SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE

Prezentacja na temat: "SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE"— Zapis prezentacji:

1 SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE
Wykład 2 AiR 5r.

2 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 $

3 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.

4 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

5 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

6 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

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

8 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

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

10 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)

11 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)

12 sygnał analogowy sygnał cyfrowy

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

14 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)

15 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 +...

16 Definicje współczynników szeregu Fouriera

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

18 ...obliczamy kolejne współczynniki:
itd., ostatecznie

19 superpozycja składowych

20 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)

21 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

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

23 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

24 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)

25 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

26 Delta Diraca wywodzi się z funkcji Gaussa

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

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

29 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

30 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.

31 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).

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

33 phase frequency

34 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 –  PM

35 ! AM FM PM

36 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.

37 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

38 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 3 każdy z 4 sygnałów akustycznych ma swoją częstotliwość nośną 4 kHz f 4 f 4 kHz

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

40 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

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

42 PWM (szerokość) dla sygnału cyfrowego
zegar dane wyjście

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

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

45 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 PCM - 4 bity (16 poziomów)

46 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

47 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.

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

49 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

50 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

51 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

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

53 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

54 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

55 127 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

56 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

57 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

58 Law bardzo podobny przebieg funkcji do A-LAW

59 (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

60 4 etap KODOWANIE Końcowa faza – strumień cyfr binarnych
Pobranie skwantyzowanego sygnału PCM i przekształcenie każdej próbki na strumień 8 bitów

61 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

62 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

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

64 czyli inwersja bitów parzystych
bity !! A–LAW 255 1 i t d . .. 1 i t d + 1 - bit1 170 kodowanie XOR 55 XOR 55 5516= czyli inwersja bitów parzystych

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