SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE

SYSTEMY
TELEINFORMATYCZNE
AiR 5r.
Wykład 1
dr inż. Tomasz Bajorek
bud.L p.28
[email protected]
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.
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.
Specjalność: projektowanie,
programowanie i utrzymanie sieci
teleinformatycznych
(na podstawie WIKIPEDIA)
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
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 impulsowokodowa 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 = 10 log10
Psygn
Pszumu
dB /decybeli/
standardowa linia telefoniczna ok. 20 dB czyli Psygnału/Pszumu= 100
Ile??????????????
Zanik sygnału...
Tłumienie
τ= 10 log10
dla U i I
Pwej
Pwyj
dB /decybeli/
20 log
Uwe
bo log P= 2*log
Uwy
2
Uwe
U2wy
więc współczynnik 10 żeby wielkości były porównywalne
U2
P=
R
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
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
sygnał
informacyjny
Nadajnik
Źródło
informacji
estymata sygnału
informacyjnego
Odbiornik
Użytkownik
informacji
Kanał
sygnał
nadany
sygnał
odebrany
A zatem podstawowe elementy
systemu telekomunikacyjnego to:
• nadajnik (urządzenie końcowe)
• kanał transmisyjny (medium transmisji)
• odbiornik (urządzenie końcowe)
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 – telefony, PDA (Personal
Digital Assistent) itp/
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
dB
20 Hz
Uwy
Uwe
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. 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. Metcalfe
RAMKA (pakiet, frame) – porcja danych przesyłana w sieci
7 B (7x8 bitów)
10101010101010101010101010101010101010101010101010101010
SFD - (ang. start frame delimiter)
10101011
naprzemienne 0 i 1 synchronizacja
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.
Wykorzystywany w sieciach lokalnych (mały zasięg) – już rzadko
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
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 µm
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 µm
telekomunikacja – tanie ale światło spójne (laser drogi) – duże
odległości odcinka (do 200 km)
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.
λ =380 - 436 nm fiolet,
nanometr
1 nm= 10-9m
mikrometr
λ = 566 - 589 nm żółty (żółty),
λ = 589 - 627 nm pomarańczowy,
f=v/ λ
λ = 627 - 780 nm czerwony.
swiatłowód
1 µm=
10-6m
λ = 436 - 495 nm niebieski,
λ = 495 - 566 nm zielony,
1
4.10-7
8.10-7
UKF
f
1,3 do 2,5.1014Hz=130 do 250 THz
3/14
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
λ= v
f
Tłumienie światłowodów kwarcowych maleje zgodnie z krzywą Rayleigh'a, z
czwartą potęgą długości fali światła.
Tłumienie rośnie dla wyższych częstotliwości
λ =850 nm τ= 1,53 dB/km,
f=
λ =1300 nm τ= 0,28 dB/km
f=
λ =1550 nm τ= 0,138 dB/km f =
200000000
12
=
175
⋅
10
= 175 THz
−6
0,850 ⋅ 10
200000000
= 115 ⋅ 1012 = 115 THz
−6
1,3 ⋅ 10
200000000
12
=
95
⋅
10
= 95 THz
−6
1,550 ⋅ 10
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