Systemy teleinformatyczne AiR 5r. wykład 3
Omówiliśmy poprzednio 4 procesy PCM - filtrowanie - próbkowanie - kwantyzacja - kodowanie dochodzi jeszcze kodowanie linii...
Kodowanie linii - zamiana na sygnały elektryczne Kodowanie to stosuje się po to by uniknąć błędu synchronizacji pod wpływem wystąpienia identycznej sekwencji z wzorem fazowania (clock-zegar) w strumieniu danych. Także aby zmniejszyć narastanie ładunku (pojemność) między parą kabli taką rolę odgrywa skrętka doprowadzenie do sygnału bipolarnego (zmiennego)
Kodowanie Manchester G.E. Thomas 1949 r. XOR zegar wzór fazowania 1 0 1 0 1 1 0 0 sygnał przykładowy kodowanie Manchester unipolarne kodowanie Manchester bipolarne IEE 802.3 1 0 1 0 1 1 0 0 eliminacja składowej stałej
Kod Manchester koduje: 1 na 01 0 na 10 Zmiana poziomu sygnału zawsze w połowie okresu sygnalizacji W odróżnieniu od innych kodów szybkość sygnalizacji kodu Manchester jest dwukrotnie większa niż szybkość transmisji Jego zastosowanie może wymagać ograniczenia szybkości transmisji lub długości łącza (większe tłumienie sygnałów o wyższych częstotliwościach). Kod Manchester jest kodem samosynchronizującym Można łatwo sposób ustalić takt strony kodującej (nadajnika)!
Kodowanie AMI bipolarne 2 kolejne jedynki to odwrócenie fazy! zawsze 2 jedynki mają odwrotną fazę nie ma naruszenia bipolarności zegar wzór fazowania 1 0 1 0 1 1 0 0 sygnał przykładowy kodowanie AMI 1 0 1 0 1 1 0 0
Naruszenie bipolarności BPV ogólnie niepożądane Kodowanie B8ZS wprowadza naruszenie bipolarności celowo (aby nie było za wielu zer) 2 kolejne impulsy są tej samej polaryzacji więc 4 następne są dodane extra jeśli 8 zer to 4 dodatkowe impulsy 1 0 0 0 0 0 0 0 0 same 0 B8ZS itd. lepsze wypełnienie dla synchronizacji 4-te 0 5-te 0 7-me 0 8-me 0 + - - + nie wprowadza dod. składowej stałej
Czyli w transmisji ważne: - aby nie było sygnałów unipolarnych, bo wtedy ładunek na linii - aby nie było za wielu zer utrata synchronizacji
Klasyfikacja sygnałów analogowe: nieprzerwane w dziedzinie czasu i amplitudy próbkowane: przerywane przyjmują dowolną wartość na osi czasu; na osi amplitudy kwantowane: nieprzerwane w czasie; przyjmują ściśle określone poziomy amplitudowe cyfrowe: dyskretne, czyli nieciągłe w czasie; nieciągłe w amplitudzie np. binarne (dwójkowe) czyli przyjmujące dwie określone wartości w określonych momentach (chwilach) czasowych; sygnał cyfrowy może mieć wartość amplitudy 0 [V] (niski potencjał), bądź +U [V] (wysoki potencjał), konwencja sygnałowi 0 [V] przypisuje się cyfrę "0", sygnałowi +U [V] cyfrę "1" (konwencja dodatnia, pozytywna).
Układy logiczne Dowolny układ logiczny może mieć n wejść i co najmniej jedno wyjście. Może realizować podstawowe, czy też bardziej złożone funkcje algebry Boole a. Niezależnie od konstrukcji wewnętrznej układu zależność pomiędzy stanem wyjścia układu, a stanami wejść można opisać: za pomocą tablicy prawdy analitycznie za pomocą wyrażenia algebraicznego wejścia Układ logiczny wyjście
Układy układy kombinacyjne układy sekwencyjne układy asynchroniczne układy synchroniczne
układem kombinacyjnym nazywamy taki układ cyfrowy, w którym stan wejść jednoznacznie określa stan wyjść układu układem sekwencyjnym nazywamy taki układ cyfrowy, w którym stan wyjść zależy od stanu wejść oraz od poprzednich stanów układu. układem asynchronicznym nazywamy taki układ cyfrowy, dla którego w dowolnym momencie jego działania stan wejść oddziałuje na stan wyjść. układem synchronicznym nazywamy taki układ cyfrowy, dla którego stan wejść wpływa na stan wyjść w pewnych określonych odcinkach czasu zwanych czasem czynnym, natomiast w pozostałych odcinkach czasu zwanych czasem martwym stan wejść nie wpływa na stan wyjść.
Układy kombinacyjne Sygnały (stany) wyjściowe są zdeterminowanymi funkcjami sygnałów (stanów) wejściowych. Wszystkie mogą być wykonane za pomocą urządzeń zwanych bramkami, które realizują działania algebry Boole`a w dziedzinie układów dwustanowych (binarnych). sumatory; komparatory; dekodery, kodery, transkodery;
Układy sekwencyjne Klasa zagadnień, które nie mogą być rozwiązane przez utworzenie kombinacyjnych funkcji bieżących stanów wejść, lecz wymagają znajomości poprzednich stanów Układy sekwencyjne przerzutniki rejestry liczniki
Tablica prawdy przedstawia zależność pomiędzy stanem logicznym wyjścia układu logicznego, a stanem na wejściach tego układu Dla układu o n wejściach ma on 2 n wierszy uwzględniających wszystkie możliwe kombinacje sygnałów wejściowych i odpowiadające im stany wyjścia (wejścia) wejścia A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 wyjście
Typowe zadania sekwencyjne to: zamiana szeregowego ciągu bitów (bity następują kolejno jeden po drugim) w równoległy zestaw bitów, zliczanie jedynek w danej sekwencji, rozpoznanie pewnego wzoru w sekwencji, wytworzenie jednego impulsu dla np. co czwartego impulsu wejściowego.
Do realizacji wszystkich wymienionych zadań konieczne jest zastosowanie jakiejś pamięci cyfrowej. Podstawowym urządzeniem pamięciowym jest przerzutnik bistabilny (ang. flip flop lub bistable multivibrator )
Bramka AND Y=A*B Wyjście bramki AND (czyli I) jest w stanie wysokim tylko wtedy, gdy obydwa wejścia są w stanie wysokim. Na przykład 8-wejściowa bramka AND będzie miała wyjście w stanie wysokim tylko wtedy, gdy wszystkie wejścia będą w stanie wysokim. + 5V S A S B - U B Tablica prawdy
Wyjście bramki OR (czyli LUB) jest w stanie wysokim, jeżeli któreś z wejść (lub obydwa) jest w stanie wysokim Narysowana bramka to 2-wejściowa bramka OR. W przypadku ogólnym bramki mogą mieć dowolną liczbę wejść Typowy układ scalony cztery bramki 2-wejściowe, trzy bramki 3-wejściowe lub dwie bramki 4-wejściowe Bramka OR Y=A+B S A + - 5V U B S B Tablica prawdy
Zmiana stanu logicznego na przeciwny (negowaniem stanu logicznego). "bramka" o jednym wejściu Zapis A lub A Inwerter (funkcja NOT)
NAND i NOR Funkcja NOT może być połączona z innymi funkcjami, tworząc NAND i NOR + - 5V U B S A S B + 5V - U B S A S B Z Y=A*B Y=A+B S
Exclusive-OR Exclusive-OR (XOR, czyli WYŁĄCZNE LUB) Wyjście bramki XOR jest w stanie wysokim, jeżeli jedno albo drugie wejście jest w stanie wysokim (jest to zawsze funkcja dwóch zmiennych). Inaczej, wyjście jest w stanie wysokim, jeżeli stany wejść są różne
Multipleksery Multiplekser łączy wiele wejść z jednym wyjściem. W dowolnej chwili jedno z tych wejść jest wybrane jako połączenie z wyjściem dane kanał
Multiplekser i demultiplekser - transmisja
Tablica prawdy demultipleksera blokada adres dane wy0 wy1 1G' 1A 1B 1Y0 1Y1 1 x x 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 na wyjściu nieadresowanym zawsze 1
Przerzutniki (układy sekwencyjne!) Przerzutniki są elementami grupy układów sekwencyjnych, których podstawowym zadaniem jest pamiętanie jednego bitu informacji Przerzutnik posiada co najmniej dwa wejścia i z reguły dwa wyjścia Typy przerzutników: RS D JK T
S R Q n Przerzutnik RS 0 0 Q n-1 0 1 0 1 0 1 1 1-0 0 na wejściu to wyjście takie jak poprzedni stan 2 bramki NOR
Zwielokrotnianie (multipleksowanie) w systemach analogowych i cyfrowych Systemy analogowe dla zwiększenia liczby kanałów wykorzystywały zwielokrotnienie częstotliwościowe, które wymagało rozszerzenia pasma kanału transmisyjnego - polegało ono na układaniu kolejnych kanałów kolejno na wyższej częstotliwości w odstępie szerokości kanału telefonicznego (równolegle). Każdy kanał miał dostęp do swojej częstotliwości Inna możliwość w tych systemach nie była możliwa, gdyż sygnał analogowy ograniczony w jakimś paśmie wysyła niepoliczalną liczbę informacji o tym paśmie Nie da się jej wysyłać w odstępach czasu (szeregowo) - to powodowałoby utratę danych.
Systemy cyfrowe przesyłają ograniczoną liczbę danych przyspieszanie sygnału przed zwielokrotnieniem wysłanie w tej samej jednostce czasowej większej liczby danych uporządkowanych w szczeliny czasowe TDM Time Division Multiplexing
Metody zwielokrotniania - multipleksowania FDM podział częstotliwości TDM podział czasu WDM podział długości fali DWDM gęsty podział długości fali
Podział systemów z TDM W systemach teletransmisyjnych rozróżnia się dwa rodzaje zwielokrotnienia z podziałem czasu: zwielokrotnienie z przeplataniem bitów (bit po bicie) - np. systemy PDH (plezjochronous digital hierarchy).. wersja międzynarodowa sieć E (E1, E2 itd.) USA sieć T (T1, T2 itd.) plezjo = prawie zwielokrotnienie z przeplataniem bajtów (bajt po bajcie) - np. systemy SDH (synchronous digital hierarchy)
Systemy PDH plezjochroniczne ( prawie synchroniczne) Lata 70-te cyfrowe systemy teletransmisyjne oparte na modulacji kodowo - impulsowej PCM (Pulse Code Modulation), która przekształca sygnał analogowy na sygnał binarny. Sygnał telefoniczny o paśmie 4 khz przekształcony do cyfrowego o przepływności 64 Kb/s - sygnał DS0 Łącząc wiele kanałów PCM w jeden ciąg binarny o dużej przepływności za pomocą TDM (sekwencyjne przeplatanie bajtowe), dla 30 kanałów 64 kb/s można uzyskać np. kanał o przepływności 2048 kb/s.... czyli najpierw budowany jest kanał 2 Mb metodą bajt po bajcie..wyżej już bit po bicie.. jak samochody wjeżdżające z wielu ulic w jedną o tej samej szerokości co dojazdowe muszą jechać szybciej z przeplataniem
Hierarchia plezjochroniczna - PDH E T Europa sygnał DS0 USA
sygnały DS0 64 kb/s MUX multiplexer sygnał DS1 24 23... 2 1 32 31... 2 1 2Mb/s T1 E1 kierunek przesyłu TDM time division multiplexing
SYSTEM PDH - E1 międzynarodowy (Europa) Budowa strumienia 2 Mb/s (2 21 ) b/s = 2 13. 2 3. 2 3= 8000. 8b. 32 Informacje są przekazywane w postaci 8-bitowych pakietów informacji (256 stanów), Próbkowanie odbywa się z częstotliwością 8kHz, czyli co 125 µs, Ramka ma budowę 32 kanałową według zasady bajt po bajcie (30 kanałów użytecznych) - z dodanym bajtem wzoru fazowania ramki (FAW) i bajtem sygnalizacji dla szczelin czasowych.
Ramka 1 wieloramki strumienia 2 Mb/s kanał 1 kanał 2 kanał 16 kanał 30 0 1 2 16 17 30 31 słowo serwisowe (r.nparz.)-alarmy, CRC4 wzór fazowania (r.parz) X0011011 sygnalizacja 0 1 1 0 1 1 1 0 kanał 1 W ramce 2 kanał 2 kanał 16 W ramce 2 kanał 17 itd.
Ramka strumienia 2 Mb/s element wieloramki MF16 30 kanałów użytkowych 0 1 2.... 16 17.. 30 31 sygnalizacja! czasem zwykły kanał wszystko zależy do technologii 0 1 2 3 4 5 6 7 bajt 0 (szczelina 0) 8 bitów
.. a następnie na wyższych poziomach hierarchii odbywa się zwielokrotnienie plezjochroniczne przeplatanie bitów z dopełnianiem w przypadku niewielkiej różnicy częstotliwości) Wprowadzono kolejne poziomy zwielokrotnienia: 8.5 Mbit/s, (2 23 = 2 21 *4) 34 Mbit/s, (2 25 = 2 23 *4) 140 Mbit/s, najczęstszy system (2 27 = 2 25 *4) 565 Mbit/s. (światłowody - długość fali 1550 nm)
Każdy wyższy poziom składa się z czterech sygnałów niższego poziomu uzupełnionych o informacje sterujące = plezjochroniczna (prawie synchroniczna) hierarchia cyfrowa PDH. Zwielokrotniane są kanały 2 Mbit/s generowane przez różne urządzenia. Ich zegary różnią się nieznacznie miedzy sobą. Dla zapewnienia stałej przepływności sygnału, tzw. "przeplot" bitowy musi być uzupełniony przez dodanie pustych bitów = bity dopełnienia. Bity te są usuwane z sygnału zbiorczego podczas procesu demultipleksacji. Ten sam problem pojawia się na każdym poziomie zwielokrotnienia i za każdym razem wprowadza się bity uzupełniające.
bity wolniejsze ponieważ przeplatanie 1:1 to bity dopełniające J
Optical Line Termination Unit Transmisja w systemach PDH
bajt po bajcie bit po bicie z dopełnianiem podstawowy
E1 jest właściwie synchroniczny ale plezjochroniczna jest struktura sieciowa czyli wiele obwodów synchronicznych z różnymi zegarami!!!
USA system T1 multipleksacja razy 24
Systemy synchroniczne
SDH-Europa SONET - USA Synchronous Digital Hierarchy Synchroniczna Hierarchia Systemów Cyfrowych Technologia sieci transportu informacji, charakteryzująca się tym, że wszystkie urządzenia działające w sieci SDH, są zsynchronizowane zarówno do nadrzędnego zegara jak i do siebie nawzajem
PRC (Primary Reference Clock) - Pierwotny Zegar odniesienia. Jest to zegar, który wytwarza przebiegi wzorcowe dla całej sieci SDH. Wymaga się, aby zegar taki miał dużą stabilność częstotliwości i był niezawodny. Wzorce z cezu i rubidu
Synchronous Digital Hierachy Implementacja standardu SONET dla sieci telekomunikacyjnej dla krajów ITU/CCITT (International Telecomunication Union - Genewa) DS0 to 64 kb/s Znamy podstawowe DS1 (w Europie też czasem określane E1) ITU (Europa) system 2,048Mb/s (STM-N) 32x DS0 (E0) USA i Japonia 1,544Mb/s (STS-N) 24xDS0
System SDH - ITU Synchroniczna hierarchia cyfrowa, kolejne przepływności podstawowe SDH: - ramka STM - 1 155.5 Mbit/s -ponad 2000 kanałów tel. - ramka STM - 4 622 Mbit/s - ramka STM -16 2.48 Gbit/s -ramka STM - 64 9.95 Gbit/s ~300 000 kanałów telef. -ramka STM-256 ~ 40 Gbit/s)
Podstawowa europejska jednostka transportowa STM-1 Synchronous Transport Module Synchroniczny Moduł Transportowy W czasie zwielokrotniania ma przepływność, będącą N-tą wielokrotnością STM-1 (155,52 Mbit/s).
Budowa modułu transportowego STM-1 Moduł STM-1 składa się z 9 linii po 270 bajtów. W tym nagłówek SOH = 9*9bajtów. Przepustowość pojedynczego bajtu modułu to 64kb/s. Ramka STM-1 składa się z: pola danych Payload, nagłówka SOH (utrzymaniowy) informacja sterująca (umożliwia operatorowi sieci śledzenie toru i nadzór stopy błędów). bloku wskaźników PTR Pole Payload zawiera 9*261 bajtów (2349 bajtów). Służy ono do przenoszenia właściwych danych użytecznych.
270 bajtów 3 1 5 Moduł transportowy STM-1 Path Overhead Pole PAYLOAD składa się z wirtualnych kontenerów (tu są transportowane bity użytkowe)
9*270 *8 bitów * 8000 ramek/s =155,52 Mb/s 125e-6=8000
Nagłówek modułu STM-1 SOH dzieli się na dwie części: część RSOH, która stanowi zbiór danych sterujących i informacyjnych dla sekcji regeneratora sygnału część MSOH, która stanowi nagłówek dla multiplekserów Wskaźnik PTR składa się z trzech wskaźników po 3 bajty każdy. Są one umieszczone w linii 4. Blok wskaźników (PTR) służy do określenia położenia tzw. kontenera wirtualnego względem ramki STM. Co to jest kontener?
SDH definiuje pewną liczbę kontenerów odpowiadających istniejącym przepływnościom systemów plezjochronicznych PDH. Informacja przenoszona w sygnale plezjochronicznym ładowana jest do odpowiedniego kontenera. Inne ładunki do innych kontenerów Informacja wskaźnika PTR możliwia dotarcie do strumieni składowych kontenera wirtualnego, bez demultipleksacji całego sygnału, określenie przesunięcia fazowego kontenera w przypadku współpracy z systemem plezjochronicznym (wskazuje początek kontenera w stosunku do ramki STM-1).
Systemy SDH o większej niż STM-1 przepływności są tworzone przez zwielokrotnienie systemu 155.52 Mbit/s metodą przeplatania bajtowego.
Multiplexer SDH
E4 E3 E1 Interfejsy krotnicy synchronicznej
Sieci SDH są w dzisiejszych czasach jedynym sposobem na przesyłanie danych cyfrowych do odległych lokalizacji, pozwalają na odwzorowanie wielu typów sygnałów, o niższych przepływnościach, do struktur synchronicznych. Z usług SDH korzystają m.in. GSM, Internet Systemy SDH - zalety: wyższe przepływności (powyżej 1Gb/s) z zastosowaniem światłowodów synchroniczną transmisję zgodnie z głównym zegarem systemu o dokładności 10-11 większą niezawodność od innych ekonomiczniejszy dostęp do ładunku większy nacisk na zapobieganie błędom mniejszą podatnością na uszkodzenia wynikającą z budowy m.in. struktur pierścieniowych, możliwość automatycznej rekonfiguracji w czasie krótszym niż 50 ms
Inny standard - USA Ramka STS-1 Przesłanie ramki trwa 125µs - 8000 ramek/s (9*90)*8b*8000ramek/s=51840b/s = 51,84Mb/s Położenie ładunku użytecznego wewnątrz SPE (Synchronous Payload Envelope) jest określone przez wskaźniki H1 i H2 w Transport Overhehead
DSL
Do niedawna stosowane modemy były kłopotliwe tylko 3200 Hz szerokości pasma wymagały bardzo dobrego połączenia wymagały dużego współczynnika SNR - sygnału do szumu Stąd wynikły poszukiwania innych metod przesyłu sygnałów głosowych +danych z większą przepustowością oraz ich uodpornienia na zakłócenia
eksplozja Internetu DSL - Digital Subscriber Line - Cyfrowa Linia Abonencka. ADSL - lata 90-te większość ruchu do abonenta, a niewielki % od abonenta połączenie transmisji głosu i danych DSL korzysta ze starych łączy telefonicznych, nawet takich, co pamiętają jeszcze czasy Bell'a (XIX wiek).
DSL nośnik analogowy Potrzebne zatem kodowanie sygnału cyfrowego analogowym
Czyli można zmodulować sygnały cyfrowe (bity) wpuścić sygnał analogowy w kanały częstotliwościowe - Daje to poszerzenie pasma - zwiększenie prędkości transmisji
Historycznie.. technologia xdsl Początkowo korzystała: z trzech par skrętki telefonicznej do przesłania 2Mb/s, Następnie pojawiły się skuteczne metody, które umożliwiły budowanie łączy 2Mb/s za pomocą: dwóch par kabli telefonicznych - HDSL jednej pary kabli - SDSL Ostatnio realizuje się takie przepływności: standard ADSL do 20 Mb/s, VDSL ~52 Mb/s za pomocą jednej!!!! pary kabli
Początki w 1980 roku standard xdsl w rzeczywistości jest nazwą zbiorczą dla grupy standardów. Są to...
HDSL (High Bit-rate Digital Subscriber Line) - najczęściej jest wykorzystywany jako substytut dla łączy T1/E1. SDSL (Symmetric DSL) ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) jest najpopularniejszą wersją xdsl.
ADSL Prędkość transmisji od dostawcy do użytkownika końcowego (downstream) jest znacznie wyższa niż od klienta do dostawcy (upstream). Wynika to ze specyfiki korzystania z Internetu - z reguły więcej danych odbieramy niż wysyłamy. Typowe prędkości ADSL to: 1,5-8 Mb/s downstream (w Polsce obecnie TPSA do 20 Mb/s) 64 Kb/s - 1,5 Mb/s upstream Pasmo dzielone jest na: część szerszą, umożliwiającą pobieranie informacji część węższą, służącą do ich wysyłania Dlatego mówi się o rozwiązaniu asymetrycznym.
ADSL ma z siecią telefoniczną wspólny tylko niewielki odcinek kabla między abonentem a najbliższą centralą telefoniczną. Para modemów ADSL tworzy na tym odcinku połączenie stałe, przez które przesyłane są dane. W centrali specjalne urządzenie (splitter) odseparowuje dane od głosu. Głos jest transmitowany dalej za pomocą zwykłych kabli telefonicznych, dane zaś całkowicie opuszczają sieć telefoniczną i kierowane są odrębnym łączem ATM (lub FrameRelay lub Ethernet) bezpośrednio do sieci szkieletowej Internetu - tamtędy mogą trafić do docelowej centrali.
Używa się pasma znacznie szerszego niż 300-3400Hz, jakie jest stosowane do przenoszenia głosu rzędu od 6 khz ok 1100 khz. POTS pasmo od abonenta pasmo do abonenta 17 khz 68 khz 136 khz 136 khz 340 khz 680 khz 952 khz f 4 khz
Modemy ADSL do transmisji danych korzystają z zakresu od 26 khz do ok. 1,1 MHz. Zastosowanie konwersji sygnałów na wyższe częstotliwości wymaga stosowania dwóch specjalnych modemów dla każdego abonenta - jednego bezpośrednio u użytkownika w domu czy biurze, a drugiego w jego centrali telefonicznej ("półka"). Na każdym zakończeniu telefonicznego kabla miedzianego montuje się specjalne urządzenia: modem DSL po stronie Klienta kartę modemową po stronie centrali telefonicznej które oddzielają analogowy sygnał głosowy rozmowy telefonicznej od danych przesyłanych do i z Internetu.
IDSL - technologia DSL bazująca na podłączeniu ISDN. Wykorzystuje modulację 2B1Q i zapewnia prędkość do 128 Kb/s. VDSL (Very High Bit-rate Digital Subscriber Line) to standard dla mniejszych odległości, ale zapewniający przepustowość do 52 Mb/s. Jednak im wyższe częstotliwości zostają wykorzystywane do przesyłania informacji, tym szybciej są one tłumione w przewodach. Z tego powodu VDSL działa zaledwie na odcinkach dochodzących do 300 metrów. Dlatego też najpopularniejszym rozwiązaniem jest obecnie ADSL, choć może go zdetronizować już w niedalekiej przyszłości tańszy SHDSL.
TPSA