Wykład 4
Teoria informacji - nauka źródło cyfrowe (dyskretne) – kodowanie źródła nazywane zagęszczaniem – może być stratne lub bezstratne źródło analogowe – kompresja danych – jest zawsze stratna szyfrowanie – zamaskowanie dla nieuprawnionego odbiorcy
Zrekonstruowany sygnał dekoder źródła NADAJNIK Źródło informacji Dekoder szyfrowania koder źródła Koder kompresji Dekoder zagęszczania Strumień bitów Koder zagęszczania Dekoder kompresji Koder szyfrowania Zrekonstruowany sygnał Odbiornik Kanał
Oprócz kodowania i dekodowania źródła odbywa się również kodowanie i dekodowanie kanału dostosowanie szybkości przesyłu do pojemności kanału Jeśli kanały są analogowe to konieczna jest jeszcze modulacja i demodulacja
Źródło informacji analogowe Koder źródła Koder kanału Modulator Kanał Informacja odebrana A Dekoder źródła Dekoder kanału Demodulator Źródło informacji cyfrowe odebrana D A D
Telekomunikacja analogowa i cyfrowa
Projektowanie systemu teleinformatycznego Znane są: źródło, kanał, użytkownik Zadania projektanta: pobranie sygnału informacyjnego przetworzenie sygnału przesłanie wytworzenie estymaty sygnału CENA!!! przystępna
System analogowy (tradycyjna telekomunikacja) dużo prostszy – sygnały analogowe a więc tylko modulacja i demodulacja analogowa czyli: – przetworzenie sygnału analogowego na inny analogowy optymalny dla transmisji - – znalezienie jego charakterystyki i dokonanie powierzchownej zmiany, by dopasować do kanału i potem odtworzyć z wystarczającą jakością
Systemy cyfrowe Trudna realizacja tych etapów Bloki funkcjonalne koder-dekoder źródła koder-dekoder kompresji koder-dekoder zagęszczania koder-dekoder szyfrowania koder-dekoder kanału modulator – demodulator (jeśli transmisja analogowa) Trudna realizacja tych etapów Bogactwo elektroniki –coraz tańsza
Zadanie projektanta systemu cyfrowego: poszukiwanie skończonego zbioru sygnałów dopasowanych do charakterystyki kanału, by nie były wrażliwe na niedoskonałości kanału (szumy) przestrzeganie standardów (protokołów)
Sieć teleinformatyczna definicja - funkcjonowanie Sieć to połączenie skończonej liczby węzłów (inteligentnych – przetworniki, komputery, procesory) Rolą węzłów jest kierowanie danych Do węzłów dołączone stacje Komutacja kanałów międzywęzłowych stanowi o połączeniu dwóch stacji
Cechy sieci Właściwy podział zasobów Efektywność Otwarcie technologiczne (możliwość rozbudowy wprowadzania nowych standardów technologicznych)
Komutacja zestawienie połączenia międzywęzłowego między nadawcą i odbiorcą, zestawienie musi zostać potwierdzone zanim rozpocznie się transmisja (niekiedy tylko na krótkim odcinku) ważne prawidłowe wykorzystanie zasobów i pasma
Typy komutacji Komutacja kanałów – przyznanie stałe zasobów – nawet jeśli brak przepływu informacji - synchroniczna Komutacja pakietów – oszczędniejsze – na zasadzie zapotrzebowania - asynchroniczna
Pakiety PAKIET – każda informacja zostaje podzielona na porcje – pakiety pakiety są łączone u odbiorcy dostosowanie do środowiska teleinformatycznego – przepływ informacji impulsowy
Sieci teleinformatyczne Stacje są komputerami Architektura warstwowa – hierarchia warstw zagnieżdżanych
Komutacja Komutacja kanałów Komutacja pakietów Komutacja komunikatów
Komutacja kanałów - aby przenieść dane z jednego węzła sieci do drugiego, tworzone jest połączenie dedykowane między tymi systemami. Wszystkie dane przenoszone są tą samą drogą. Sieci tego typu są użyteczne przy dostarczaniu informacji, które muszą być odbierane w takiej kolejności, w jakiej zostały wysłane. Przykłady sieci korzystających z komutacji kanałów : Analogowa linia telefoniczna ATM - Asynchronous Transfer Mode ISDN Linia dzierżawiona T1 (amerykański system telekomunikacyjny)
Ethernet 100VG-ANYLAN FDDI Frame relay i X.25 Komutacja pakietów - każda indywidualna pojedyncza ramka może iść inną ścieżką do miejsca przeznaczenia. Ramki mogą, lecz nie muszą być odbierane w kolejności nadawania. Przykłady sieci korzystających z komutacji pakietów : Ethernet 100VG-ANYLAN FDDI Frame relay i X.25
Komutacja komunikatów Jeżeli na drodze informacji jest kilka urządzeń, to pierwsze urządzenie tworzy połączenie z następnym i przesyła całą wiadomość. Po zakończeniu transmisji, połączenie zostaje przerwane i drugie urządzenie powtarza cały proces. Choć wszystkie dane wędrują tą samą drogą, jedynie jedna część sieci jest wydzielona do dostarczania danych w określonym czasie.
Komutacja komunikatów Komutacja kanałów całość synchronicznie Komutacja pakietów pakiet1 …odstęp.. pakiet2 Komutacja komunikatów …odstęp.. całość synchronicznie całość synchronicznie
Podstawy techniki cyfrowej Technika cyfrowa jest to technika wytwarzania, przesyłania i przetwarzania sygnałów cyfrowych; Stosowana: w komputerach przetwarzaniu i zapisie dźwięku i obrazu (cyfrowy magnetofon i gramofon, cyfrowa radiofonia i telewizja, cyfrowy aparat fotograficzny) w telekomunikacji
Istota techniki cyfrowej Wytwarzanie cyfrowych sygnałów wyjściowych jako odpowiedzi na cyfrowe sygnały wejściowe Na przykład: Sumator przetwarza doprowadzone do wejść dwie liczby 16-bitowe na 16-bitową sumę tych liczb oraz bit przeniesienia.
Inne zadania: porównanie dwóch liczb w celu sprawdzenia, która z nich jest większa porównanie zestawu sygnałów wejściowych z sygnałem pożądanym w celu sprawdzenia, czy podzespoły weszły w tryb normalnej pracy, dołączenia do liczby "bitu parzystości" tak, aby całkowita liczba jedynek w reprezentacji liczby była parzysta, na przykład przed transmisją przez łącze; następnie parzystość może być sprawdzona przy odbiorze, co daje prostą kontrolę poprawności transmisji (CRC), pobranie pewnych liczb binarnych i ich wyświetlenie,
Informacja może podlegać zmianom powielanie - jest to zwielokrotnianie informacji; tłumienie – ograniczanie rozprzestrzeniania się informacji; zakłócenie - zmiana jakości przekazywanej informacji. Możemy wyróżnić: informację analogową (ciągłą); informację dyskretną (cyfrową).
Zbiór wartości zmieniających się od 0 do Umax Informacja analogowa U(t) Umax Umax U = U (t) t Zbiór wartości zmieniających się od 0 do Umax we wy Maszyna analogowa
Informacja cyfrowa (dyskretna) U(t) Umax Umax U = (U, 2U, 3U) U t U – kwant wartości D D Maszyna cyfrowa D A A D d/a a/d
Informacja cyfrowa Słowo cyfrowe jest to dowolny ciąg znaków 0 lub 1 Informacją cyfrową nazywamy zbiór słów cyfrowych odzwierciedlających jakiś stan. Długość słowa Symbolika Nazwa 1 4 8 16 32 64 a0 a3...a0 a7.....a0 a15.......a0 a31.........a0 a63...........a0 bit tetrada bajt słowo 16-bitowe, słowo dwusłowo słowo 64-bitowe, czterosłowo
Binarny system liczbowy Binarny system liczbowy opiera się na liczbie 2 System binarny (dwójkowy) oparty jest o cyfry 0 i 1; Układ binarny nadaje się do odzwierciedlenia dwóch stanów z których „0” odpowiada stanowi niskiemu oznaczanemu w technice cyfrowej „L”, a stan „1” odpowiada stanowi wysokiemu „H”; Stany te nadają się do reprezentowania dwóch stanów napięcia występującego w układach elektrycznych
Klasyfikacja sygnałów analogowe: nieprzerwane w dziedzinie czasu i amplitudy próbkowane: przerywane na osi czasu; na osi amplitudy przyjmują dowolną wartość 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 wejścia wyjście 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 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 2n wierszy uwzględniających wszystkie możliwe kombinacje sygnałów wejściowych i odpowiadające im stany wyjścia (wejścia) A B Y 1
zliczanie jedynek w danej sekwencji, 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.
Zaczniemy od bramek i układów kombinacyjnych ... Do realizacji wszystkich wymienionych zadań konieczne jest zastosowanie jakiejś pamięci cyfrowej. Podstawowym urządzeniem pamięciowym jest przerzutnik bistabilny (ang. flip flop lub bistable multivibrator ) Zaczniemy od bramek i układów kombinacyjnych ...
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. UB 5V SA SB + - Tablica prawdy
Bramka OR Y=A+B 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 UB 5V SA SB + - Tablica prawdy
Inwerter (funkcja NOT) Zmiana stanu logicznego na przeciwny (negowaniem stanu logicznego). "bramka" o jednym wejściu Zapis – A’ lub A
NAND i NOR Funkcja NOT może być połączona z innymi funkcjami, tworząc NAND i NOR UB 5V SA SB + - UB 5V SB SA + - 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
Przerzutniki (układy sekwencyjne!) Przerzutniki są elementami 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 Qn 1 Qn-1 zabr. Przerzutnik RS 2 bramki NAND
Synchronizowany przerzutnik R-S Q wejścia informacyjne/programujące wyjścia R zegar NOR NOR Synchronizowany przerzutnik R-S, w którym stany z wejścia są doprowadzane do bramek NOR tylko podczas trwania impulsu zegarowego inne typy przerzutników: JK, D
Zastosowanie XOR: równoległe konwertery kodów z kodu binarnego na kod Gray’a Wejście Wyjście Liczba Liczba binarna Kod Graya 0000 1 0001 2 0010 0011 3 4 0100 0110 5 0101 0111 itd. kolejne liczby różni tylko jedna pozycja (jeden bit)
Zamiana z kodu Gray’a na binarny Wyrażenie algebraiczne schemat
Bramki z elementów dyskretnych bramka AND wykonana z użyciem diod Wady: poziom niski na wyjściu jest o spadek napięcia na diodzie wyższy od poziomu niskiego na wejściu. Nie pozwala to na łączenie szeregowe wielu takich układów! nie ma żadnego "wzmocnienia logicznego" (zdolności wyjścia do sterowania wielu wejść równocześnie) układ charakteryzuje się małą szybkością działania
Zasada: Trudno jest z elementów dyskretnych skonstruować układ logiczny działający równie dobrze, jak zbudowany z układów scalonych
Najprostsza postać tranzystorowej bramki NOR NOT zwieranie do masy jeśli którykolwiek z tranzystorów ma potencjał bazy – wprowadzenie w stan przewodzenia dodatkowy inwerter daje bramkę OR 1 OR