prezentacja programu powerpoint - zsk.ict.pwr.wroc.pl · pdf filejacek jarnicki politechnika...

1

Jacek Jarnicki - Politechnika Wrocławska 1

Transmisja cyfrowa

(wprowadzenie do tematu)

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 2

1. Systemy transmisji danych – ogólna charakterystyka

2. Zakłócenia jako źródło błędów w transmisji

3. Transmisja przewodowa

4. Transmisja bezprzewodowa

5. Przykład systemu transmisji danych – telewizja cyfrowa

Plan wykładu

2


Media służące do przesyłania danych:

• prąd elektryczny (przewód metalowy)

• fala elektromagnetyczna (powietrze, próżnia)

• światło (ośrodek przezroczysty)

1. Systemy transmisji danych cyfrowych –

ogólna charakterystyka

101… 001…

dane nadawane

101… 011…

dane odbierane

koder,

nadajnik

dekoder,

odbiornik

kanał

transmisyjny

losowe zakłócenia


Powstawanie zakłóceń w kanale transmisyjnym:

• transmisja przewodowa – pole elektromagnetyczne (przewód działa jak antena)

• transmisja bezprzewodowa - pole elekromagnetyczne (w kanale pojawiają się sygnały z innych źródeł )

2. Zakłócenia jako źródło błędów w transmisji

Podstawowe parametry kanału transmisyjnego:

• stosunek sygnału do szumu

• szerokość pasma

3

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska5

Stosunek sygnału do szumu (Signal-to-noise ratio) :

SNR=𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙

𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒[dB]

s(t)

t

s(t)

t

s(t)

t

sygnał bez zakłóceń

SNR - duży SNR - mały

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska6

Pasmo przenoszenia (Bandwidtch) :

sygnał przed przejściem przez kanał

Zakres częstotliwości, w którym tłumienie sygnału jest nie większe niż 3 dB.

Analiza widmowa

s(t)

t

s(t)

t

s(t)

t

sygnał po przejściu przez kanał (szerokie pasmo)

sygnał po przejściu przez kanał (wąskie pasmo)

W transmisji przewodowej pasmo wynika z konstrukcji przewodu. W transmisji radiowej pasmo jest przydzielane na podstawie odpowiedniego prawa (kanał)

4


Przewody służące do przesyłania sygnałów działająniestety jak anteny, w efekcie czego do transmitowanychsygnałów dodają się sygnały zakłócające, powstającew wyniku oddziaływania pola elektromagnetycznegowystępującego wokół przewodu.

3. Transmisja przewodowa

Stosuje się różne sposoby redukcji zakłóceń:

• skręcanie żył (skrętka)

• specjalne konstrukcje przewodów (przewód koncentryczny)

• ekranowanie


Przykład – transmisja różnicowa (differential transmission)

Wynalazca - Alexander Graham Bell (1881)

Skręcenie żył wywołuje silniejsze sprzężenie elektrycznei magnetyczne pomiędzy przewodami, co pozwala nasilniejsze powiązanie zakłóceń pojawiających sięw poszczególnych żyłach. Pomysł pozwala na zbudowaniesystemu transmisji różnicowej

skręcone cztery pary przewodów

5


Transmisja różnicowa – zasada działania

• zakłócenia są efektywnie usuwane

• zmniejszona jest jednak szerokość pasma

s(t)

+

-

s(t)

- s(t)

z(t)

s(t) + z(t)

- s(t) + z(t)

s(t) + z(t) – (-s(t) + z(t)) =

2s(t)

-

2s(t)

skrętka


Transmisja różnicowa – praktyczne rozwiązanie w systemietransmisji sygnału audio

• DRV134 - AUDIO BALANCED LINE DRIVER (BURR – BROWN), (TEXAS INSTRUMENTS)

• INA134 - AUDIO DIFFERENTIAL LINE RECIVER (BURR – BROWN), (TEXAS INSTRUMENTS)

6


Pole elektromagnetyczne - układ dwóch pól, elektrycznego

i magnetycznego

4. Transmisja bezprzewodowa

Przepływ prądu zmiennego w przewodzie powoduje

powstanie pola elektromagnetycznego i fali

elektromagnetycznej.

Fala elektromagnetyczne - rozchodzące się (z prędkością

światła) zaburzenie pola elektromagnetycznego

𝐹 = 𝑞 𝐸 + 𝑣 × 𝐵

Umieszczenie przewodu w zmiennym polu

elektromagnetycznym powoduje pojawienie się

w przewodzie prądu zmiennego

Równania Maxwella – 1861 (cztery równania)


Fale radiowe – fale elektromagnetyczne o częstotliwości od

3 kHz do 3 THz

Nazwa Częstotliwość Długość fali

Długie (LF) 30 - 300 kHz 10 - 1 km

Średnie (MF) 300 - 3000 kHz 1 km – 100 m

Krótkie (HF) 3 - 30 MHz 100 – 10 m

Ultrakrótkie (VHF) 30 - 300 MHz 10 – 1 m

Decymetrowe (UHF) 300 - 3000 MHz 1 m – 10 cm

Centymetrowe (SHF) 3 - 30 GHz 10 cm – 1 cm

Milimetrowe (EHF) 30 - 300 GHz 10 mm – 1 mm

Submilimetrowe (THF) 300 - 3000 GHz 1 mm – 1 μm

𝜆 =𝑐

𝑓𝜆[𝑚] =

300

𝑓[𝑀𝐻𝑧]

7


Zastosowanie fal radiowych

Nazwa Zastosowanie

Długie (LF) Radio, wzorce czasu

Średnie (MF) Radio, nawigacja, żegluga, lotnictwo

Krótkie (HF) Radio, łączność (duże odległości)

Ultrakrótkie (VHF) Radio, telewizja, łączność (małe odległości)

Decymetrowe (UHF) Telewizja, telefonia komórkowa, sieci Wi-fi

Centymetrowe (SHF) Radar, kuchenki mikrofalowe, komunikacja satelitarna

Milimetrowe (EHF) Badania naukowe, astronomia,obronność

Submilimetrowe (THF) Medycyna, obronność, przemysł


Transmisja radiowa – jak działa system transmisji ?

𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑

amplituda częstotliwość faza

generatorfali

nośnej

wzmacniaczfiltr

pasmowywzmacniacz

𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑

antena nadawcza antena odbiorcza

𝜔 = 2π𝑓

𝑓0 ≈ 𝑓

8


Anteny – konstrukcja i wielkość anteny zależy od częstotliwości

transmitowanego sygnału (duża częstotliwość – mała antena)

dwa przykłady konstrukcji anten:

telefon komórkowy zawiera kilka anten

antena krótkofalowa (Duga, Russian Woodpecker, 1976 - 1989), f = 7 do 19 MHz, P = 10 MW,wymiary anteny 150 x 500 m


Modulacja – nanoszenie transmitowanego sygnału s(t) na

falę nośną

𝑓 𝑡 = [𝐴 + 𝑠(𝑡)]𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑

𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋[𝑓 + 𝑠(𝑡)] ⋅ 𝑡 + 𝜑

𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑[𝑠(𝑡)]

Modulacja amplitudy (AM)

Modulacja częstotliwości

(FM)

Modulacja fazy (PM)

generatorfali

nośnej

modulatorfiltr

pasmowydemodulator

𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑

antena nadawcza antena odbiorcza

𝑠(𝑡) 𝑓0 ≈ 𝑓

𝑠(𝑡)

sygnałzmodulowany

9

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 17Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

Wektor wiruje wokół środka

układu współrzędnych

z prędkością ω

(stan w chwili t = 0 )

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-1

-0.5

0

0.5

1

T = 1/ω

A

φ

U0

φω

Wykresy wskazowe – idea prezentacji przebiegów

harmonicznych

𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑


Modulacja sygnałami cyfrowymi – stosuje się różne

sposoby modulacji

fala nośna - Acos(ωt)

modulator

PSK

antena

1 0 1… 0 0 1…

φPSK

dane

sygnał

zmodulowany

Modulacja PSK - Phase Shifting Keying

Modulacja PSK polega na modyfikowaniu fazy fali nośnej

w zależności od wartości transmitowanych bitów danych

10


Modulacja BSK

Najprostszy przypadek modulacji PSK - modulacja BSK

(Binary Phase-Shift Keying). Algorytm modulacji polega na

przesuwaniu fazy sygnału fali nośnej według reguły opisanej

wzorem:

0

1

0

0

jestkodowanegdytcosU

jestkodowanegdytcosU

BSK

Fala nośna zmodulowana sygnałem „1” Fala nośna zmodulowana sygnałem „0”


0 1

Wykres wskazowy ilustrujący ideę

modulacji BPSK

Demodulator (w odbiorniku) ustala dla

każdego kolejnego okresu odebranego

sygnału, przesunięcie fazowe i podejmuje

decyzję czy odebrano „0”, czy „1”.

Modulacja QPSK

Ideę modulacji fazy można rozszerzyć. W ten sposób

można zbudować system pozwalający na transmisję

większej liczby bitów (2, 3, 4, itd..) podczas przebiegu

jednego okresu fali nośnej. Zwiększa to szybkość

transmisji, lecz zmniejsza podatność na zakłócenia.

ω

11

(0,0) (1,0)

(0,1) (1,1)

Problemy:

• Ile bitów można skutecznie przesłać w trakcie jednego okresu fali

nośnej ?

• Czy przesyłaną informację można efektywniej zakodować

używając także innego parametru fali nośnej, na przykład

amplitudy A ?

Wykres wskazowy ilustrujący ideę modulacji

QPSK (jeden okres fali nośnej pozwala na

jedoczesną transmisję dwóch bitów).

• przesunięcie π/4 - (1,0)

• przesunięcie 3·π/4 - (0,0)



ω

Przykładowe systemy modulacji cyfrowej

64QAM 256QAM

12


5. Przykład systemu transmisji danych –

telewizja cyfrowa

Technologia kodowania, transmisji i odbioru sygnału

telewizyjnego w postaci cyfrowej.

Telewizja cyfrowa dzięki zastosowaniu algorytmów

kompresji obrazu i dźwięku (MPEG-2, MPEG-4) pozwala

przesłać od 4 do 10 razy więcej programów telewizyjnych

niż w przypadku telewizji analogowej dla pasma (kanału)

o podobnej szerokości.

Telewizja cyfrowa udostępnia użytkownikowi szereg

dodatkowych funkcji:

informację opisową o dostarczanych programach (EPG),

automatyczne wyszukiwanie programów,


możliwość wyboru wersji językowej (kilka kanałów

dźwiękowych)

wyświetlanie napisów,

kodowanie programów (telewizja płatna),

inne (interakcja, blokada kanałów).

Sygnał

videoKompresja

video

Kompresja

audio

Sygnał

audio

Dane Dane

Skompresowany

sygnał video

Skompresowany

sygnał audio

Telewizja cyfrowa mogła powstać dzięki opracowaniu

efektywnych algorytmów kompresji danych.

13


Telewizja analogowa a telewizja cyfrowa - porównanie

Telewizja

analogowa

Telewizja

cyfrowa

Standardy NTSC, PAL, SECAM DVB, ATSC, ISDB

Liczba

programów 1 program na kanał Do 10 programów na kanał

Jakość Zadowalająca Wysoka (HDTV, dźwięk

przestrzenny itd.)

Odporność

na zakłócenia

Niezbyt duża, sygnał

bardzo podatny na

różnego rodzaju

zakłócenia

Znaczna, sygnał w dużym

stopniu zabezpieczony przed

zakłóceniami powstającymi

w torze transmisyjnym


Kompresja

i kodowanie

Multiplekser

Sygnał

video

Kompresja

i kodowanie

Sygnał

audio

Dane sterujące

Dane dodatkowe

TransportKodowanie

kanałowe Modulacja

MPEG-2

DVB-S

DVB-T

3. Kodowanie dla potrzeb transmisji

DVB-C

14


DVB-S – standard nadawania sygnału satelitarnego telewizji

cyfrowej, (European Telecommunication Standard

Organization, ETS Document ETS 300 421 )

Ogólny schemat procesu kodowania sygnału w nadajniku

Dane

MPEG-2

Randomizacja

danych Kodowanie

zewnętrzne Przeplot

Kodowanie

wewnętrzne

Kształtowanie

sygnału Modulacja

QPSK

Kanał

transmisyjny


Blok 1: Randomizacja danych (scrambling)

Strumień danych z kodera MPEG-2 składa się z pakietów

o długości 188 bajtów. Pakiety poddaje się tzw. randomizacji

aby rozproszyć energię sygnału i zabezpieczyć przed

wysyłaniem pozornie niemodulowanej fali nośnej.

Algorytm randomizacji polega na sumowaniu modulo 2

kolejnych bitów strumienia wejściowego z bitami sekwencji

pseudolosowej o długości 1503 bajtów. Sekwencja losowa

tworzona jest przy pomocy zdefiniowanego w normie DVB

wielomianu.

15


Zasada działania układu randomizacji

01 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1

A V D T V D T V A

Pakiety MPEG-2 – ciąg zer i jedynek

exor

exor

Generator pseudolosowy

188 B


Blok 2: Kodowanie zewnętrzne (outer coding)

Dane uzyskane w wyniku procesu randomizacji koduje się

przy pomocy skróconego kodu Reeda-Solomona

(RS 204,188, 8). W efekcie z pakietu o długości 188 bajtów

powstaje pakiet składający się ze 204 bajtów.

Dodatkowa informacja dołączona w wyniku kodowania

zewnętrznego pozwala na poprawienia do 8 błędów

w pakiecie o długości 188 bajtów.

Zasada działania kodera Reeda-Solomona (przykład)

Przesyłane są trzy bajty: 02 11 13

Algorytm R-S uzupełnia ciąg o dwa bajty: 02 11 13 26 63

S1= 02+11+13 = 26

S2= 02*1+11*2+13*3 = 63

16


Podczas transmisji nastąpił błąd: 02 11 13 26 63

13

Oblicza się sumy: S1= 02+13+13 = 28

S2= 02*1+13*2+13*3 = 67

Następnie wyznaczane są:

Wartość błędu = 28 – 26 = +2

Pozycja błędu = (67 – 63)/2 = 2

Rezultat:

Liczbę na pozycji 2 (13) należy skorygować odejmując wartość błędu

(2), czyli po korekcji i usunięciu dodanych bajtów odbiornik zarejestruje

ciąg

02 11 13

Jest to dokładnie ten sam ciąg, jaki został wysłany z nadajnika.


Blok 3: Przeplot (interleaving)

Splotowy przeplot bajtów strumienia o głębokości I =12.

Realizacja algorytmu następuje w 12 gałęziach

stanowiących rejestry przesuwne FIFO o długości 17 bajtów

każdy. Razem długość rejestrów wynosi 17*12 = 204.

Kolejne rejestry różnią się opóźnieniem od 0 do 11*17.

Dane ze strumienia wejściowego podawane są za pomocą

przełącznika na kolejne gałęzie układu. Pierwszy bajt pakietu

jest zawsze podawany na gałąź o zerowym opóźnieniu.

Przeplot zwiększa podatność na korekcję błędów grupowych.

17


Po co wykonywać przeplot ?

AD N E - P R Z E S Y Ł A N E

Ciąg danych przewidziany do transmisji

Bez przeplotu:

Nadane: AD N E - P R Z E S Y Ł A N E

Błędy

AD N E - P R Z E S Y Ł A N E

Błędy

Odebrane: AD N E - P R Z E S Y Ł A N E


Z przeplotem:

Błędy

Nadane: ND P S N A Z Ł A E - E Y R E

Błędy

Dane po wykonaniu przeplotu

Błędne dane zostały rozłożone w czasie bardziej

równomiernie. Ułatwia to korekcję błędów.

AD N E - P R Z E S Y Ł A N EOdebrane:

Dane odtworzone (odwrócona operacja przeplotu)

18


Blok 4: Kodowanie wewnętrzne (inner coding)

Kodowanie splotowe. W zależności od wymagań

transmisyjnych istnieje możliwość użycia kodu o różnych

tzw. sprawnościach. → Literatura

Blok 5: Kształtowanie sygnału w paśmie podstawowym

(baseband pulse shaping)

Zakodowanie wejściowego strumienia danych kodem

Gray`a (poszczególne słowa kodu różnią się tylko na

jednym miejscu) i filtracja impulsów tak utworzonego

sygnału przy pomocy filtru o odpowiedniej charakterystyce.

W ten sposób są kształtowane zbocza impulsów sygnału

przed modulacją.


1,1x,xdla47tcosU

1,0x,xdla45tcosU

0,0x,xdla43tcosU

0,1x,xdla4tcosU

210

210

210

210

QPSK

Blok 6: Modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

Dla poszczególnych par bitów reprezentowanych przez

sygnały wytworzone w poprzednim bloku, następuje

modulacja fali nośnej. Sygnał na wyjściu modulatora

formowany jest według zależności:

19


0 1 2 3 4 5 6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

(1,0) (0,0) (0,1) (1,1)

I

Q

(0,0) (1,0)

(0,1) (1,1)

Q

(1,0)

zakłócenie


Konstelacja – obraz sygnału rzeczywistego zmodulowanego

QPSK

(1,0)(0,0)

(0,1) (1,1)

prezentacja programu powerpoint - zsk.ict.pwr.wroc.pl · pdf filejacek jarnicki politechnika...

Documents