SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE Wykład 1 AiR 5r.

dr inż. Tomasz Bajorek bud.L p.28 tbajorek@prz.edu.pl 15 godz. wykład 30 godz. laboratorium kryteria zaliczenia

LITERATURA Norris M.: Teleinformatyka, WKŁ, 2002. Read R.: Telekomunikacja, WKŁ, 2000. Marciniak M.: Łączność światłowodowa, WKŁ, 1998. Simmonds A.: Wprowadzenie do transmisji danych, WKŁ, 1999. Haykin S.: „Systemy telekomunikacyjne”, WKŁ, 2004, t.1 i t.2 Kula S.:"Systemy teletransmisyjne"", WKŁ, 2004 Woźniak J., Nowicki K.: „Sieci MAN, WAN, LAN –protokoły komunikacyjne”, WFPT, 2000 Dunsmore B., Skandier T.:”Technologie telekomunikacyjne” – CISCO SYSTEMS, MIKOM, 2003. Mucha M.:”Sieci komputerowe- budowa i działanie”, Helion, 2003 Meloni J.C.: PHP – podręcznik tworzenia stron WWW, MIKOM 2001 Schultz D., Cook C.:HTML, XHTML i CSS : nowoczesne tworzenie stron WWW, Helion, 2008. Williams E., Lane D.: Bazy danych w Internecie, Wyd.RM, 2002.

Tematyka sieci teleinformatyczne (telekomunikacyjne) - typy, struktura, transmisja danych cyfrowych, struktury przesyłu, kodowanie, multipleksowanie, modulacja, szyfrowanie, kompresja typy systemów teleinformatycznych, ich cele i zadania technologie tworzenia systemów, przykłady (PHP, MySQL)

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. Dostarczenie narzędzi, za pomocą których można pozyskiwać informacje, selekcjonować je, analizować, przetwarzać, zarządzać i przekazywać innym ludziom. (na podstawie WIKIPEDIA) Specjalność: projektowanie, programowanie i utrzymanie sieci teleinformatycznych

System teleinformatyczny ….zespół współpracujących ze sobą urządzeń informatycznych i oprogramowania, zapewniający: wysyłanie i odbieranie przechowywanie przetwarzanie danych poprzez sieci telekomunikacyjne za pomocą właściwego dla danego rodzaju sieci urządzenia końcowego. W rozumieniu ustawy z dnia 16 lipca 2004 r. – Prawo telekomunikacyjne (Dz. U. z 2004 r. Nr 171, poz. 1800, z późn. zm.)

Telekomunikacja - transmisja informacji przy pomocy procesów: model myślowy w umyśle nadawcy (lub ew. "od razu" zbiór bitów) opis modelu zbiorem symboli umownych (słuchowych, wizualnych, liczbowych, innych) kodowanie dla transmisji transmisja !!! dekodowanie i reprodukcja informacji odtworzenie modelu zazwyczaj do postaci "bliskiej" oryginałowi (lub przetworzenie, zapis, analiza)

Rys historyczny - przesył informacji 1837 – Samuel Morse – telegraf kod Morse – alfabet – kod czwórkowy kropka, kreska, spacja literowa, spacja słowna ··· --- ··· SOS łączność przewodowa 1864 - Maxwell – elektromagnetyczna teoria światła – istnienie fal radiowych 1896-1901 – Marconi – łączność bezprzewodowa – (Tesla, Popow)

1904 – Fleming – dioda - wzmacniacze a więc zwiększenie odległości przesyłu 1918 – Armstrong – superheterodyna – początki radia, modulacja częstotliwości FM 1928 – telewizja – Fansworth - 1939 - BBC nadawanie 1937 – Reeves – modulacja impulsowo-kodowa PCM – szyfrowanie mowy w czasie II wojny światowej

1948 – matematyczne podstawy teorii komunikacji – Shannon udowadnia, że nieprawdą jest, iż zwiększenie szybkości przesyłu zwiększa prawdopodobieństwo błędu – o ile szybkość nie przekracza pojemności kanału przesyłowego W uproszczeniu prawo to mówi,że maksymalna prędkość transmisji jest zależna od: szerokości pasma częstotliwościowego stosunku sygnału do "szumu" dla linii. Ponieważ szerokość pasma komutowanych linii telefonicznych jest definiowana przez standardy techniczne, przepustowość zależy przede wszystkim od szumu w medium.

Miara zakłóceń... Szumy parametr sygnał – szum SNR (ang. Signal Noise Ratio) np. na wejściu odbiornika: SNR = dB /decybeli/ standardowa linia telefoniczna ok. 20 dB czyli Psygnału/Pszumu= 100 Ile??????????????

więc współczynnik 10 żeby wielkości były porównywalne Zanik sygnału... Tłumienie = dB /decybeli/ dla U i I 20 log bo log P= 2*log więc współczynnik 10 żeby wielkości były porównywalne

1948+ – tranzystor i dalszy rozwój elektroniki – układy przełączające i komunikacja cyfrowa 1955 - propozycja i w 1957 realizacja wprowadzenia satelitów (Telstar1 1962 –TV przez Atlantyk) 1971 – sieć ARPANET

1966 Kao i Hockam - włókno szklane jako falowód optyczny – światłowód Elementy optyczne – już w czasach starożytnych - sygnały ogniowe 1959 – LASER – wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania 1966 Kao i Hockam - włókno szklane jako falowód optyczny – światłowód 1990+ rozwój INTERNETU i telefonii komórkowej

System telekomunikacyjny -elementy Źródło informacji Nadajnik Kanał Odbiornik Użytkownik informacji sygnał nadany sygnał odebrany sygnał informacyjny estymata sygnału informacyjnego

A zatem podstawowe elementy systemu telekomunikacyjnego to: nadajnik (urządzenie końcowe) kanał transmisyjny (medium transmisji) odbiornik (urządzenie końcowe)

Człowiek wówczas włączony jedynie w: Czasem człowiek jest wyłączony z systemu, np. komunikowanie się dwu lub więcej automatów ("komputerów") Człowiek wówczas włączony jedynie w: programowanie dostarczanie (korekta) danych monitorowanie (interpretacja) wyników

Cel nadajnika – przekształcenie sygnału informacyjnego do formy nadającej się do transmisji Cel odbiornika – odtworzenie sygnału nadanego (stworzenie estymaty sygnału nadanego – postać zbliżona, czytelna!) Przesył – zniekształcenia wywołane szumami (inne źródła) - kanał nie jest idealny

Źródła informacji mowa (klasyczny telefon i telefon mobilny) komputer (sygnał cyfrowy – ciąg bitów) telewizja urządzenia mobilne PDA (Personal Digital Assistent)

Pocket PC

MOWA – sygnał analogowy fala dźwiękowa o rozkładzie spektralnym (częstotliwościowym) widmo mocy mowy - moc spada przy częstotliwości dążącej do 0, maximum dla kilkuset Hz zakres częstotliwości: 300 Hz do 3100 Hz wystarczający w telekomunikacji komercyjnej

Idealna charakterystyka przetwarzania przedstawia się jako pozioma, płaska linia, w układzie współrzędnych z częstotliwością na osi poziomej (otrzymujemy stałą wartość napięcia dla każdej częstotliwości). U [V] f [Hz]

Każdy "dołek" na takiej charakterystyce oznacza spadek napięcia w określonym zakresie, a każde wzniesienie - wzrost, co po przetworzeniu sygnału elektrycznego na akustyczny, oznaczać będzie zniekształcenie naturalnego dźwięku - uwypuklenie jednych tonów, wyciszenie innych. U [V] f [Hz]

Urządzenia elektroakustyczne są tak projektowane, aby jak najbardziej płaską charakterystyką objąć jak najszerszy zakres częstotliwości, słyszalnych przez człowieka. Zakres ten rozciąga się: od ok. 20 Hz(16 Hz) do ok. 20000 Hz i nazywa się zakresem częstotliwości akustycznych.

Pasmo przenoszenia – pasmo częstotliwości, w którym urządzenie zachowuje założoną liniowość. ku ku[dB]= 20 log Uo dB 20 Hz 20 kHz f Decybeli używamy, gdy dwie wartości są liniowo bardzo daleko od siebie U0=1 U1=10 U2=100 U3=1000 p1=20dB p2=40dB p3=60dB

KOMPUTER bajt – znaki ASCII – 7 bitów + bit parzystości bit parzystości – reprezentacja parzysta – uzupełnienie takie, aby liczba jedynek była parzysta – inaczej błąd bity przesyłane szeregowo – asynchronicznie bit START – 0 bity od b1 do b7 bit parzystości bit STOP – 1 przerwa –ciągi jedynek synchronicznie – długa porcja danych bez przerw – wysyłana w blokach

SYNCHRONIZM W TRANSMISJI DANYCH Z punktu widzenia powiązania timerów (zegarów systemowych) nadawcy i odbiorcy, sieci komputerowe dzielimy na: asynchroniczne synchroniczne

Transmisja asynchroniczna Wysyłanie danych w dowolnym momencie i dowolnie długie oczekiwanie na przesłanie kolejnego pakietu. Nie muszą być zachowane stałe odstępy czasowe pomiędzy przesyłanymi danymi. W transmisji asynchronicznej synchronizacja odbiorcy z nadawcą realizowana jest na krótki okres – najczęściej czas przesłania jednego znaku! Zasada działania transmisji asynchronicznej początek: przesłanie bitu startu (bit STB), następnie przesyłany jest znak (CB) – zwykle 7 lub 8 bitów danych, transmisję kończy bit stopu (SPB). Po przerwie (tzw. czasie martwym) procedura się powtarza.

Wady transmisji asynchronicznej: istnienie martwego czasu transmisji - wydajność przesyłu poniżej 68%; szybkość pracy ograniczona do kilkudziesięciu kbit /s. Zalety: niezależność timer-ów nadawcy i odbiorcy ścisłe ramy czasowe transmisji Transmisja asynchroniczna jest przeznaczona zdecydowanie wyłącznie do realizacji transferu danych. Nie na daje się do transmisji multimedialnej

Transmisja synchroniczna Wysyłanie danych w momencie, gdy odbiorca jest gotowy do ich odebrania (zsynchronizowany z nadawcą), ustalony czas na przesłanie pakietu danych. Używany jest sygnał zegarowy (timer) do regulacji przepływu danych między urządzeniami końcowymi. Bity lub znaki danych są przesyłane w blokach z ustaloną szybkością między nadajnikiem i odbiornikiem zsynchronizowanymi na początku i końcu bloku.

W transmisji synchronicznej tzw W transmisji synchronicznej tzw. preambuła synchronizacyjna - dokonuje zsynchronizowania zegarów nadawcy i odbiorcy. Preambuła jest ciągiem impulsów zero-jedynkowych o ustalonym czasie trwania i ilości. Zasada działania transmisji synchronicznej Początek transmisji - preambuła synchronizacyjna (zazwyczaj nie przekracza 25 impulsów) – SYNC. Po synchronizacji następuje przesyłanie bloków danych (DATA).

Przykład: sieć Ethernet zaprojektowana w 1976 r przez dr. Robert M Przykład: sieć Ethernet zaprojektowana w 1976 r przez dr. Robert M. Metcalfe RAMKA (pakiet, frame) – porcja danych przesyłana w sieci 7 B (7x8 bitów) 10101010101010101010101010101010101010101010101010101010 naprzemienne 0 i 1 - synchronizacja SFD - (ang. start frame delimiter) 10101011

Zalety transmisji synchronicznej brak przerw w transmisji; nielimitowane szybkości przesyłu. Wady: konieczność synchronizacji timerów nadawcy i odbiorcy; urządzenia nadawczo-odbiorcze (szczególnie urządzenia odbiorcze) muszą być wyposażone w bufory

Sygnały charakter impulsowy (przekaz i „cisza transmisyjna”) np. sygnały komputerowe charakter ciągły np. sygnały telefonii cyfrowej,TV interaktywnej

JEDNOCZESNOŚĆ TRANSMISJI Kanały transmisyjne dzielimy na: - simpleksowe SIMPLEX przesyłanie jednokierunkowe - półdupleksowe HALF DUPLEX przesyłanie naprzemiennie dwukierunkowe - dupleksowe FULL DUPLEX przesyłanie dwukierunkowe

Kanały transmisyjne sieć telefoniczna światłowód kanały radiowe łączności ruchomej kanały satelitarne

Sieć telefoniczna tradycyjna komutacja kanałów do połączeń czasowych kable miedziane (pary) przetworniki : mikrofon słuchawka(głośnik) zakres (jak wspomniano) 300 Hz do 3100 Hz wystarczający w telekomunikacji – ograniczona szerokość pasma aby dzielić kanał na wielu użytkowników

Kabel koncentryczny ("cienki" lub "gruby" ethernet) ekranowany w celu odizolowania od zewnętrznych pól elektromagnetycznych - cienka siatka miedziana. Mało wrażliwy na zakłócenia ale łatwo ulega uszkodzeniom -trudnym do lokalizacji.

Kabel skrętkowy Skrętka w zależności od przepustowości 10Base-T, 100Base-T 1000Base-T wykonana ze skręconych nieekranowanych przewodów. Kabel skrętkowy tworzy tzw. linię zrównoważoną (symetryczną). UTP– skrętka nieekranowana. STP – skrętka ekranowana oplotem, FTP – skrętka foliowana, czyli skrętka miedziana ekranowana za pomocą folii (wraz z przewodem uziemiającym) FFTP– skrętka z folią na każdej parze przewodów i dodatkowa folia. SFTP– skrętka jak FFTP plus oplot. Segment do 100 m – FTP do 230m, FFTP do 300m.

Światłowód Transmisja na odległość powyżej 100 m - kabel światłowodowy. Do budowy światłowodu stosuje się wyłącznie szkło kwarcowe o dużej czystości – małe tłumienie Światłowód składa się z dwóch warstw: • wewnętrzna- rdzeń • zewnętrzna – płaszcz ochronny. dodatkowo powłoka zabezpieczająca – tworzywo sztuczne

teleinformatyka telekomunikacja 12 włókien

4 firmy produkują światłowody Swiatłowód (falowód optyczny – dielektryczny) – przenosi sygnały świetlne – fiber-optic cable  Zasada działania - wielokrotne wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia (odbicie i załamanie fal) wiązki światła podążającej wzdłuż światłowodów (odbicie od płaszcza) – propagacja fali 4 firmy produkują światłowody tzw. mod – wiązka światła mody wpadają do światłowodu pod różnym kątem, skutkiem tego- pokonują różne odległości

Cechy światłowodu duża szerokość pasma – do 2.1014 Hz mała stratność mocy spowodowana rozpraszaniem – ok. 0,2 dB/km – Kao i Hockam przewidzieli 20 dB/km, a wcześniej było 1000 dB/km przesył 200 000 km/sek (prędkość światła w szkle) odporność na interferencje elektromagnetyczne mała waga, wymiary, dobra giętkość i wytrzymałość cena ? – wykonane w zasadzie z piasku

Zaleta: Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego, w związku z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji. Wada: Dyspersja - Impuls biegnący w falowodzie ulega wydłużeniu (rozmyciu), co ogranicza maksymalną częstotliwość sygnału przesyłanego przez światłowód. W wyniku różnic w prędkości poruszania się fal o różnych długościach, fale wysłane jednocześnie nie docierają do odbiornika w tym samym czasie. Na wyjściu pojawia się szerszy impuls, który rośnie wraz ze wzrostem długości światłowodu

Generacje światłowodów Pierwsza generacja (okno 850nm) - 1972 amerykańska firma Corning Glass - światłowodowe włókno wielomodowe Druga generacja (okno 1300nm) - w roku 1987 udało się po raz pierwszy zastosować światłowód jednomodowy o prawie zerowej dyspersji Trzecia generacja (okno 1550nm) charakteryzuje się najmniejszą tłumiennością jednostkową (od 0,16 do 0,2 dB/km) Czwarta generacja wiąże się z wprowadzeniem szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA, komutacji i zwielokrotnienia falowego WDM Piątą generację tworzą najnowsze osiągnięcia w zakresie transmisji solitonowej – impulsy optyczne o dużej mocy (co teoretycznie prowadzi do nieograniczonego wzrostu pojemności transmisyjnej)

Światłowody wielomodowe (ang. Multi Mode Fiber, MMF) - średnica rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. Następuje tu rozdzielenie fali wejściowej na wiele promieni o takiej samej długości fali, lecz propagowanymi po innych drogach. Występuje tu zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego, a więc ograniczenie prędkości transmisji i odległości, na jaką może być transmitowana. Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe. 640 do 650 modów! jednomodowe (ang. Single Mode Fibers, SMF) - średnica rdzenia od 8 do 10 mikrometrów. Sygnał – wytworzony przez laser półprzewodnikowy – ulega tylko niewielkim zniekształceniom. Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym. Zasięg do 200 km. Może być kilka modów!

Wielomodowe – 50 lub 62,5 m światłowód skokowy - współczynnik załamania światła inny dla rdzenia i płaszcza (duża dyspersja więc niewielkie odległości) światłowód gradientowy – gęstość kwarcu zmienna płynnie, mniejsza droga promienia to mniejsza dyspersja (do 2 km) Jednomodowe – ~9 m telekomunikacja – tanie ale światło spójne (laser drogi) – duże odległości

Okna transmisyjne światłowodów • Okno transmisyjne długości fali 850 nm – najstarsze - wysoka tłumienność (4dB/km). kabel gradientowy – jaskrawe czerwone – koszty niskie – do 1Gb/s • Okno transmisyjne długości fali 1300 nm – od roku 1987 - tłumienność około 0,4 dB/km. odległości do kilkudziesięciu kilometrów. laser Maksymalna prędkość transmisji danych 80 – 100 Gb/s Zakres pomiędzy oknami 1300 i 1550 nie jest wykorzystywany (niekorzystne zjawiska chemiczne) • Okno transmisyjne długości fali 1550 nm – od 1989, specjalne kable, tłumienność około 0,16 dB/km, transmisja na duże odległości.

f=v/  1 UKF f 1,3 do 2,5.1014Hz=130 do 250 THz

długość fali = Tłumienie rośnie dla wyższych częstotliwości f = Tłumienie – sygnał podlega degradacji Np. światłowód – 0,2 dB/km. I tak po ok. 10 km spadek 3-krotny, ale możliwe >100 km odcinki długość fali = Tłumienie światłowodów kwarcowych od długości fali maleje zgodnie z krzywą Rayleigh'a, z czwartą potęgą długości fali światła. Tłumienie rośnie dla wyższych częstotliwości f =  =850 nm = 1,53 dB/km,  =1300 nm = 0,28 dB/km  =1550 nm = 0,138 dB/km f = f = stąd wybór okna poza granicą 1550nm !!! długie fale mała tłumienność – znamy z radia!!

Światłowody w Polsce

Urządzenia systemach światłowodowych diody optyczne nadawcze i odbiorcze (podczerwień) lub laser wzmacniacze optyczne