Transmisja cyfrowa (wprowadzenie do tematu) Jacek Jarnicki - Politechnika Wrocławska 1 Plan wykładu 1. Systemy transmisji danych ogólna charakterystyka 2. Zakłócenia jako źródło błędów w transmisji 3. Transmisja przewodowa 4. Transmisja bezprzewodowa 5. Przykład systemu transmisji danych telewizja cyfrowa Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 2 1
1. Systemy transmisji danych cyfrowych ogólna charakterystyka dane nadawane 11 1 koder, nadajnik kanał transmisyjny dekoder, odbiornik dane odbierane 11 11 losowe zakłócenia Media służące do przesyłania danych: prąd elektryczny (przewód metalowy) fala elektromagnetyczna (powietrze, próżnia) światło (ośrodek przezroczysty) Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 3 2. Zakłócenia jako źródło błędów w transmisji Powstawanie zakłóceń w kanale transmisyjnym: transmisja przewodowa pole elektromagnetyczne (przewód działa jak antena) transmisja bezprzewodowa - pole elekromagnetyczne (w kanale pojawiają się sygnały z innych źródeł ) Podstawowe parametry kanału transmisyjnego: stosunek sygnału do szumu szerokość pasma Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 4 2
Stosunek sygnału do szumu (Signal-to-noise ratio) : SNR= P signal P noise [db] t sygnał bez zakłóceń t t SNR - duży SNR - mały Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 5 Pasmo przenoszenia (Bandwidtch) : Analiza widmowa Zakres częstotliwości, w którym tłumienie sygnału jest nie większe niż 3 db. t sygnał przed przejściem przez kanał sygnał po przejściu przez kanał (szerokie pasmo) t sygnał po przejściu przez kanał (wąskie pasmo) t W transmisji przewodowej pasmo wynika z konstrukcji przewodu. W transmisji radiowej pasmo jest przydzielane na podstawie odpowiedniego prawa (kanał) Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 6 3
3. Transmisja przewodowa Przewody służące do przesyłania sygnałów działają niestety jak anteny, w efekcie czego do transmitowanych sygnałów dodają się sygnały zakłócające, powstające w wyniku oddziaływania pola elektromagnetycznego występującego wokół przewodu. Stosuje się różne sposoby redukcji zakłóceń: skręcanie żył (skrętka) specjalne konstrukcje przewodów (przewód koncentryczny) ekranowanie Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 7 Przykład transmisja różnicowa (differential transmission) skręcone cztery pary przewodów Wynalazca - Alexander Graham Bell (1881) Skręcenie żył wywołuje silniejsze sprzężenie elektryczne i magnetyczne pomiędzy przewodami, co pozwala na silniejsze powiązanie zakłóceń pojawiających się w poszczególnych żyłach. Pomysł pozwala na zbudowanie systemu transmisji różnicowej Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 8 4
Transmisja różnicowa zasada działania + z(t) + z(t) 2 - - skrętka + z(t) (- + z(t)) = 2 - - + z(t) zakłócenia są efektywnie usuwane zmniejszona jest jednak szerokość pasma Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 9 Transmisja różnicowa praktyczne rozwiązanie w systemie transmisji sygnału audio DRV134 - AUDIO BALANCED LINE DRIVER (BURR BROWN), (TEXAS INSTRUMENTS) INA134 - AUDIO DIFFERENTIAL LINE RECIVER (BURR BROWN), (TEXAS INSTRUMENTS) Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 1 5
4. Transmisja bezprzewodowa Pole elektromagnetyczne - układ dwóch pól, elektrycznego i magnetycznego F = q E + v B Fala elektromagnetyczne - rozchodzące się (z prędkością światła) zaburzenie pola elektromagnetycznego Przepływ prądu zmiennego w przewodzie powoduje powstanie pola elektromagnetycznego i fali elektromagnetycznej. Umieszczenie przewodu w zmiennym polu elektromagnetycznym powoduje pojawienie się w przewodzie prądu zmiennego Równania Maxwella 1861 (cztery równania) Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 11 Fale radiowe fale elektromagnetyczne o częstotliwości od 3 khz do 3 THz Nazwa Częstotliwość Długość fali Długie (LF) 3-3 khz 1-1 km Średnie (MF) 3-3 khz 1 km 1 m Krótkie (HF) 3-3 MHz 1 1 m Ultrakrótkie (VHF) 3-3 MHz 1 1 m Decymetrowe (UHF) 3-3 MHz 1 m 1 cm Centymetrowe (SHF) 3-3 GHz 1 cm 1 cm Milimetrowe (EHF) 3-3 GHz 1 mm 1 mm Submilimetrowe (THF) 3-3 GHz 1 mm 1 μm λ = c f λ[m] = 3 f[mhz] Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 12 6
Zastosowanie fal radiowych Nazwa Długie (LF) Średnie (MF) Krótkie (HF) Ultrakrótkie (VHF) Decymetrowe (UHF) Centymetrowe (SHF) Milimetrowe (EHF) Submilimetrowe (THF) Zastosowanie Radio, wzorce czasu Radio, nawigacja, żegluga, lotnictwo Radio, łączność (duże odległości) Radio, telewizja, łączność (małe odległości) Telewizja, telefonia komórkowa, sieci Wi-fi Radar, kuchenki mikrofalowe, komunikacja satelitarna Badania naukowe, astronomia, obronność Medycyna, obronność, przemysł Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 13 Transmisja radiowa jak działa system transmisji? antena nadawcza antena odbiorcza generator fali nośnej wzmacniacz filtr pasmowy wzmacniacz f t = Asin ωt + φ ω = 2πf f f f t = Asin ωt + φ f t = Asin 2πf t + φ amplituda częstotliwość faza Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 14 7
Anteny konstrukcja i wielkość anteny zależy od częstotliwości transmitowanego sygnału (duża częstotliwość mała antena) dwa przykłady konstrukcji anten: telefon komórkowy zawiera kilka anten antena krótkofalowa (Duga, Russian Woodpecker, 1976-1989), f = 7 do 19 MHz, P = 1 MW, wymiary anteny 15 x 5 m Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 15 Modulacja nanoszenie transmitowanego sygnału na falę nośną antena nadawcza antena odbiorcza generator fali nośnej modulator filtr pasmowy demodulator f t = Asin ωt + φ sygnał zmodulowany f f Modulacja amplitudy (AM) f t = [A + ]sin 2πf t + φ Modulacja częstotliwości (FM) Modulacja fazy (PM) f t = Asin 2π[f + ] t + φ f t = Asin 2πf t + φ[] Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 16 8
Wykresy wskazowe idea prezentacji przebiegów harmonicznych 1.5 A ω φ U -.5 φ -1-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 T = 1/ω f t = Asin 2πf t + φ Wektor wiruje wokół środka układu współrzędnych z prędkością ω (stan w chwili t = ) Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 17 Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska Modulacja sygnałami cyfrowymi stosuje się różne sposoby modulacji Modulacja PSK - Phase Shifting Keying 1 1 1 dane modulator PSK φ PSK sygnał zmodulowany antena fala nośna - Acos(ωt) Modulacja PSK polega na modyfikowaniu fazy fali nośnej w zależności od wartości transmitowanych bitów danych Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 18 9
Modulacja BSK Najprostszy przypadek modulacji PSK - modulacja BSK (Binary Phase-Shift Keying). Algorytm modulacji polega na przesuwaniu fazy sygnału fali nośnej według reguły opisanej wzorem: BSK U U cos t cos t gdy kodowane jest 1 gdy kodowane jest Fala nośna zmodulowana sygnałem 1 Fala nośna zmodulowana sygnałem Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 19 ω 1 Demodulator (w odbiorniku) ustala dla każdego kolejnego okresu odebranego sygnału, przesunięcie fazowe i podejmuje decyzję czy odebrano, czy 1. Wykres wskazowy ilustrujący ideę modulacji BPSK Modulacja QPSK Ideę modulacji fazy można rozszerzyć. W ten sposób można zbudować system pozwalający na transmisję większej liczby bitów (2, 3, 4, itd..) podczas przebiegu jednego okresu fali nośnej. Zwiększa to szybkość transmisji, lecz zmniejsza podatność na zakłócenia. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 2 1
(,) (1,) ω (,1) (1,1) Wykres wskazowy ilustrujący ideę modulacji QPSK (jeden okres fali nośnej pozwala na jedoczesną transmisję dwóch bitów). przesunięcie π/4 - (1,) przesunięcie 3 π/4 - (,) przesunięcie 5 π/4 - (,1) przesunięcie 7 π/4 - (1,1) Problemy: Ile bitów można skutecznie przesłać w trakcie jednego okresu fali nośnej? Czy przesyłaną informację można efektywniej zakodować używając także innego parametru fali nośnej, na przykład amplitudy A? Przykładowe systemy modulacji cyfrowej 64QAM 256QAM 11
5. Przykład systemu transmisji danych telewizja cyfrowa Technologia kodowania, transmisji i odbioru sygnału telewizyjnego w postaci cyfrowej. Telewizja cyfrowa dzięki zastosowaniu algorytmów kompresji obrazu i dźwięku (MPEG-2, MPEG-4) pozwala przesłać od 4 do 1 razy więcej programów telewizyjnych niż w przypadku telewizji analogowej dla pasma (kanału) o podobnej szerokości. Telewizja cyfrowa udostępnia użytkownikowi szereg dodatkowych funkcji: informację opisową o dostarczanych programach (EPG), automatyczne wyszukiwanie programów, Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 23 możliwość wyboru wersji językowej (kilka kanałów dźwiękowych) wyświetlanie napisów, kodowanie programów (telewizja płatna), inne (interakcja, blokada kanałów). Sygnał video Kompresja video Skompresowany sygnał video Sygnał audio Kompresja audio Skompresowany sygnał audio Dane Dane Telewizja cyfrowa mogła powstać dzięki opracowaniu efektywnych algorytmów kompresji danych. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 24 12
Telewizja analogowa a telewizja cyfrowa - porównanie Telewizja analogowa Telewizja cyfrowa Standardy NTSC, PAL, SECAM DVB, ATSC, ISDB Liczba programów 1 program na kanał Do 1 programów na kanał Jakość Odporność na zakłócenia Zadowalająca Niezbyt duża, sygnał bardzo podatny na różnego rodzaju zakłócenia Wysoka (HDTV, dźwięk przestrzenny itd.) Znaczna, sygnał w dużym stopniu zabezpieczony przed zakłóceniami powstającymi w torze transmisyjnym Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 25 3. Kodowanie dla potrzeb transmisji Sygnał video Kompresja i kodowanie Sygnał audio Kompresja i kodowanie Multiplekser Transport Kodowanie kanałowe Modulacja Dane sterujące Dane dodatkowe DVB-C DVB-S MPEG-2 DVB-T Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 26 13
DVB-S standard nadawania sygnału satelitarnego telewizji cyfrowej, (European Telecommunication Standard Organization, ETS Document ETS 3 421 ) Ogólny schemat procesu kodowania sygnału w nadajniku Dane MPEG-2 Randomizacja danych Kodowanie zewnętrzne Przeplot Kodowanie wewnętrzne Kształtowanie sygnału Modulacja QPSK Kanał transmisyjny Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 27 Blok 1: Randomizacja danych (scrambling) Strumień danych z kodera MPEG-2 składa się z pakietów o długości 188 bajtów. Pakiety poddaje się tzw. randomizacji aby rozproszyć energię sygnału i zabezpieczyć przed wysyłaniem pozornie niemodulowanej fali nośnej. Algorytm randomizacji polega na sumowaniu modulo 2 kolejnych bitów strumienia wejściowego z bitami sekwencji pseudolosowej o długości 153 bajtów. Sekwencja losowa tworzona jest przy pomocy zdefiniowanego w normie DVB wielomianu. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 28 14
Zasada działania układu randomizacji 188 B A V D T V D T V A Pakiety MPEG-2 ciąg zer i jedynek exor exor 1 1 1 1 1 1 1 Generator pseudolosowy Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 29 Blok 2: Kodowanie zewnętrzne (outer coding) Dane uzyskane w wyniku procesu randomizacji koduje się przy pomocy skróconego kodu Reeda-Solomona (RS 24,188, 8). W efekcie z pakietu o długości 188 bajtów powstaje pakiet składający się ze 24 bajtów. Dodatkowa informacja dołączona w wyniku kodowania zewnętrznego pozwala na poprawienia do 8 błędów w pakiecie o długości 188 bajtów. Zasada działania kodera Reeda-Solomona (przykład) Przesyłane są trzy bajty: 2 11 13 S 2 = 2*1+11*2+13*3 = 63 Algorytm R-S uzupełnia ciąg o dwa bajty: 2 11 13 26 63 S 1 = 2+11+13 = 26 Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 3 15
Podczas transmisji nastąpił błąd: 2 11 13 26 63 Oblicza się sumy: S 1 = 2+13+13 = 28 Następnie wyznaczane są: 13 S 2 = 2*1+13*2+13*3 = 67 Wartość błędu = 28 26 = +2 Pozycja błędu = (67 63)/2 = 2 Rezultat: Liczbę na pozycji 2 (13) należy skorygować odejmując wartość błędu (2), czyli po korekcji i usunięciu dodanych bajtów odbiornik zarejestruje ciąg 2 11 13 Jest to dokładnie ten sam ciąg, jaki został wysłany z nadajnika. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 31 Blok 3: Przeplot (interleaving) Splotowy przeplot bajtów strumienia o głębokości I =12. Realizacja algorytmu następuje w 12 gałęziach stanowiących rejestry przesuwne FIFO o długości 17 bajtów każdy. Razem długość rejestrów wynosi 17*12 = 24. Kolejne rejestry różnią się opóźnieniem od do 11*17. Dane ze strumienia wejściowego podawane są za pomocą przełącznika na kolejne gałęzie układu. Pierwszy bajt pakietu jest zawsze podawany na gałąź o zerowym opóźnieniu. Przeplot zwiększa podatność na korekcję błędów grupowych. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 32 16
Po co wykonywać przeplot? Bez przeplotu: D A N E - P R Z E S Y Ł A N E Ciąg danych przewidziany do transmisji Nadane: Błędy D A N E - P R Z E S Y Ł A N E Odebrane: Błędy D A N E - P R Z E S Y Ł A N E Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 33 Z przeplotem: Błędy Nadane: D N P S N A Z Ł A E - E Y R E Dane po wykonaniu przeplotu Odebrane: Błędy D A N E - P R Z E S Y Ł A N E Dane odtworzone (odwrócona operacja przeplotu) Błędne dane zostały rozłożone w czasie bardziej równomiernie. Ułatwia to korekcję błędów. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 34 17
Blok 4: Kodowanie wewnętrzne (inner coding) Kodowanie splotowe. W zależności od wymagań transmisyjnych istnieje możliwość użycia kodu o różnych tzw. sprawnościach. Literatura Blok 5: Kształtowanie sygnału w paśmie podstawowym (baseband pulse shaping) Zakodowanie wejściowego strumienia danych kodem Gray`a (poszczególne słowa kodu różnią się tylko na jednym miejscu) i filtracja impulsów tak utworzonego sygnału przy pomocy filtru o odpowiedniej charakterystyce. W ten sposób są kształtowane zbocza impulsów sygnału przed modulacją. Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 35 Blok 6: Modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Dla poszczególnych par bitów reprezentowanych przez sygnały wytworzone w poprzednim bloku, następuje modulacja fali nośnej. Sygnał na wyjściu modulatora formowany jest według zależności: QPSK U U U U cos cos cos cos t 4 dla x1, x2 1, t 3 4 dla x1, x2, t 5 4 dla x1, x2,1 t 7 4 dla x, x 1,1 1 2 Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 36 18
1 1 1 1.8.8.8.8.6.6.6.6.4.4.4.4.2.2.2.2 -.2 -.2 -.2 -.2 -.4 -.4 -.4 -.4 -.6 -.6 -.6 -.6 -.8 -.8 -.8 -.8-1 1 2 3 4 5 6-1 1 2 3 4 5 6-1 1 2 3 4 5 6-1 1 2 3 4 5 6 (1,) (,) (,1) (1,1) I (,) (1,) Q zakłócenie Q (1,) (,1) (1,1) Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 37 (,) (1,) (,1) (1,1) Konstelacja obraz sygnału rzeczywistego zmodulowanego QPSK Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 38 19