Telekomunikacja i Transmisja danych PDF4 Wykład 6

Wielokrotności Podwielokrotności Mnożnik Nazwa Symbol 100 101 deka da 10–1 decy d 102 hekto h 10–2 centy c 103 kilo k 10–3 mili m 106 mega M 10–6 mikro µ 109 giga G 10–9 nano n 1012 tera T 10–12 piko p 1015 peta P 10–15 femto f 1018 eksa E 10–18 atto a 1021 zetta Z 10–21 zepto z 1024 jotta Y 10–24 jokto y k kilo 103 (małe k) K = 1024 =210 np. Kb a nie kb KB a nie kB

Wracamy do modulacji ....przypomnienie ... czyli nie zajmujemy się systemami stricte analogowymi i ich analogową transmisją Jedynie: - transmisją cyfrową i analogową sygnałów cyfrowych, - reprezentacją cyfrową sygnałów analogowych dla celów teleinformatycznych (np. multimedia, VoIP –voice over IP)

Modulacja impulsowa cyfrowa - standardowa PCM – impulsowo-kodowa - podobna do modulacji amplitudy PAM, lecz amplituda jest „skwantowana” – zaokrąglona do najbliższej wartości ze skończonego zbioru wartości - przybliżenie tu: skwantowana amplituda i równomierny rozkład impulsów- szerokość impulsów nie ma znaczenia 3 2 1 01 10 11 11 10 10 01 01 01 10 10 10 01 00 czas sygnał PCM „paczka”

Przetwarzanie sygnału analogowego na formę cyfrową - „w miarę” dokładne przetworzenie, aby estymata pozwoliła odtworzyć sygnał źródłowy - niedokładność – skala „szarości” zamieniona na "biel" i "czerń"

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

FILTROWANIE Izolacja częstotliwości, którymi jesteśmy zainteresowani Np. 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 (następny etap) przyjmuje się 4 kHz

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

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 rozmowy 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

Kompansja: 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 dużo poziomów dla małych amplitud amplituda małe amplitudy

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

inaczej w –LAW, inaczej w A-LAW KODOWANIE Końcowa faza – strumień cyfr binarnych Pobranie skwantyzowanego sygnału PAM i przekształcenie każdej próbki na na strumień 8 bitów inaczej w –LAW, inaczej w A-LAW

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

Po transmisji, 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 1 XOR127 127

czyli inwersja bitów parzystych bity 2 3 4 5 6 7 8 !! A–LAW 1 i t d . .. 1 i t d + 1 - bit1 kodowanie XOR 55 XOR 55 5510=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

Technologie obwodów cyfrowych

Sygnał analogowy - tłumienie - dłuższy odcinek telekomunikacyjny - wzmacniaki ...oraz szumy. Szumy dodają się do sygnału z informacjami i zniekształcają go. Wzmocnieniu ulega sygnał właściwy i szumy Sygnał cyfrowy charakteryzuje się tym, że przenosi policzalną ilość danych zakodowaną za pomocą dwóch jednoznacznie rozróżnialnych stanów "0" i "1". Pozwala to przy dużym „zaszumieniu” łącza transmisyjnego przesłać informację z niskim stopniem przekłamań. W przypadku transmisji na większe odległości, aby polepszyć jakość sygnału i zarazem wyeliminować maksymalnie wiele błędów stosuje się kodowanie linii

Oprócz tego, aby mieć pewność, że nie wystąpiło przekłamanie używa się kodów detekcyjnych, które są budowane w postaci "0" i "1" jeszcze w urządzeniu nadawczym przed wysłaniem sygnału na linię Do naprawy zaistniałych błędów wykorzystuje się kody korekcyjne. Istnieje duża wiarygodność przesyłanych danych w systemie cyfrowym w stosunku do sygnału analogowego

dodatkowo jeszcze kodowanie linii..... 4-ty etap PCM to Kodowanie sygnału .. operacja, która dzieje się zaraz po kwantyzacji i ma na celu: przyporządkowanie 8-bitowej wartości cyfrowej skwantyzowanej próbce analogowej. Taka 1-bajtowa informacja przenosi informację o numerze poziomu, jakiemu odpowiadała dana próbka sygnału analogowego. dodatkowo 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 eliminacja składowej stałej G.E. Thomas –1949 r. zegar – wzór fazowania sygnał przykładowy 1 1 1 1 kodowanie Manchester unipolarne kodowanie Manchester bipolarne IEE 802.3 eliminacja składowej stałej 1 1 1 1

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 sygnał przykładowy 1 1 1 1 kodowanie AMI 1 1 1 1

jeśli 8 zer to 4 dod. impulsy 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 ten drugi i 3 następne są dodane extra jeśli 8 zer to 4 dod. impulsy 1 same 0 lepsze wypełnienie dla synchronizacji B8ZS itd. 7-me 0 8-me 0 4-te 0 5-te 0 + - - + nie wprowadza dod. składowej stałej

Zwielokrotnianie (multipleksowanie) w systemach analogowych i cyfrowych Systemy analogowe dla zwiększenia liczby kanałów telefonicznych wykorzystywały zwielokrotnienie częstotliwościowe, które wymagało rozszerzenia pasma kanału transmisyjnego - polegało ono na układaniu kolejnych kanałów telefonicznych 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.

TDM – Time Division Multiplexing 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

Daje to możliwość stosowania zwielokrotnienia z podziałem czasu w sposób nieograniczony, zwiększając przepustowość teoretycznie niemal w nieskończoność Teoretycznie urządzenia teletransmisyjne mają ograniczoną szybkość, ale nie można skracać im czasu trwania szczelin w nieskończoność, gdyż w którymś momencie przestaną zauważać wszystkie informacje. (rola światłowodów) Dodatkowo występuje jeszcze ograniczenie wynikające z możliwości synchronizacyjnych urządzeń nadawczych i odbiorczych (np. w systemach PDH – własne zegary)

Metody zwielokrotniania - multiplexowania 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.) 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/s metodą bajt po bajcie ..wyżej już bit po bicie.. jak samochody wjeżdżające z wielu ulic w jedną .. znany przykład.. o tej samej szerokości co dojazdowe – muszą jechać szybciej z przeplataniem

Hierarchia plezjochroniczna - PDH T USA Europa

TDM – time division multiplexing sygnały DS0 sygnał DS1 T1 1 64 kb/s 2 ... 24 23 2 1 3 MUX ... 32 31 2 1 4 multiplexer 2Mb/s E1 24 lub 30 kierunek przesyłu TDM – time division multiplexing

Własności PDH – kilka poważnych wad: wydzielenie powrotne kanału 2 Mbit/s z sygnału o większej przepływności nie jest sprawą prostą, w miarę wzrostu ilości połączeń miedzy urządzeniami rośnie prawdopodobieństwo pomyłek – kłopoty z zestawieniem połączenia brak możliwości kontroli jakości transmisji, format ramki PDH nie przewiduje dość miejsca na informacje systemu zarządzania siecią. jeżeli chcemy wydzielić pojedynczy kanał 64Kb/s, wymaga to od nas demultipleksacji całego strumienia.

PDH – plezjochroniczne – problemy prawie synchroniczne w zestawianiu kanałów – trzeba usuwać lub dodawać bity często kanały różnią się co do fazy – bity z różnych kanałów nawet jeśli częstotliwość i występowania ta sama to bity z różnych kanałów przesunięte w czasie kłopot - po połączeniu różnych kanałów (multipleksowanie) dostęp do kanałów składowych tylko po demultipleksowaniu sumarycznego sygnału – kłopotliwe MULTIPLEKSOWANIE – łączenie sygnałów w jeden sumaryczny sygnał o „podobnej” pojemności (trochę większej – dochodzą bity kontrolne)

wadą systemu PDH jest brak standaryzacji „styku optycznego” (kabel światłowodowy), co uniemożliwia stosowanie urządzeń różnych producentów po dwóch stronach światłowodu - konieczność stosowania dodatkowych urządzeń konwertujących sygnał optyczny w elektryczny i z powrotem w optyczny w innym standardzie. PDH ma on ograniczoną przepustowość szczelin administracyjnych (ręczne przepinania kabli na tzw. krosownicach). System PDH przy multipleksacji korzysta ze zwielokrotnienia TDM. Polega ono na wysyłaniu w jednym paśmie sygnału i rozdzielaniu czasu równo pomiędzy wszystkich użytkowników, każdy strumień 64 Kb/s – co jest wadą przy zróżnicowanych wymaganiach – np przesył danych, obrazu