SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE Wykład 2 AiR 5r.

Telekomunikacja zajmuje się: sygnałami (przetwarzanie informacji na sygnał i odwrotnie) komutacją (technika łączenia) transmisją (przesył sygnałów na odległość) Rozwój technologii – umożliwia przesył nie tylko dźwięku (mowy) – synchronicznie (telefon), także zakodowanej informacji o różnej użyteczności (pliki, mail, obrazy, video). Wykorzystanie infrastruktury telekomunikacyjnej dla potrzeb informatycznych (systemy teleinformatyczne). Wartość rynku w Polsce ~30 mld $

Teleinformatyka - technologia informacyjna, IT (akronim od ang Teleinformatyka - technologia informacyjna, IT (akronim od ang. Information Technology) - dziedzina wiedzy obejmująca - informatykę - sprzęt komputerowy i oprogramowanie używane do: tworzenia i przetwarzania przesyłania prezentowania zabezpieczania informacji, - telekomunikację, - narzędzia i inne technologie związane z informacją.

Rozwój technologii – niezawodność, szybkość 1921 – kabel przez Atlantyk 1927 (Atlantyk), 1931 (Pacyfik) – transmisja transoceaniczna radiowa (1 rozmowa w przedziale czasu!!!) Technologie – cel – zwielokrotnienie – kabel koncentryczny – 480 rozmów – 1941 r. Kabel światłowodowy – NY - Waszyngton 1983 – Ameryka – Europa 1988 (40000 rozmów) - obecnie - ok.30 mln. rozmów równocześnie

Rozwój możliwy dzięki: nowe media (kable miedziane, światłowody, media bezprzewodowe) zwielokrotnianie multiplexing ( w dziedzinie czasu i częstotliwości - także WDM – w dziedzinie długości fali dla światłowodów) – całość to tzw. techniki multipleksacji

Zwiększanie przepustowości WDM (wave density multiplexing) W jednym medium fizycznym od kilku do kilkuset kanałów logicznych – różne długości fali. Wielolaser - wiele fal świetlnych o określonych długościach (całe pasmo nie przekracza 35 nm). Wysłany sygnał dociera do przełacznika WDM, gdzie za pomocą filtrów optycznych fale są rozdzielane na niezależne kanały i trafiają do właściwych odbiorców. Odstępy międzyfalowe od 0,4 do 6 nm

Kanały Kanały fizyczne - media miedziane - media optyczne (światłowody) Radiowy kanał łączności ruchomej Kanał satelitarny

Radiowy kanał łączności ruchomej (tu m.in. telefonia komórkowa) nadajnik lub odbiornik jest przenośny zjawisko odbioru wielodrożnego – rozchodzenie się fali z wielokrotnym odbiciem, z różnych kierunków i z różnym opóźnieniem czasowym – propagacja fal

Kanał satelitarny Pasmo 500 MHz – rozdzielone tzw. transpondery zapewnia szeroki obszar pokrycia, niezawodność połączeń, szerokie pasma satelity na orbitach geostacjonarnych – wysokość 36 881 km nieruchomy względem obserwatora, częstotliwość – zwykle 6 GHz ziemia-satelita, 4 GHz satelita-ziemia Pasmo 500 MHz – rozdzielone tzw. transpondery

Kanały - cechy liniowe i nieliniowe – telefoniczny jest liniowy, satelitarny zwykle nieliniowy (niejednorodność środowiska) stacjonarny i niestacjonarny – miedziany i światłowodowy jest stacjonarny, kanał radiowy łączności ruchomej jest niestacjonarny Kanał o ograniczonym paśmie lub o ograniczonej mocy - kanał telefoniczny ma ograniczone pasmo, kanał satelitarny ograniczoną moc (np. nadajnika)

Sygnały Sygnał wiadomości – źródło informacji - dolnopasmowy – dolny zakres częstotliwości - analogowy (czas i amplituda są ciągłe) lub cyfrowy (czas i amplituda mają wartości dyskretne, ze zbioru przeliczalnego)

sygnał analogowy sygnał cyfrowy

Sygnał w kanale telekomunikacyjnym – w trakcie przesyłu - analogowy (ciągły) - dolnopasmowy lub środkowopasmowy - cyfrowy

Reprezentacja sygnałów Podział: sygnały okresowe i nieokresowe okresowy: g(t)=g(t+T0) T0 – okres sygnały deterministyczne (nie istnieje niepewność co do wartości) i stochastyczne (pewien stopień niepewności)

Reprezentacja sygnałów szeregiem Fouriera Przewyższa wszystkie inne metody Rozkład sygnału okresowego na składowe sinusoidalne: f(t)= + a1sint + b1cost +... + a2sin2t + b2cos2t +... + a3sin3t + b3cos3t +...

Definicje współczynników szeregu Fouriera

Przykład transformacji Fouriera 1 2 t f(t) okres T=2

...obliczamy kolejne współczynniki: itd., ostatecznie

superpozycja składowych

Użyteczność analizy Fouriera opiera się na zasadzie, że odpowiedź systemu na wymuszenie sinusoidalne jest także sinusoidalna, pod warunkami: System jest liniowy – spełnia zasadę superpozycji - jeżeli na wymuszenia x1(t) i x2(t) układ odpowiada sygnałami y1(t) i y2(t) to system jest liniowy jeśli na wymuszenie a1x1(t)+a2x2(t) odpowie sygnałem a1y1(t)+a2y2(t) System jest stacjonarny jeżeli na wymuszenie x(t) układ odpowiada sygnałem y(t) to system jest stacjonarny jeśli na wymuszenie x1(t – t0) odpowie sygnałem y1(t – t0)

Zwykle przybliżenie – do n-tej składowej Także sygnały ciągłe można próbkować – dzielić na przedziały i w każdym wyznaczać widmo Fouriera Zwykle przybliżenie – do n-tej składowej f(t) t t

wymuszenie - odpowiedź Układ (system) – urządzenie generujące sygnał wyjściowy w odpowiedzi na sygnał wejściowy wymuszenie - odpowiedź x(t) y(t) Układ

System jest liniowy – spełnia zasadę superpozycji jeżeli na wymuszenia x1(t) i x2(t) układ odpowiada sygnałami y1(t) i y2(t) to system jest liniowy jeśli na wymuszenie a1x1(t)+a2x2(t) odpowie sygnałem a1y1(t)+a2y2(t) x1(t) y1(t) t y (t) t x2(t) y2(t) t t t

System jest stacjonarny jeżeli na wymuszenie x(t) układ odpowiada sygnałem y(t) to system jest stacjonarny jeśli na wymuszenie x1(t – t0) odpowie sygnałem y1(t – t0) x1(t) t y1(t) x1(t-t0) y1(t- t0)

zerowa amplituda z wyjątkiem t=0 gdzie osiąga nieskończoność Systemy liniowe opisuje się w dziedzinie czasu przez tzw. odpowiedź impulsową h(t) – odpowiedź na wymuszenie delta Diraca. zerowa amplituda z wyjątkiem t=0 gdzie osiąga nieskończoność powierzchnia pod funkcją jest równa 1 (t) t delta Diraca

Delta Diraca wywodzi się z funkcji Gaussa

Wykorzystanie funkcji Diraca widmo częstotliwościowe sygnału stałoprądowego (f) f t dc

Odpowiedź impulsowa układu (t) h(t) wymuszenie odpowiedź t t y(t) x(t) h(t) (t) h(t)

Zwielokrotnienie w dziedzinie czasu - TDM – Time Division Multiplexing f Zwielokrotnienie w dziedzinie czasu - TDM – Time Division Multiplexing "szczeliny czasowe" t t f Zwielokrotnienie w dziedzinie częstotliwości - FDM f t

Modulacja Cel:dostarczenie wiadomości modulacja - przekształcenie sygnału w nadajniku dla transmisji przez kanał demodulacja – odtworzenie przez odbiornik – zazwyczaj w gorszej jakości – szumy i zniekształcenia Modulacją nazywamy proces przemieszczania informacji (rodzaj kodowania informacji). Demodulacją nazywamy proces dekodowania, czyli przywracania sygnałowi jego pierwotnego kształtu.

Modulacją w technice nazywa się celowy proces zmiany parametrów fali umożliwiający przesyłanie informacji (komunikację), aby sygnał nadawał się do transmisji przez sieć telekomunikacyjną - medium: przewody miedziane, światłowody, powietrze i próżnia. Cel: Ograniczenie szumów, zniekształceń – informacja po przesłaniu musi być na tyle poprawna, aby można z niej uzyskać użyteczne dane. Jeżeli komunikacja ma charakter dwustronny, to jedno urządzenie dokonuje równocześnie modulacji nadawanych sygnałów i demodulacji tych, które odbiera (modulator-demodulator w skrócie modem).

Podstawowe typy modulacji analogowa (zwana też ciągłą) (zamiana sygnału na analogowy) impulsowa (zamiana sygnału na cyfrowy) cyfrowa (kluczowanie)

phase frequency

Modulacja analogowa  = f – częstotliwość Sinusoida jako fala nośna: a sin (t +0)  = f – częstotliwość  - częstość a - amplituda modulacja amplitudy (np. AM) – zmiana amplitudy w takt sygnału informacyjnego modulacja kąta - zmiana argumentu częstotliwości - f – FM fazy – 0 - PM

! AM FM PM

Można też modulować amplitudowo sygnał analogowy Modulacja amplitudy jest nieekonomiczna ze względu na moc. Strata mocy przy przesyle fali nośnej. Modulacja amplitudy jest nieekonomiczna ze względu na szerokość pasma.

Podtypy modulacji amplitudowej DSB-LC (inaczej AM) (ang. Double-Sideband Large Carrier) - modulacja dwuwstęgowa z nośną DSB-SC (ang. Double-Sideband Suppressed Carrier) - modulacja dwuwstęgowa z wytłumioną nośną SSB (ang. single-sideband modulation) - modulacja jednowstęgowa (może to być wstęga górna lub dolna) VSB lub VSB-AM (ang. vestigial-sideband modulation) - modulacja amplitudy z częściowo tłumioną wstęgą boczną

Dla różnych częstotliwości fali nośnej - Multipleksacja FDM 1 4 kHz f gęstość mocy 2 4 kHz f multiplekser 4 kHz 4 kHz 4 kHz 4 kHz f 1 2 3 4 3 każdy z 4 sygnałów akustycznych ma swoją częstotliwość nośną 4 kHz f 4 f 4 kHz

Modulacja impulsowa analogowa cyfrowa modulacja amplitudy impulsów – PAM modulacja gęstości impulsów – PDM modulacja położenia impulsów – PPM cyfrowa modulacja impulsowo-kodowa - PCM

Modulacja impulsowa (sygnału analogowego) sygnał analogowy czas PAM amplituda (próbkowanie) – zbiór amplitud ciągły pulse amplitude czas PWM szerokość pulse width czas PDM gęstość impulsów pulse density czas

PDM – 1 okres funkcji sinusoidalnej opisany 100 bitami 0101011011110111111111111111111111011111101101101010100100100000010000000000000000000001000010010101 PDM – 1 okres funkcji sinusoidalnej opisany 100 bitami

PWM (szerokość) dla sygnału cyfrowego zegar dane 0 1 2 3 4 5 2 0 1 2 0 4 wyjście

Multipleksacja PAM 1 2 t 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 itd próbka multiplekser 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 itd próbka t

Modulacja impulsowo-kodowa PCM "pulse – code modulation" Reeves –1937 - podobna do modulacji amplitudy PAM, lecz amplituda jest „skwantowana” – zaokrąglona do najbliższej wartości ze skończonego zbioru wartości - przybliżenie! 3 2 1 01 10 11 11 10 10 01 01 01 10 10 10 01 00 czas sygnał PCM 2 bity „paczka”

1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 PCM - 4 bity (16 poziomów)

Im większa liczba poziomów kwantowania – tym lepiej odwzorowany sygnał Modulacja impulsowo-kodowa PCM preferowana z powodów: odporność na szumy elastyczne działanie różne rodzaje informacji – tekst, mowa, obraz możliwość zabezpieczenia - szyfrowanie

Jeszcze modulacja cyfrowa – kluczowanie najstarsza (np. kodowanie Morse'a) QAM FSK PSK ASK Dzięki separacji sygnałów w częstotliwości lub w czasie (a w najnowszych systemach także w przestrzeni) przez jeden kanał możliwa jest jednoczesna transmisja wielu sygnałów.

PCM – zawiera 4 procesy filtrowanie próbkowanie kwantyzacja kodowanie standard G.711

1 etap FILTROWANIE Izolacja częstotliwości, którymi jesteśmy zainteresowani Głos - pasmo 3100Hz pomiędzy 300Hz a 3400 Hz niska częstotliwość – bas wysoka częstotliwość – sopran Filtrowanie – wyłączenie częstotliwości poniżej 300 i powyżej 3400 Hz Dla wyliczeń częstotliwości próbkowania przyjmuje się 4 kHz

2 etap PRÓBKOWANIE Nyquist – dyskretyzacja głosu - 1928 Próbkowanie – pomiar amplitudy analogowego kształtu fali w regularnych (równych) odstępach czasu. Obliczenie kiedy próbkować – twierdzenie Nyquista-Shannona (Kotielnikowa?) .... Sygnał ciągły może być ponownie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od najwyższej granicznej częstotliwości swego widma. czyli...Próbkować trzeba z co najmniej 2-krotną częstotliwością niż najwyższa częstotliwość podlegająca transmisji – w przypadku częstotliwości akustycznej (VF – Voice frequency) – więc 4kHz x 2= 8000 razy na sekundę= 8kHz

Sprzęt realizujący próbkowanie: na wejściu : ciągłe informacje ze źródła sygnał zegarowy 8 kHz na wyjściu : sygnał ze źródła w trakcie impulsu zegarowego – zbiór amplitud ciągły

PAM – modulacja impulsowa analogowa amplitudowa znamy to... PAM – modulacja impulsowa analogowa amplitudowa czas próbki ale mamy amplitudę impulsów z ciągłego zbioru wartości

3 etap KWANTYZACJA Ocena poziomów napięcia impulsów w oparciu o standardową skalę. Dostosowanie każdej amplitudy impulsu do wartości ze skończonego zbioru Zaokrąglenie do najbliższego punktu skali – niezależnie czy impuls jest powyżej czy poniżej Oczywiście błędy kwantyzacji – tzw. szum kwantyzacji niesłyszalne przez ludzkie ucho

Redukcja błędów kwantyzacji – tzw. kompansja Algorytmy kompansji: standard Law (255) – Ameryka Płn. standard A-Law – Europa i inne kraje problem kompatybilności sprzętu – ale są połączenia USA-Polska, za przetwarzanie odpowiedzialna jest strona Law więc łączność odbywa się wg standardu A-Law

127 dodatnich i 127 ujemnych – jeden bit znaku a więc 0+ i 0- Tzw. sygnał cyfrowy poziomu zerowego DS-0 – strumień bitów o szybkości 64 kb/s A zatem – jeśli 8000 próbek/s, a każda próbka w następnym procesie kodowania może mieć max 8 bitów, to mamy 64 kb/s czyli skala kwantyzacji może być 256-stopniowa (8 bitów) Jeszcze podział na impulsy dodatnie i ujemne – tzw. bipolarne 127 dodatnich i 127 ujemnych – jeden bit znaku a więc 0+ i 0- Wysoka jakość wymagałaby 4000 stopni skali kwantyzacji – dałoby to 12 bitów/próbkę – wtedy szybszy przepływ bitów a więc wyższa częstotliwość i krótsze odcinki użytkowe, bo tłumienie wyższych częstotliwości jest większe Kompansja - kompromis

Są na to odpowiednie wzory matematyczne Gęściej się kwantyzuje próbki o mniejszej amplitudzie – z powodu czułości szumu na słabe sygnały. 10% poziomy kwantyzacji 100% Są na to odpowiednie wzory matematyczne A-LAW

Charakterystyka ta zapewnia dużą dokładność próbkowania sygnałów o małej amplitudzie i mniejszą dokładność dla sygnałów o wysokich wartościach amplitudy. A-LAW próbka amplituda gęściejsza kwantyzacja

Law bardzo podobny przebieg funkcji do A-LAW

(16 odcinków – 8 dodatnich, 8 ujemnych - każdy po 16 punktów), Praktycznie realizuje się przez funkcje liniowe - następuje wybór punktów na odcinkach siecznych (16 odcinków – 8 dodatnich, 8 ujemnych - każdy po 16 punktów), każdy następny odcinek ma połowę nachylenia poprzedniego każdy następny odcinek podwaja zakres amplitud występujących w poprzednim 1 2 4 8

4 etap KODOWANIE Końcowa faza – strumień cyfr binarnych Pobranie skwantyzowanego sygnału PCM i przekształcenie każdej próbki na strumień 8 bitów

inaczej w –LAW, inaczej w A-LAW Taka 1-bajtowa informacja przenosi informację o numerze poziomu, jakiemu odpowiadała dana próbka sygnału analogowego. Kodowanie sygnału .. operacja, która dzieje się zaraz po kwantyzacji i ma na celu: przyporządkowanie 8-bitowej wartości cyfrowej skwantyzowanej próbce analogowej. inaczej w –LAW, inaczej w A-LAW

1 –LAW 1 mała amplituda + 1 - bity 5-8 punkt na segmencie bit1 znak 16 punktów duża amplituda bity 2,3 4, nr segmentu kompansji zerowy sygnał to same JEDYNKI !!!!! i tak się transmituje

W celu uzyskania proporcji liczb do sygnałów – (małe amplitudy – mała liczba) robimy inwersję wszystkich bitów z wyjątkiem bitu znaku: 11000101 po inwersji bez znaku 10111010 = 18610

czyli inwersja bitów parzystych bity 2 3 4 5 6 7 8 !! A–LAW 255 1 i t d . .. 1 i t d + 1 - bit1 170 kodowanie XOR 55 XOR 55 5516=01010101 czyli inwersja bitów parzystych

słaby sygnał to kodowanie cały czas działa... A-LAW lepsze bo: słaby sygnał to kodowanie cały czas działa... 010101010101 gdyby były prawie same zera 0000000000001000000000000001 to zagrożenie zerwaniem synchronizacji