carrierless amplituda modulacji fazy

1
Transmisja cyfrowa
i analogowa
2
Istnieją dwa odmienne sposoby przesyłania
dowolnej
informacji
przez
łącza
radiokomunikacyjne: transmisja analogowa i
transmisja cyfrowa.
Transmisja cyfrowa w najprostszym wydaniu
oznacza, że przesyłany jest ciąg impulsów
dwustanowych typu tak/nie, podobnie jak w
komputerach.
Sygnały te, zwane bitami, mogą być
transmitowane przy współczesnych technologiach w
szerokim zakresie szybkości, nawet powyżej
kilkadziesiąt Mb/s.
3
Transmisja analogowa oznacza, że są
przesyłane
sygnały
o
ciągłym
widmie
częstotliwości, takim jak głos, dźwięk lub światło.
Większość
istniejących
łączy
radiokomunikacyjnych, po których są przesyłane
dane na najniższym poziomie infrastruktury, jest
przeznaczona do transmisji analogowej, a nie
cyfrowej.
4
Istnieje
wiele
parametrów
charakteryzujących
przydatność
łączy
telekomunikacyjnych do transmisji danych.
Przepływność kanału radiowego
Szerokość
Szerokość pasma
pasma
Stopa
Stopa błędów
błędów
Prędkość
Prędkość transmisji
transmisji
Poziom
Poziom szumu
szumu w
w kanałe
kanałe
5
Przepływność
kanału radiowego
6
Przepływność torów teletransmisyjnych
(do niedawna oznaczana jako przepustowość
kanału i nadal jeszcze określana w ten sposób)
zależy od typu łączy.
Łącza do transmisji cyfrowej są
projektowane na określoną szybkość przesyłama
wyrażoną w bitach na sekundę (b/s).
Przydatność łącza analogowego do pracy z
różnymi szybkościami jest charakteryzowana
szerokością pasma.
7
Szerokością pasma jest różnica między
górną a dolną częstotliwością pasma, które
kanał
jest
zdolny
przenieść
z
nierównomiemością nie gorszą niż 3 dB.
Szerokość pasma jest wyrażona w hercach (Hz,
kHz, MHz, GHz, THz).
8
Przepływnością kanału (przepustowością)
nazywamy zdolność kanału do przenoszenia
informacji binarnej, to znaczy określenia, ile
bitów danych można przesłać w ciągu 1
sekundy
przez
konkretne
medium
transmisyjne.
Przepływność binarna jest wyrażana w
bitach na sekundę (b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s).
9
Dzięki odpowiedniej modulacji sygnału
przepływność kanału, wyrażona w bitach na
sekundę, jest zwykle kilkakrotnie wyższa od
szerokości pasma tego kanału, wyrażonej w
hercach.
Do obliczania przepływności kanału z
uwzgłędnieniem
liczby
M
–
zmian
zmodułowanego sygnału (np. poziomów
napięcia) stosuje się prawo Nyquista.
10
!
Prawo to w postaci:
P = 2 B ⋅ log 2 M
określa przepływność P kanału
w zależności od szerokości
Harry Nyquist
pasma B oraz liczby różnych 7.02.1889 – 4.04.1976
stanów
charakterystycznych
sygnału M i zależy od
przyjętego sposobu modulacji
informacji.
11
Maksymalna teoretyczna przepływność kanału
jest ograniczona prawem Shannona, które jest
fundamentalnym prawem transmisji danych.
Prawo to w postaci:
P = B ⋅ log 2 (1 + S N )
określa maksymalną przepływność P kanału w
zależności od szerokości pasma B oraz stosunku
mocy sygnału S do mocy szumu termicznego N
i nie zależy od przyjętego sposobu modulacji
12
informacji.
Stosunek sygnału do szumu –
„Signal to noise rario”.
P = B ⋅ log 2 (1 + SNR)
Ps
SNRdB = 10 ⋅ log10
Pn
13
Rozpatrzmy przykład.
Przepuśćmy, iz widmo kanałowe leży w
przydziale od 3 do 4 MHz, zaś stosunek sygnału
do szumu (SNR) wynosi 24 dB.
Wówczas: B = 4MHz-3MHz=1MHz,
(SNR)=24db=10·log10 (SNR) ⇒ SNR=251
Zastosujmy prawo Shannona:
P=106× log2 (1+251) ≈ 106 × 8 = 8Mbit/s
Jest to granica teoretyczna i osiągnąć ją jest
14
niemożliwie.
Więc granica teoretyczna wynosi:
P=106× log2 (1+251) ≈ 106 × 8 = 8Mbit/s
Załóżmy jednak, iż osiągneliśmy ją.
Ile według prawa Nyquista wtedy
będzięmy potrzebowali poziomów (stanów)
sygnału?
P=2B·log2M,
8×106 = 2×106 × log2M,
4 = log2M ⇒ M=16
15
Shannon Claude Elwood matematyk i inżynier amerykański.
Członek Narodowej Akademii
Nauk w Waszyngtonie i Amerykańskiej
Akademii Umiejętności w Bostonie.
Profesor Massachusetts Institute of
Technology w Cambridge (od 1956).
Jeden z twórców teorii informacji.
Od 1941 w Bell Telephone Laboratories
prowadził badania w zakresie warunków
przenoszenia informacji, 1948 opracował
metodę ilościowego jej wyrażania.
Podstawowa praca: Mathematical
Theory of Comunication (1949).
16
Modulacja
17
Modulacja stosowana w radiokomunikacji
jest procesem konwersji informacji cyfrowej na
postać analogową, która może być transmitowana
przez lącza radiowe.
W radiokomunikacji proces ten zachodzi w
radiomodemach działających na zasadzie emisji
ciągłej, sinusoidalnej fali nośnej, której parametry
są modyfikowane odpowiednio do wartości
posyłanych danych.
18
Recall: Dig Comm Principle
1 0 1 0………
1
AM
0
Digital
code
Analog
message
0
1
Digital message
1
1
0
modulate
0
Sinusoidal carrier
FM
PM
AM &
PM
19
Modyfikacja wejściowym sygnałem cyfrowym
jednego z trzech parametrów opisujących idealną sinusoidę
fali nośnej: amplitudy, częstotliwości oraz fazy,
umożliwia uzyskanie wielu punktów charakterystycznych
sygnału nośnej, zwanych konstelacją.
20
Przejścia pomiędzy kolejnymi stanami
charakterystycznymi w konstelacji noszą nazwę
momentów znamiennych, a przedział czasowy
między nimi nazywany jest elementem modulacji.
21
Szybkość modulacji a
szybkość transmisji
22
Jednostką miary szybkości modulacji jest
bod (baud), określający maksymalną liczbę zmian
momentów lub stanów charakterystycznych w
czasie l sekundy.
Dla sygnałów telegraficznych o dyskretnym
przebiegu czasowym wyróżniane są tylko dwa
stany charakterystyczne i dla takich sygnałów
szybkość
modulacji
jest
równoważna
z
przepływnością binarną (l bod = l b/s).
23
We współczesnych modemach jeden stan
charakterystyczny w konstelacji niesie informację o
większej liczbie bitów wejściowych (2, 4, a nawet
8 bitów informacji), zatem na l bod przypada
więcej bitów informacji, co odpowiednio zwiększa
przepływność binarną kanału.
24
Baudot
Jean
Maurice
Émile
(1845-1903),
wynalazca francuski.
Od jego nazwiska pochodzi
nazwa
jednostki
szybkości
transmisji sygnałów - bod.
25
Szybkość transmisji kanału jest określana
liczbą przesyłanych bitów informacji binarnej w
czasie l sekundy przez kanał telekomunikacyjny,
przy wymaganej i ustalonej stopie błędów.
(Dla
różnych
nośników
informacji
przewiduje się różne stopy błędów transmisji).
26
Maksymalna
teoretyczna
szybkość
transmisji (przepływność binarna) przez kanał
telekomunikacyjny jest ograniczona szerokością
pasma i zgodnie z prawem Shannona nie zależy od
typu przyjętej modulacji sygnału.
27
Zaawansowane systemy modulacji, oparte na
wielowartościowym kodowaniu M-ary (do 8
bitów na jeden element modulacji), a także na
wielowymiarowej interpretacji fali nośnej (do 4
wymiarów), umożliwiają nawet kilkunasto krotne
zwiększenie przepływności binarnej konkretnego
kanału.
28
29
Wzrostu przepływności kanału nie należy
wiązać z kompresją informacji wejściowej, która
pomimo że podnosi efektywną szybkość przekazu,
nie jest związana z parametrami fizycznymi toru
przesyłowego, lecz z większym upakowaniem
informacji wejściowej.
30
„Baud Rate” a „Bit Rate”
Szybkości modulacji
Szybkość transmisji
31
1
0
„Baud Rate” a „Bit Rate”
Æ 2 amplitudes (signals), 1 bit/baud
11
01
00
10
101
001
010 011 100
000
Æ 4 amplitudes (signals), 2 bits/baud
111
110
Æ 8 amplitudes (signals), 3 bits/baud
32
33
Możliwość
modulowania
fali
nośnej
przebiegiem o liczbie stanów większej niż 2
nazwano modulacją wielowartościową (M-ary).
Przesłanie duobitów (2 bity informacji)
wymaga czterech stanów charakterystycznych fali
zmodulowanej i określana jest modulacją
czterowartościową.
Modulacja przy użyciu trójbitów (8 kodów)
nosi nazwę modulacji ósmiowartościowej, a
przęsła nie takich sygnałów wymaga 23 - 8
możliwych stanów charakterystycznych fali nośnej.
34
Skuteczność
widmowa
35
Parametr skuteczności widmowej BF
(Bandwidth Efficiency) wskazuje, jak wiele bitów
informacji cyfrowej można zakodować (przesłać)
w określonym paśmie częstotliwości.
"
Zasadniczy
wpływ
na
skuteczność
widmową, rozumianą jako stosunek szybkości
transmitowanych bitów (w b/s) do zajmowanej
szerokości pasma (w Hz) w kanale
transmisyjnym, ma przyjęty sposób modulacji,
szczególnie istotny dla uzyskiwania wysokich
przepływności w ściśle ograniczonym paśmie.
36
Skuteczność widmowa jest wyrażana w
bitach na sekundę na herc (b/s/Hz).
Na przykład: przesłanie pełnego kanału El
(2048 kb/s) przy modulacji QPSK o skuteczności
l,5 b/s/Hz wymaga pasma o szerokości 1,4 MHz
zamiast 2,048 MHz.
Do najbardziej skutecznych zaliczają się
modulacje z kodowaniem: 2B1Q (Two Binary
One Quarternary), CAP (Carrierless Amplitude
and Phase) i DMT (Discrete Multi-Tone).
37
38
Wydajne modulacje umożliwiają nawet
kilkakrotne zawężenie pasma przy zadanej
przepływności binarnej kanału, jednak ze względu
na określony wymagany stosunek sygnału do
szumu S/N w konkretnym medium transmisyjnym
skuteczność widmowa nie może rosnąć
nieograniczenie.
!
39
Efektywność transmisji
Segmentowanie informacji wejściowej pred
transmisją na bloki danych wymaga dołączenia
dodatkowych informacji sterujących do każdego
transmitowanego
bloku
informacji
nie
przenoszących treści użytkowej.
40
Im więcej sygnałów sterujących i
synchronizacyjnych znajduje się w samodzielnym
bloku informacji, tym niższa jest efektywność
wykorzystania transmisji określanej jako stosunek
liczby bitów informacyjnych do całkowitej
liczby przesyłanych bitów.
Z kolei im dłuższy jest ciąg transmitowanych
informacji (pakiet, ramka, komórka, znak), tym
wyższa efektywność transmisji.
41
Najniższą efektywnością (ok. 70%) cechuje
się
asynchroniczna
transmisja
znakowa,
powszechnie stosowana w modemach.
Narzut na sterowanie w protokole
pakietowym VoFR (Voice over Frame Relay)
wynosi dodatkowo tylko 6 bajtów na każde 64
bajty danych użytkowych (efektywność 91%),
natomiast dla sieci internetowych z przekazem
VoIP narzut wzrasta już do 28 bajtów
(efektywność transmisji ok. 70%).
42
Kasowanie echa
Stosowana w najnowszych technologiach
cyfrowych (ISDN, GSM, DCS) funkcja kasowania
echa w łączu telekomunikacyjnym ma na celu
maksymalne wykorzystanie pasma do transmisji
dupleksowych
prowadzonych
przez
łącza
jednotorowe (przewodowe, radiowe).
43
Inteligentny, adaptacyjny układ kasowania
echa, znajdujący się w urządzeniu końcowym i
oparty na procesorze sygnałowym DSP (Digrtal
Signal Procesor), sam rozpoznaje właściwy
kierunek transmisji, a przez odpowiednią
kompensację eliminuje z toru przesyłowego
szkodliwe sygnały pochodzące z:
•niezrównoważenia rozgałęznika liniowego,
•zmiennych w czasie parametrów linii,
•zbędnych przeników i przesłuchu między
różnymi kierunkami transmisji.
44
45
Technika preplotu
46
Technika pizeplotu (interleaving), stosowana
zwykle w nadajnikach radiowych (naziemnych i
satelitarnych) i skojarzona z operacja rozplotu
(deinterleaving) używaną przy odbiorze sygnału,
polega na rozpraszaniu występujących blisko siebie
paczek błędnych bitów w strumieniu informacji - na
znacznie szerszy zakres informacji przesyłanej
pizez ten sam kanał.
!
47
Dzięki temu uzyskuje się pojedyncze i
rozproszone w czasie błędy, które mogą być
identyfikowane i korygowane za pomocą
kodowania nadmiarowego, eliminując wpływ
zaników radiowych lub chwilowych spiętrzeń
błędów wynikających z zakłóceń sygnału
radiowego.
!
Typowym kodem nadmiarowego zabezpieczenia
transmisji szeregowej jest blokowy kod Hamminga.
48
Operacja przeplotu w nadajniku i
towarzysząca jej operacja rozplotu w odbiorniku
mają
za
zadanie
rozproszenie
ciągów
występujących blisko siebie błędnych bitów, jakie
mogą się pojawić na wejściu dekodera kanałowego
w odbiorniku.
Takie grupy błędów, zwane paczkami błędów
(ang. error burst) mogą być powodowane
własnościami kanału fizycznego (np. kanał z
zanikami) lub działaniem kodu wewnętrznego w
układzie, który stosuje tzw. kodowanie kaskadowe.
49
50
Przeplot polega na zmianie kolejności bitów
pobieranych z wyjścia kodera kanałowego, według
wcześniej ustalonej reguły, przed wysłaniem ich w
kanał transmisyjny.
51
Na rysunku a) pokazano przykładowy ciąg siedmiobitowych słów
kodowych A, B, C,... G, który generowany jest na wyjściu kodera kanałowego.
Układ przeplotu zmienia jego kolejność tak, że powstaje ciąg binarny
pokazany na rysunku b)., który następnie wysyłany jest w kanał.
W układzie rozplotu przywracana jest początkowa kolejność bitów (rys. c). 52
Jeśli w kanale zdarzy się, na przykład, pięciobitowa
paczka błędów, wówczas w układzie rozplotu błędy te
zostaną rozproszone tak, że w dowolnym siedmiobitowym
ciągu odebranym znajdzie się co najwyżej jeden błędny bit.
53
Jeżeli w układzie kodem zabezpieczającym przed
błędami będzie, na przykład, kod blokowy Hamminga,
wówczas zdoła on skorygować wszystkie pojedyncze błędy
występujące w ciągu danych, ale nie zdołałby skorygować
paczki błędów gdyby w systemie nie zastosowano
przeplotu.
54
Przeplot blokowy
W nadajniku bity z wyjścia kodera są zapisywane do
tablicy dwuwymiarowej w założonej kolejności.
Najprostszym rozwiązaniem jest zapis w kolejnych
wierszach tablicy.
Po zapełnieniu tablicy następuje jej odczyt w innej
kolejności np. w kolejności kolumn.
W odbiorniku odebrany ciąg jest zapisywany do
analogicznej tablicy (tablicy rozplotu) dokładnie w taki
sposób, w jaki następował jego odczyt z tablicy przeplotu
w nadajniku.
55
Można podać sekwencję adresów zapisu i odczytu z
tablicy.
Sekwencja adresowa i rozmiar tablicy tzw.
głębokość przeplotu powinny być dobrane tak, aby
zmienić charakter statystyczny powstałych w
kanale błędów paczkowych i uczynić je jak
najbardziej zbliżonymi do błędów niezależnych.
Należy podkreślić kluczowe znaczenie
synchronizacji dla poprawnego działania układu
przeplotu.
Tak więc często bity nadawane mają pewne
56
krótkie słowo pełniące funkcję synchronizacyjną.
Opisaną powyżej zasadę przeplotu łatwo zrealizować
w układzie tzw. przeplotu blokowego (wierszowokolumnowego).
57
Przeplot realizowany jest w macierzy o rozmiarze
M×N (na rysunku przyjęto M=4 oraz N=6).
Symbole wpisywane są do macierzy kolumnami. Po
zapełnieniu macierzy, odczyt odbywa się wierszami.
58
W układzie rozplotu zapis i odczyt maderzy
odbywają się w sposób odwrotny.
Dla każdej paczki K przekłamanych bitowi (N≥K), na
wyjściu układu rozplotu pojawią się pojedyncze blędy
oddzielone od siebie co najmniej M-1 bitami poprawnymi.
59
Niekorzystną konsekwencją zastosowania w
układzie telekomunikacyjnym przeplotu jest wprowadzenie
do łańcucha transmisyjnego dodatkowego opóźnienia.
Całkowite opóźnienie wprowadzane przez układ
przeplotu pokazany na rysunku wynosi (2MN-2M+2)T,
gdzie T jest długością pojedynczego bitu.
!
Ponieważ w praktycznych realizacjach zapis i odczyt
macierzy przeplotu (lub rozplotu) odbywają się
równocześnie, zarówno w nadajniku jak i odbiorniku
potrzebne są po dwa moduły pamięci o rozmiarze M×N
każda; jedna z macierzy M×N jest wypełniana podczas gdy
druga jest odczytywana.
!
60
Przeplot splotowy
Przykładowy schemat realizacji przeplotu i rozplotu
splotowego.
Ciągi binarne są wprowadzane szeregowo na
kolejne wejścia grupy B rejestrów opóźniających o
wzrastającej długości.
61
W układzie przeplotu pierwszy rejestr ma opóźnienie
zerowe, drugi opóźnia o M taktów, trzeci o 2M taktów i tak
dalej, wreszcie ostatni o (B-1)M taktów.
Sygnały wyjściowe z ostatnich komórek kolejnych
rejestrów są podawane za pomocą komutatora szeregowo
na wyjście układu przeplotu.
62
Układ rozplotu działa identycznie jak układ
przeplotu. Jedyną różnicą jest uporządkowanie
grupy rejestrów opóźniających począwszy od
rejestru o długości (B-1)M komórek, a kończąc na
opóźnieniu zerowym.
63
Tu również kluczowe znaczenie ma
synchronizacja.
Sprowadza się ona do synchronicznego
przełączania komutatorów w nadajniku i
odbiorniku tak, aby opóźnienie łączne w każdej
równoległej gałęzi pomiędzy wejściem przeplotu a
wyjściem rozplotu było stałe i wynosiło (B-1)M.
!
64
Dziękuję za uwagę
65