Sygnały, media, kodowanie Techniki Kodowania

Sygnały, media, kodowanie
Warstwa fizyczna
‰
‰
‰
‰
‰
‰
‰
Częstotliwość, widma, pasmo
Pojemności kanałów komunikacyjnych
Rodzaje danych i sygnałów
Zagrożenia transmisji
Rodzaje i charakterystyka mediów
Techniki kodowania
Techniki modulowania
Techniki Kodowania
1. Dane cyfrowe, sygnał cyfrowy
2. Dane analogowe, sygnał cyfrowy (telekomunikacja)
3. Dane cyfrowe, sygnał analogowy
4. Dane analogowe, sygnał analogowy
1
Dane cyfrowe, sygnał cyfrowy
sygnał cyfrowy
ynieciągłe impulsy napięcia
ykażdy impuls jest elementem sygnału
yDane binarne zakodowane jako elementy sygnału
Pojęcia podstawowe(1)
jednobiegunowe
ywszystkie elementy sygnałowe mają ten sam znak
dwubiegunowe
ystany logiczne są odwzorowane na elementy
sygnałowe dodatnie i ujemne
Szybkość transmisji
yszybkość przekazywania danych w bitach na sekundę
czas trwania, długość bitu
yczas potrzebny do transmisji jednego bitu
2
Pojęcia podstawowe (2)
Szybkość modulacji
yszybkość zmian stanów sygnału
yMierzona w baud = liczba elementów sygnałowych
na sekundę
Mark i Space
ybinarne 1 i binarne 0
Rozpoznawanie sygnałów
Co trzeba znać ?
yPołożenie w czasie - gdzie się zaczynają i gdzie
kończą
ycechy sygnałów, np. poziomy
Elementy decydujące o poprawności
rozpoznawania sygnałów
ywspółczynnik sygnał/szum = S/N
yszybkość transmisji
ypasmo sygnału
3
Porównanie metod kodowania (1)
Wykorzystane pasmo częstotliwości
yeliminacje wysokich częstotliwości ogranicza
wymagane pasmo
ybrak składowej stałej pozwala stosować
transformatory i zapewniać izolację
yskoncentrować moc sygnału w wąskim paśmie
przekazywanie sygnału zegara
ySynchronizacja odbiornika z nadajnikiem osobnym
sygnałem
yZewnętrzny zegar
ySynchronizacja oparta na cechach samego sygnału
Porównanie metod kodowania (2)
Wykrywanie błędów
ymoże być elementem metody kodowania
Odporność na zakłócenia i generowanie
zakłóceń
yindywidualne cechy kodów
koszt i złożoność
ywyższe szybkości transmisji są droższe
4
Przykłady kodów
Bez powrotu do zera - poziom (NRZ-L)
Bez powrotu do zera - INV (NRZI)
Dwubiegunowy -AMI
Dwubiegunowy-MLT3
Pseudoternary
Manchester
Manchester różnicowy
B8ZS
HDB3
Bez powrotu do zera - poziom
(NRZ-L)
Dwa różne napięcia dla bitów 0 i 1
Napięcie jest stałe w czasie 1 bitu
ynie ma przejścia, powrotu do zera
np. brak napięcia= 0, stałe dodatnie= 1
częściej dodatnie napięcie dla jednego i
przeciwne dla drugiego bitu
5
Bez powrotu do zera odwrócone (NRZ-I)
Bez powrotu do zera odwrócone przy bicie = 1
Napięcie jest stałe w czasie 1 bitu
stan bitu jest odwzorowany jako zmiana sygnału
lub jej brak na początku okresu trwania bitu
zmiana oznacza 1
brak zmiany oznacza bit 0
przykłady ...
NRZ
6
Kodowanie różnicowe
Sygnał określa różnice między bitami a nie sam
stan bitu
Bardziej niezawodne wykrywanie zmian niż
poziomów
Przy złożonych modelach kodowania jest
niebezpieczeństwo całkowitej utraty znaczenia
danych
NRZ wady i zalety
Zalety
yProstota realizacji
ydobre wykorzystanie pasma
Wady
yskładowa stała
ybrak mechanizmów synchronizacji
Nie jest często stosowana w transmisji danych
samodzielnie
Często łączona z innymi technikami kodowania
7
Wielopoziomowe
Użycie więcej niż dwóch poziomów
Dwubiegunowy -AMI
y Bit 0 to brak napięcia
y Bit 1 to impuls dodatni lub ujemny
y Impulsy są naprzemiennego znaku
Dwubiegunowy - MLT3
y Bit 0 to sygnał bez zmian (kod różnicowy)
y Bit 1 to impuls cyklicznie +1,0,-1,0,+1,0...
Cechy
y Synchronizacja przy ciągu zer jest tracona
y brak składowej stałej w długich okresach
y niskie pasmo częstotliwości
y łatwe wykrywanie błędów
Pseudoternary
Bit 1 to brak napięcia
Bit 0 to impuls dodatni lub ujemny
Impulsy są naprzemiennego znaku
porównywalny kod z dwubiegowym kodem AMI
8
Dwubiegunowy-AMI i
Pseudoternary
Ocena kodów dwubiegunowych
Nie są tak efektywne jak NRZ
ykażdy element reprezentuje tylko jeden bit
yw 3 poziomowym systemie może reprezentować
log23 = 1.58 bitu
yOdbiornik musi odróżniać trzy poziomy
(+A, -A, 0)
yWymaga ok. 3dB więcej mocy sygnału przy tym
samym prawdopodobieństwie błędu
Używane wraz z kodowaniem szyfrującym
eliminującym utratę synchronizacji
y4B5B w IEEE 802.3x
9
Dwufazowe
Manchester
y Przejście zawsze w połowie bitu
y Zmiana oznacza dane i określa zegar
y Zmiana w górę to bit 1
y Zmiana w dół to bit 0
y Używane u standardzie IEEE 802.3 10MB/s
Manchester różnicowy
y Przejście w połowie bitu do przekazania zegara nadajnika
y Zmiana na początku okresu oznacza bit 0
y Brak zmiany oznacza bit 1
y jest to rodzaj kodowania różnicowego
y Używane u standardzie IEEE 802.5
Kodowanie dwufazowe wady i zalety
Wady
yCzęste zmiany sygnału jedna lub dwie na każdy bit
ySzybkość modulacji dwa razy większa niż przy NRZ
yWymaga szerokiego pasma
Zalety
yDobra synchronizacja i pewne przenoszenie sygnału
taktującego nadajnika
yBrak składowej stałej nawet w krótkich odcinkach
czasu
yWykrywanie błędów
xbrak koniecznej zmiany w środku okresu
10
Szybkość modulacji
Scrambling - Szyfrowanie
Szyfrowanie wprowadzone jest po to, aby
eliminować niepożądane układy bitów
Idea szyfrowania i jej cel
yMusi wymuszać zmiany zapewniające synchronizację
yMusi być rozpoznawana przez odbiornik w celu
przywrócenia postaci pierwotnej
Eliminacja składowej stałej
Eliminacja okresów stałości sygnału
Nie może zmieniać szybkości transmisji
Powinno zapewniać wykrywanie błędów
11
B8ZS
Dwubiegunowe z zamianą 8-miu zer
Oparte na dwubiegunowym-AMI
oktet zer i ostatni impuls dodatni kod jest 000+-0-+
oktet zer i ostatni impuls ujemny kod jest 000-+0+Narusza kod AMI dwukrotnie
Mało prawdopodobne postanie takich naruszeń w
wyniku zakłóceń
Odbiornik zamienia takie układy na osiem bitów
równych zeru
HDB3
High Density Bipolar 3 Zeros
Oparte na dwubiegunowym-AMI
Ciąg czterech zer zamieniony zostaje na jeden
lub dwa impulsy
12
B8ZS and HDB3
Dane cyfrowe, sygnał
analogowy
System telefonii publicznej
y300Hz to 3400Hz
yzastosowanie modemu (modulator-demodulator)
Modulacja Amplitudy, Amplitude shift keying
(ASK)
Modulacja częstotliwości, Frequency shift keying
(FSK)
Modulacja Fazy, Phase shift keying (PK)
13
Techniki modulacji
Modulacja Amplitudy
Wartości są reprezentowane przez zmienną
amplitudę nośnej
wrażliwa na zmiany wzmocnienia
nieefektywna
do 1200bps w liniach telefonicznych
używana w światłowodach
14
Modulacja częstotliwości
Wartości są reprezentowane przez różne
częstotliwości, zbliżone do nośnej
Mniej wrażliwa na zakłócenia niż AM
do 1200bps w liniach telefonicznych
przekaz radiowy
sygnały sieci LAN
FM w liniach telefonicznych
15
Modulacja fazy PM
Kąt fazy sygnału odzwierciedla wartości
Różnicowa modulacja fazy
yfaza sygnału oddaje różnicę miedzy daną wartością a
poprzednią a nie samą wartość
QPSK Æ (MPSK) Æ TCM
Kombinacja modulacji fazy i amplitudy
Każdy element sygnałowy reprezentuje więcej niż jeden bit
y np. przesuwa fazę o N * π/2 (90o)
y Modemy 9600b/s wykorzystują 12 kątów fazowych, dla czterech z nich
są dwie amplitudy , razem 16 stanów => 4 bity (V.32)
9600 b/s = 2400 baud * log2 (16)
16
Własności sposobów modulacji
Własności sposobów modulacji
Pasmo
y Pasmo ASK i PSK jest bezpośrednio związane z prędkością
transmisji w bps.
y Pasmo FSK jest związane z
xDla niskich częstotliwości z prędkością nadawania danych
xDla dużych częstotliwości z odstępem (offsetem) pomiędzy
częstotliwością modulowaną a nośną
W obecności szumów, prawdopodobieństwo
przekłamania w modulacji BPSK (i QPSK) jest około 3dB
mniejsze niż w modulacji ASK i FSK.
17
Dane analogowe, sygnał
cyfrowy
Próbkowanie
yKonwersja danych analogowych do danych cyfrowych
yDane cyfrowe mogą być transmitowane przy użyciu
NRZ-L
yDane cyfrowe mogą być transmitowane przy użyciu
NRZ-L
yDane cyfrowe mogą być zamienione na analogowe
yKonwersja Analogowo – cyfrowa jest zrealizowana
przy użyciu tzw. codec’ów
yModulacja PCM (Pulse Code Modulation)
yModulacja Delta
Pulse Code Modulation(PCM) (1)
Jeżeli sygnał jest próbkowany ze stałą częstotliwością
większą niż 2 razy największa częstotliwość sygnału,
próbki zawierają wszystkie informacje o tym sygnale
Jeśli mniej – to możliwy aliasing – zniekształcenie
sygnału
Głos ma pasmo ograniczone do poniżej 4000Hz
Wymagają 8000 próbek na sekundę
Z każdą próbką związana jest liczba
y USA i Japonia – 7 bitowa (56kbps)
y Europa – 8 bitowa (64kbps)
18
Pulse Code Modulation(PCM) (2)
4 bity dają tylko 16 poziomów sygnału
Kwantyzacja
y Błąd kwantyzacji (szum kwantyzacji)
[d B ], a Î (0 , 1 )
y S N R = 6n - a
y Jest oczywiste, że sygnału nie uda się odtworzyć dokładnie
y Próg zrozumienia kształtuje się na poziomie ok. 35dB
8 bitowe próbki dają 256 poziomów
Jakość porównywalna z transmisją analogową
8000 próbek na sekundę daje 64kbps
Kodowanie nieliniowe
Dla małych sygnałów SNR jest bliskie krytycznemu
Poziomy kwantyzacji nie powinny być rozłożone równomiernie
Zmniejszenie poziomu słyszalnych zniekształceń
Podział
y 1 bit – znak
y 3 bity – strefa
y 4 bity wartość
19
Modulacja Delta
Sygnał analogowy jest aproksymowany przez
funkcję schodkową
Schodek w górę lub w dół (jeden poziom δ) przy
KAŻDEJ próbce
Nawet przy stałej wartości sygnału
aproksymacja zmienia swoją wartość.
Wtedy też następują najszybsze zmiany sygnału
nadawanego
CoDec’i
Modulacja Delta - przykład
20
Delta Modulacja - działanie
Dane analogowe, sygnał
analogowy
Po co modulować sygnał analogowy?
yWyższa częstotliwość – efektywniejsza transmisja
yMultipleksowanie z podziałem częstotliwości
Typy modulacji
yAmplitudy
yCzęstotliwości
yFazy
21
Modulacja
analogowa
Rozproszone pasmo
Wysyłany sygnał ma zawsze postać cyfrową
TDM
FDM
Zamiast nadawać w wąskim paśmie (żeby nikomu nie
przeszkadzać) nadajemy w szerokim paśmie razem z
innymi użytkownikami
Wymagana spora moc obliczeniowa i odpowiedni sprzęt
Skakanie po częstotliwościach
y Sygnał jest rozpraszany poprzez zmienianie częstotliwości po
nadaniu części sygnału
Rozpraszanie kodowe (Direct Sequence)
y Każdy bit jest reprezentowany przez wiele bitów w
transmitowanym sygnale
y Chipping code
22
Spread Spectrum
Frequency Hoping Spread Spectrum
23
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
24