie w czasie - gdzie się zaczynają i gdzie kończą ycechy sygnałów, np. poziomy Elementy decydujące o poprawności rozpoznawania sygnałów ywspółczynnik sygnał/szum = S/N yszybkość transmisji ypasmo sygnału 3

4 Porównanie metod kodowania (1) Wykorzystane pasmo częstotliwości yeliminacje wysokich częstotliwości ogranicza wymagane pasmo ybrak składowej stałej pozwala stosować transformatory i zapewniać izolację yskoncentrować moc sygnału w wąskim paśmie przekazywanie sygnału zegara ysynchronizacja odbiornika z nadajnikiem osobnym sygnałem yzewnętrzny zegar ysynchronizacja oparta na cechach samego sygnału Porównanie metod kodowania (2) Wykrywanie błędów ymoże być elementem metody kodowania Odporność na zakłócenia i generowanie zakłóceń yindywidualne cechy kodów koszt i złożoność ywyższe szybkości transmisji są droższe 4

5 Przykłady kodów Bez powrotu do zera - poziom (NRZ-L) Bez powrotu do zera - INV (NRZI) Dwubiegunowy -AMI Dwubiegunowy-MLT3 Pseudoternary Manchester Manchester różnicowy B8ZS HDB3 Bez powrotu do zera - poziom (NRZ-L) Dwa różne napięcia dla bitów 0 i 1 Napięcie jest stałe w czasie 1 bitu ynie ma przejścia, powrotu do zera np. brak napięcia= 0, stałe dodatnie= 1 częściej dodatnie napięcie dla jednego i przeciwne dla drugiego bitu 5

6 Bez powrotu do zera - odwrócone (NRZ-I) Bez powrotu do zera odwrócone przy bicie = 1 Napięcie jest stałe w czasie 1 bitu stan bitu jest odwzorowany jako zmiana sygnału lub jej brak na początku okresu trwania bitu zmiana oznacza 1 brak zmiany oznacza bit 0 przykłady... NRZ 6

7 Kodowanie różnicowe Sygnał określa różnice między bitami a nie sam stan bitu Bardziej niezawodne wykrywanie zmian niż poziomów Przy złożonych modelach kodowania jest niebezpieczeństwo całkowitej utraty znaczenia danych NRZ wady i zalety Zalety yprostota realizacji ydobre wykorzystanie pasma Wady yskładowa stała ybrak mechanizmów synchronizacji Nie jest często stosowana w transmisji danych samodzielnie Często łączona z innymi technikami kodowania 7

8 Wielopoziomowe Użycie więcej niż dwóch poziomów Dwubiegunowy -AMI y Bit 0 to brak napięcia y Bit 1 to impuls dodatni lub ujemny y Impulsy są naprzemiennego znaku Dwubiegunowy - MLT3 y Bit 0 to sygnał bez zmian (kod różnicowy) y Bit 1 to impuls cyklicznie +1,0,-1,0,+1,0... Cechy y Synchronizacja przy ciągu zer jest tracona y brak składowej stałej w długich okresach y niskie pasmo częstotliwości y łatwe wykrywanie błędów Pseudoternary Bit 1 to brak napięcia Bit 0 to impuls dodatni lub ujemny Impulsy są naprzemiennego znaku porównywalny kod z dwubiegowym kodem - AMI 8

9 Dwubiegunowy-AMI i Pseudoternary Ocena kodów dwubiegunowych Nie są tak efektywne jak NRZ ykażdy element reprezentuje tylko jeden bit yw 3 poziomowym systemie może reprezentować log 2 3 = 1.58 bitu yodbiornik musi odróżniać trzy poziomy (+A, -A, 0) ywymaga ok. 3dB więcej mocy sygnału przy tym samym prawdopodobieństwie błędu Używane wraz z kodowaniem szyfrującym eliminującym utratę synchronizacji y4b5b w IEEE 802.3x 9

10 Dwufazowe Manchester y Przejście zawsze w połowie bitu y Zmiana oznacza dane i określa zegar y Zmiana w górę to bit 1 y Zmiana w dół to bit 0 y Używane u standardzie IEEE MB/s Manchester różnicowy y Przejście w połowie bitu do przekazania zegara nadajnika y Zmiana na początku okresu oznacza bit 0 y Brak zmiany oznacza bit 1 y jest to rodzaj kodowania różnicowego y Używane u standardzie IEEE Kodowanie dwufazowe wady i zalety Wady yczęste zmiany sygnału jedna lub dwie na każdy bit yszybkość modulacji dwa razy większa niż przy NRZ ywymaga szerokiego pasma Zalety ydobra synchronizacja i pewne przenoszenie sygnału taktującego nadajnika ybrak składowej stałej nawet w krótkich odcinkach czasu ywykrywanie błędów xbrak koniecznej zmiany w środku okresu 10

11 Szybkość modulacji Scrambling - Szyfrowanie Szyfrowanie wprowadzone jest po to, aby eliminować niepożądane układy bitów Idea szyfrowania i jej cel ymusi wymuszać zmiany zapewniające synchronizację ymusi być rozpoznawana przez odbiornik w celu przywrócenia postaci pierwotnej Eliminacja składowej stałej Eliminacja okresów stałości sygnału Nie może zmieniać szybkości transmisji Powinno zapewniać wykrywanie błędów 11

12 B8ZS Dwubiegunowe z zamianą 8-miu zer Oparte na dwubiegunowym-ami oktet zer i ostatni impuls dodatni kod jest oktet zer i ostatni impuls ujemny kod jest Narusza kod AMI dwukrotnie Mało prawdopodobne postanie takich naruszeń w wyniku zakłóceń Odbiornik zamienia takie układy na osiem bitów równych zeru HDB3 High Density Bipolar 3 Zeros Oparte na dwubiegunowym-ami Ciąg czterech zer zamieniony zostaje na jeden lub dwa impulsy 12

13 B8ZS and HDB3 Dane cyfrowe, sygnał analogowy System telefonii publicznej y300hz to 3400Hz yzastosowanie modemu (modulator-demodulator) Modulacja Amplitudy, Amplitude shift keying (ASK) Modulacja częstotliwości, Frequency shift keying (FSK) Modulacja Fazy, Phase shift keying (PK) 13

14 Techniki modulacji Modulacja Amplitudy Wartości są reprezentowane przez zmienną amplitudę nośnej wrażliwa na zmiany wzmocnienia nieefektywna do 1200bps w liniach telefonicznych używana w światłowodach 14

15 Modulacja częstotliwości Wartości są reprezentowane przez różne częstotliwości, zbliżone do nośnej Mniej wrażliwa na zakłócenia niż AM do 1200bps w liniach telefonicznych przekaz radiowy sygnały sieci LAN FM w liniach telefonicznych 15

16 Modulacja fazy PM Kąt fazy sygnału odzwierciedla wartości Różnicowa modulacja fazy yfaza sygnału oddaje różnicę miedzy daną wartością a poprzednią a nie samą wartość QPSK (MPSK) TCM Kombinacja modulacji fazy i amplitudy Każdy element sygnałowy reprezentuje więcej niż jeden bit y np. przesuwa fazę o N * π/2 (90 o ) y Modemy 9600b/s wykorzystują 12 kątów fazowych, dla czterech z nich są dwie amplitudy, razem 16 stanów => 4 bity (V.32) 9600 b/s = 2400 baud * log 2 (16) 16

17 Własności sposobów modulacji Własności sposobów modulacji Pasmo y Pasmo ASK i PSK jest bezpośrednio związane z prędkością transmisji w bps. y Pasmo FSK jest związane z xdla niskich częstotliwości z prędkością nadawania danych xdla dużych częstotliwości z odstępem (offsetem) pomiędzy częstotliwością modulowaną a nośną W obecności szumów, prawdopodobieństwo przekłamania w modulacji BPSK (i QPSK) jest około 3dB mniejsze niż w modulacji ASK i FSK. 17

18 Dane analogowe, sygnał cyfrowy Próbkowanie ykonwersja danych analogowych do danych cyfrowych ydane cyfrowe mogą być transmitowane przy użyciu NRZ-L ydane cyfrowe mogą być transmitowane przy użyciu NRZ-L ydane cyfrowe mogą być zamienione na analogowe ykonwersja Analogowo cyfrowa jest zrealizowana przy użyciu tzw. codec ów ymodulacja PCM (Pulse Code Modulation) ymodulacja Delta Pulse Code Modulation(PCM) (1) Jeżeli sygnał jest próbkowany ze stałą częstotliwością większą niż 2 razy największa częstotliwość sygnału, próbki zawierają wszystkie informacje o tym sygnale Jeśli mniej to możliwy aliasing zniekształcenie sygnału Głos ma pasmo ograniczone do poniżej 4000Hz Wymagają 8000 próbek na sekundę Z każdą próbką związana jest liczba y USA i Japonia 7 bitowa (56kbps) y Europa 8 bitowa (64kbps) 18

19 Pulse Code Modulation(PCM) (2) 4 bity dają tylko 16 poziomów sygnału Kwantyzacja y Błąd kwantyzacji (szum kwantyzacji) y SNR = 6 n - a [ db ], a Î ( 0, 1) y Jest oczywiste, że sygnału nie uda się odtworzyć dokładnie y Próg zrozumienia kształtuje się na poziomie ok. 35dB 8 bitowe próbki dają 256 poziomów Jakość porównywalna z transmisją analogową 8000 próbek na sekundę daje 64kbps Kodowanie nieliniowe Dla małych sygnałów SNR jest bliskie krytycznemu Poziomy kwantyzacji nie powinny być rozłożone równomiernie Zmniejszenie poziomu słyszalnych zniekształceń Podział y 1 bit znak y 3 bity strefa y 4 bity wartość 19

20 Modulacja Delta Sygnał analogowy jest aproksymowany przez funkcję schodkową Schodek w górę lub w dół (jeden poziom δ) przy KAŻDEJ próbce Nawet przy stałej wartości sygnału aproksymacja zmienia swoją wartość. Wtedy też następują najszybsze zmiany sygnału nadawanego CoDec i Modulacja Delta - przykład 20

21 Delta Modulacja - działanie Dane analogowe, sygnał analogowy Po co modulować sygnał analogowy? ywyższa częstotliwość efektywniejsza transmisja ymultipleksowanie z podziałem częstotliwości Typy modulacji yamplitudy yczęstotliwości yfazy 21

22 Modulacja analogowa Rozproszone pasmo Wysyłany sygnał ma zawsze postać cyfrową TDM FDM Zamiast nadawać w wąskim paśmie (żeby nikomu nie przeszkadzać) nadajemy w szerokim paśmie razem z innymi użytkownikami Wymagana spora moc obliczeniowa i odpowiedni sprzęt Skakanie po częstotliwościach y Sygnał jest rozpraszany poprzez zmienianie częstotliwości po nadaniu części sygnału Rozpraszanie kodowe (Direct Sequence) y Każdy bit jest reprezentowany przez wiele bitów w transmitowanym sygnale y Chipping code 22

23 Spread Spectrum Frequency Hoping Spread Spectrum 23

24 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 24