3. Tehnike za prenos podataka

Transcript

1 3. Tehnike za prenos podataka Verovatno najfundamentalniji aspekt sistema za prenos podataka odnosi se na tehniku koja se koristi za predaju podataka izmedju dve tačke (predajnika/prijemnika). Prenos podataka izmedju predajnika i prijemnika vrši se preko prenosnog medijuma. Prenosni medijum može biti: a) trasiran (guided) ili b) netrasiran (unguided). U oba slučaja komunikacija se ostvaruje zahvaljujući prostiranju elektromagnetnih talasa. Kod trasiranog prenosa prostiranje talasa (adekvatniji termin u ovom slučaju je električni signal) se usmerava duž fizičkih puteva kakvi su upredeni kablovi, koaksijalni kablovi, optička vlakna, itd. Kod netrasiranog prenosa prostiranje elektromagnetnih talasa se vrši kroz vazduh, vakum, tečnost. Prenosni put izmedju dve tačke naziva se veza (link), a deo veze koji je namenjen prenosu podataka zovemo kanal. Termin direktna veza (direct link) se odnosi na prenosni put izmedju dva uredjaja duž koga se prostiranje signala izmedju predajnika i prijemnika ostvaruje bez posrednika. U ovom slučaju kao posrednici na prenosnom putu ne smatraju se uredjaji tipa pojačavač ili repetitor čija je osnovna uloga da povećaju snagu (amplitudu) signala duž prenosnog puta, tj. da kompenziraju slabljenje, signala kroz prenosni medijum. Na slici 3.1 prikazane su dve konfiguracije koje se najčešće koriste kod trasiranog prenosa. Kod usmerenog prenosa tipa tačka-ka-tački (point-to-point) prikazan na slici 3.1 a) ostvarena je direktna veza izmedju predajnika i prijemnika, a kod višetačkaste (multipoint) konfiguracije medijum za prenos je deljiv izmedju većeg broja uredjaja (vidi sliku 3.1 b)). Predajnik/ prijemnik Prenosni medijum Pojačavač ili repetitor Prenosni medijum Predajnik/ prijemnik 0 ili više a) Point-to-point (tačka-ka-tački) Predajnik/ prijemnik Predajnik/ prijemnik Predajnik/ prijemnik Predajnik/ prijemnik Prenosni medijum Pojačavač ili repetitor Prenosni medijum 0 ili više b) Multipoint (višetačkasta) Slika 3.1 Konfiguracije kod usmerenog prenosa 40

2 3.1. Načini komuniciranja Razlikujemo tri načina prenosa (vidi sliku 3.2) a) simpleks (simplex)- signali se prenose (predaju) samo u jednom smeru; jedna stanica je predajnik, a druga prijemnik. b) polu-dupleks (half-duplex) - obe stanice mogu vršiti predaju/prijem po istom kanalu, ali ne istovremeno, (kada je jedna predajnik druga je prijemnik i obratno). c) potpuni dupleks (full-duplex) - obe stanice mogu istovremeno vršiti predaju koristeći posebne kanale po jedan za svaki smer prenosa. Tx Tx jednosmerni kanal a) Rx Rx Rx dvosmerni kanal b) Tx Tx Rx Rx c) Tx Slika 3.2 Načini prenosa signala: a) simpleks; b) polu- dupleks; c) potpuni-dupleks Napomena: Tx - predajnik (transmitter); Rx - prijemnik (receiver) Signal koji se prenosi duž prenosnog puta funkcija je kako vremena tako i frekvencije. Zbog toga je neophodno poznavati oba domena, frekventni i vremenski, da bi se vršilo procesiranje signala Koncept vremenskog domena U funkciji vremena, elektromagnetni signal može biti kontinualni ili diskretni. Kontinualni signal je onaj kod koga se vrednost signala "glatko" menja sa vremenom. Drugim rečima ne postoje prekidi ili diskontinuiteti signala. Matematički posmatrano: Signal s(t) je kontinualan (neprekidan ) ako: za sve vrednosti a. lim s( t) = s( a) t a Diskretni signal je onaj kod koga je za odredjeni vremenski period amplituda signala konstantna, a zatim se menja na drugi konstantni nivo. Na slici 3.3 prikazana su oba tipa signala. Kontinualni može da predstavlja govor, a diskretnom obično odgovara prezentacija binarnih jedinica i nula kod digitalnih elektronskih sistema. 41

3 Amplituda (V) Vreme a) kontinualni Amplituda Vreme b) diskretni Slika 3.3 Kontinualni i diskretni signali Koncept frekventnog domena U suštini, elektromagnetni signal se sastoji od većeg broja komponenata čija je frekvencija različita. Na primer, signal: ( t ) = sin( 2π f t ) sin( 2 ( 3 f )t ) s 1 π 1 je prikazan na slici 3.4. Komponente ovog signala su sinusni talasni oblici frekvencije f 1 i 3f 1. Sledeća zapažanja su važna za sliku 3.4: 1. Druga fekvencija je celobrojni umnožak prve. Kada su sve frekventne komponente signala celobrojni umnošci jedne frekvencije, tu frekvenciju nazivamo osnovnom frekvencijom (osnovni harmonik); 2. Perioda ukupnog signala jednaka je periodi osnovne frekvencije. Perioda komponente 2π f1 t je T = 1, a perioda s () t je takodje T (vidi sliku 3.4 c)). f 1 42

4 T a) ( 2 π f t) sin T b) 3 sin( 2 π ( 3 f ) t)

5 T c) ( 2 π f t) sin( 2 ( 3 f ) t) sin 1 π 1 Slika 3.4 Sabiranje komponenata različitih frekvencija Spektar signala predstavlja opseg frekvencija koje taj spektar sadrži. Za signal sa slike 3.4 c) spektar signala se nalazi izmedju f 1 i 3 f 1. Apsolutni propusni opseg (absolute bandwidth) signala je onaj koji odgovara širini spektra. Za slučaj sa slike 3.4.c) propusni opseg je 2 f 1. Kod najvećeg broja signala propusni opseg je beskonačn. Ipak najveći deo energije signala sadrži se u relativno uskom frekventnom opsegu. Ovaj opseg je poznat kao efektivni propusni opseg (effective bandwidth), ili skraćeno propusni opseg. 44

6 3.2. Odnos izmedju brzine prenosa i propusnog opsega Koncept efektivni-propusni-opseg je često puta nejasan. Već smo ukazali da je to opseg u okviru koga se sadrži najveći deo energije signala. Termin "najveći" u ovom kontekstu je proizvoljan. Suština je u sledećem: i pored toga što zadati talasni oblik može da sadrži frekvencije u širem frekventnom opsegu, prenosni medijum je taj koji ograničava brzinu sa kojom se prenose podaci. Da bi objasnili ove odnose, nešto detaljnije, analiziraćemo talasni oblik prikazan na slici 3.5. A Vrednost signala 0 -A vreme Period =T=1/f 1 a) sinusni talasni oblik A Vrednost signala 0 vreme -A Period =T=1/f 1 b) pravougaoni talasni oblik Slika 3.5 Periodični signali Usvojimo da pozitivni impuls predstavlja binarnu 1, a negativni impuls odgovara binarnoj 0. U tom slučaju talasni oblik sa slike 3.5 predstavlja binarni niz Trajanje svakog impulsa je 1 2 f1, a to znači da je brzina prenosa podataka 2 f1 bitova u sekundi (bps - bits per second). Sada se postavlja sledeće pitanje: Koje su frekventne komponente ovog signala? Da bi odgovorili na ovo pitanje posmatrajmo ponovo sliku 3.4. Sabiranjem sinusnih talasnih oblika čije su frekvencije f 1 i 3 f1 dobijamo talasni oblik koji je sličan pravougaonom obliku. Ako proces sabiranja (dodavanja) sinusnih talasnih oblika produži, dodavanjem oblika čija je frekvencija 5 f1 dobiće se rezultantni signal prikazan na slici 3.6a), a zatim dodavanjem i komponente čija je frekvencija 7 f1 talasni oblik sa slike 3.6.b). Frekventne komponente pravougaonog talasnog oblika možemo izraziti kao 45

7 1 s( t ) = A* k sin( 2 π kf k neparno k 1 Ovaj talasni oblik ima beskonačni broj frekventnih komponenti, a shodno tome i neograničeni propusni opseg. Ipak, amplituda k-te frekventne komponente, k f1, je samo 1 k, tako da najveći deo energije talasnog oblika nosi prvih nekoliko frekventnih komponenata. Sada se čitaocu postavlja ponovo jedno pitanje: Šta će se desiti ako se propusni opseg ograniči na prve tri frekventne komponente? Odgovor na ovo pitanje je prikazan na slici 3.6.a). Kao što se vidi rezultantni talasni oblik veoma je blizak originalnom. 1 t ) T 1 a) ( 2 π f t) sin( 2 π ( 3 f ) t) sin( 2 ( 5 f ) t) sin 1 1 π T b) ( 2 π f t) sin( 2 π ( 3 f ) t) sin( 2 π ( 5 f ) t) sin( 2 ( 7 f ) t) sin π 1 46

8 T c) k sin( 2π k f )t 1 1 Slika 3.6 Frekventne komponente pravougaonog talasnog oblika (T=1/f 1 ) Pretpostavimo sada da želimo koristiti digitalni prenosni sistem koji je u stanju da prenosi signale čiji je propusni opseg 4 MHz. Pokušajmo da prenesemo alternativnu sekvencu logičkih jedinica i nula ( ) talasnim oblikom kakav je onaj prikazan na slici 3.6.c). Ponovo se postavlja pitanje: Koju brzina kod prenosa podataka možemo ostvariti? Pokušajmo prvo da aproksimiramo pravougaoni talasni oblik talasnim oblikom prikazanim na slici 3.6.a). I pored toga što ovaj talasni oblik predstavlja "izobličeni" talasni oblik pravougaonih impulsa, čini se da je on suviše blizak praougaonom talasnom obliku i da će predajnik biti u stanju da jasno odredi šta je logička 1, a šta logička 0. Sada, ako usvojimo da je f 1 = 1MHz, tada će propusni opseg signala biti: s () t = sin ( 2 π 10 ) t) sin ( 2 π 3 10 ) t) sin ( 2 π 5 10 ) t) 6 6 pri čemu ( 5 10 ) 10 = 4 MHz. Naglasimo da je za f 1 = 1 MHz perioda osnovne frekvencije 6 T = 10 = 1 µ s. Shodno prethodnom, ako tretiramo ovaj talasni oblik kao niz logičkih 0 i 1, jedan bit se javlja (trajanja je) na svakih 0.5 µ s, tako da je brzina prenosa podataka = 2 Mbps. Kao zaključak: Sa propusnim opsegom od 4 MHz, moguće je postići brzinu prenosa podataka od 2 Mbps. Sada, predpostavimo da imamo na raspolaganju propusni opseg od 8 MHz i posmatrajmo ponovo sliku 3.6.a), ali sa f 1 = 2 MHz. Koristeći isti način razmišljanja kao u prethodnom slučaju, za propusni 6 6 opseg signala imaćemo: = 8 MHz. No, u ovom slučaju kt = 1 f1 = 0.5 µ s. Kao rezultat, jedan bit se prenosi (javlja se) na svakih 0.25 µ s što rezultira bitskom brzinom prenosa od 4 Mbps. To znači da se dupliranjem propusnog opsega duplira i potencijalna brzina prenosa podataka. 47

9 Smatrajmo sada da je talasni oblik sa slike 3.4.c) adekvatan za aproksimaciju pravougaonog talasnog oblika. Ovo ukazuje da razlika izmedju pozitivnog i negativnog impulsa sa slike 3.4.c) je dovoljna da se ovaj talasni oblik može uspešno koristiti za predstavljanje sekvence jedinica i nula. Neka je sada f 1 = 1MHz. Koristeći ponovo isti način razmišljanja kao i u prethodnim 6 6 slučajevima, za propusni opseg signala sa slike 3.4.c) imamo = 4 MHz. No, u ovom slučaju imamo da je kt = 1 f1 = 0.5 µ s. Kao rezultat, jedan bit se javlja (prenosi se) na svakih 0.25 µ s, što odgovara brzini prenosa od 4 Mbps. To znači da zadati propusni opseg može, u zavisnosti od zahteva prijemnika, da podrži različite brzine prenosa podataka. Na osnovu prethodne diskusije moguće je doneti sledeće opšte zaključke: 1) U opštem slučaju, talasni oblik digitalnih signala ima neograničeni propusni opseg. Kada se ovaj talasni oblik prenosi kao signal kroz medijum, priroda medijuma će ograničiti propusni opseg signala koji se može preneti. Šta više, za zadati medijum, što je veći propusni opseg signala koji se prenosi, to je veća i cena koja mora da se plati. Zbog ovoga, ekonomski i praktični razlozi su ti koji diktiraju da se digitalna informacija aproksimira signalom ograničenog propusnog opsega. 2) Ograničenje propusnog opsega dovodi do pojave izobličenja. Kada je signal izobličen teže ga je, na prijemnoj strani, interpretirati (obnoviti). Što je uži propusni opseg, to su izobličenja veća, a samim tim veća i potencijalna greška (verovatnoća) koju prijemnik može da učini kod prihvatanja signala. 3) Na slici 3.7 prikazan je uticaj propusnog opsega na digitalni signal. Kada je propusni opseg od 1700 do 2500 Hz, prezentacija je dobra. U opštem slučaju, ako je brzina prenosa digitalnog signala W bps, tada se veoma dobra prezentacija može postići sa propusnim opsegom od 2 W Hz. U principu, što je brzina prenosa signala veća, veći je i njegov efektivni propusni opseg. 4) Ako zamislimo da je propusni opseg centriran oko neke frekvencije koju ćemo nazvati centralna frekvencija (center frequency), tada, što je centralna frekvencija viša, to je i potencijalni propusni opseg širi, a i brzina kod prenosa podataka je veća. Na primer, ako je signal centriran oko 2 MHz tada je maksimalni propusni opseg 4 MHz. 48

10 Impulsi pre prenosa Bit rate: 2000bps Impulsi posle prenosa Širina propusnog opsega 500 Hz Širina propusnog opsega 900 Hz Širina propusnog opsega 1300 Hz Širina propusnog opsega 1700 Hz Širina propusnog opsega 2500 Hz Širina propusnog opsega 4000 Hz Slika 3.7 Efekat propusnog opsega na oblik digitalnog signala 3.3. Paralelni i serijski prenos Računarski sistemi memorišu i procesiraju podatke u formi bitova koji su uredjeni kao reči fiksnog obima. Memoriju računara čini niz lokacija pri čemu svaka ima svoju jedinstvenu adresu. Računarski sistemi mogu manipulisati sa rečima obima 8-, 16-, 32-, 64- bita, itd. U okviru velikog broja gradivnih blokova računarskog sistema podaci se prenose u paralelnoj formi, što znači da je svakom bitu u okviru reči dodeljen po jedan prenosni put. Primer paralelnog prenosa podataka uobičajeno se sreće kod hardverskih interfejs ploča za pobudu štampača, kao i interfejs ploča za spregu sa diskom. Kod paralelnih interfejsa, kakva je recimo sprega računara sa štampačem, potrebno je uvesti neki vid signalizacije koji će na odredjeni način, sa jedne strane, ukazati kada su podaci na izlazu računarskog sistema raspoloživi/validni, a sa druge strane, kada je (da li je) štampač spreman da prihvati novi podatak. Glavni razlog uvodjenja signalizacije predstavlja velika razlika u brzini rada uredjaja koji se medjusobno povezuju. Konkretnije, računar može da generiše nove podatke svakih 100 n s (taktne frekvencije kod savremenih računara su reda nekoliko stotina MHz ), dok štampač može da štampa podatke brzinom reda 100 znakova u minuti (postoje i štampači koji mogu štampati do znakova u minuti). Da bi se na jedan regularan način ostvarila korektna razmena podataka izmedju uredjaja koriste se posebni signali poznati kao handshake signali. Procedura kojom se reguliše način razmene podataka i tajming naziva se handshake procedura. Na slici 3.8. prikazana je handshake procedura koja se uobičajeno koristi kod paralelnog interfejsa. 49

11 r a č u n a r n-to bitna paralelna magistrala n podaci dostupni - DAV podaci prihvaćeni - DAC a) š t a m p a č DAV t DAC t podaci su raspoloživi na magistrali b) podaci su prihvaćeni od strane štampača Slika 3.8 (a) Paralelni prenos; (b) handshaking (rukovanje) U trenutku kada se upravljački signal DAV (Data Available) menja sa nisko-na-visoko računar signalizira štampaču da je podatak, prisutan na magistrali, dostupan. Sa druge strane, kada štampač prihvati novi podatak on postavlja signal DAC (Data Accepted) na visoko. Paralelni način prenosa podataka pogodan je kod onih aplikacija kada su uredjaji bliski jedan drugom. Kada signale (podatke) treba prenositi na veća rastojanja paralelni prenos postaje nepraktičan iz sledećih razloga: Kabliranje je složenije, prenos postaje nepouzdaniji zbog različitih kašnjenja signala duž vodova, a greške u prenosu se teže otkrivaju u slučaju kada dodje do nekog kratkog spoja ili prekida linija (žica u kablu). Alternativni pristup kod prenosa podataka je onaj koji se zasniva na serijskom prenosu. Kod ovog načina prenosa postoji samo jedna linija po kojoj se prenose bitovi podataka. I pored toga što je serijski prenos sporiji od paralelnog prenosa, kabliranje je jednostavnije, a greške u prenosu se lakše otkrivaju. Svaki bit serijskog niza podataka trajanja je odredjenog vremenskog perioda koji se naziva signalni elemenat. Signali se predstavljaju pozitivnom vrednošću za logičku jedinicu, a nultom vrednošću za logičku nulu. 50

12 3.4. Asinhroni i sinhroni rad Bilo koji komunikacioni sistem za prenos podataka čine, u najrudimentiranijem obliku, predajnik, prijemnik i neki oblik komunikacionog kanala. Predajnik generiše niz podataka pri čemu je tajming svakog bita pod kontrolom taktnih impulsa. Asinhroni prenos Sistem kod koga predajnik može u bilo kom trenutku generisati bitove kažemo da koristi asinhroni prenos. Ključne karakteristike asinhronog prenosa su te da predajnik ne predaje prijemniku bilo kakvu informaciju o lokalnom taktnom impulsu ili tajming bit. Zadatak prijemnika je da interpretira dolazeće signale i da korektno interpretira svaki dolazeći bit. U suštini asinhroni prijemnik ne regeneriše takt na osnovu dolazećeg signala. Naime, predajnik i prijemnik koriste posebne taktne impulse čije su frekvencije veoma bliske jedna drugoj. Sa ciljem da se odredi korektni početak rada prijema koristi se metod rada poznat kao start-stop (vidi sliku 3.9). pasivno stanje dolazeći signal start stop pasivno stanje takt prijemnika Slika 3.9 Start-stop operacija Kada se podaci ne predaju linija se nalazi u pasivnom (idle) stanju. Podatku prethodi start-bit koji je trajanje jednog bitskog intervala i suprotnog je polariteta u odnosu na pasivno stanje. Nakon toga slede nekoliko bitova podataka (obično je osam). Na kraju se pridružuje stop-bit koji je istog polariteta kao i pasivno stanje. (Trajanje pasivnog stanja može biti proizvoljno). Stop bit se uvodi sa ciljem da se jasno razgraniči zadnji bit prenetog znaka. Kada prijemnik detektuje prednju ivicu start-bita on aktivira generisanje prijemnog takta. Prva pojava taktnog impulsa je tako podešena da se javi na sredini, ili oko sredine, prvog bita podataka i koristi se za strobovanje bita u registar ili leč. Sa narednim taktnim impulsima, za ostale bitove podataka, proces se ponavlja. U suštini, ako je taktna frekvencija prijemnika i predajnika identična, strobovanje će se uvek javljati (dešavati) na sredini trajanja bitskog intervala. Zbog različitih frekvencija predajnika i prijemnika ipak dolazi do "klizanja" tako da, ako se broj bitova povećava, koincidencija taktnih impulsa i princip strobovanja podataka na sredini bitskog intervala se narušava. Imajući ovo u vidu, a iz razloga pouzdane detekcije, obim (trajanje) asinhronog signala ograničen je na 12 bitova (misli se na prenos jedinstvenog karaktera (znaka) jer je se sinhronizacija kod ovog prenosa ostvaruje na nivou jednog znaka). 51

13 Sinhroni prenos Daleko efikasniji način za održavanje sinhronizacije kod komunikacione veze je onaj koji se zasniva na sinhronom prenosu (synchronous transmission). Podaci koji se sinhrono predaju dolaze do prijemnika kao kontinualni niz u regularnim vremenski definisanim bitskim intervalima. Predajnik i prijemnik mora da rade sinhrono, a to se ostvaruje korišćenjem sinhronizacionih signala na nivou takta. Predajnik generiše taktni signal koji mora biti prenet do prijemnika bilo preko posebnog kanala ili direktno regenerisan od strane prijemnika iz dolazećeg signala. Zbog toga, u predajnoj poruci mora biti emitovana i informacija o sinhronizaciji. Princip regenerisanja takta kod ovog načina prenosa prikazan je na slici ulazni signal kolo za detekciju izlazni podaci prijemni takt kolo za regeneraciju takta Slika 3.10 Sinhroni prijemnik Uobičajeno podaci se predaju kao okviri, tj. ramovi (frame) fiksnog obima (vidi sliku 3.11) pri čemu svaku informaciju na početku i kraju prate specijalni bit oblici nazvani preambule (preamble). Svrha preambule je da ostvari sinhronizaciju predajnog i prijemnog oscilatora pre početka prijema informacionih bitova. Više detalja o ovoj problematici biće dato kasnije. preambule ram informaciono polje preambule Slika 3.11 Oblik okvira kod sinhronog prenosa 52

14 3.5. Brzina signaliziranja Brzina prenosa podataka (data rate ili transmission rate) se definiše kao broj prenetih bitova u toku odredjenog vremenskog perioda podeljen sa tim vremenom, a meri se u bitovima u sekundi (bps). Pri ovome veoma je važno da se pravi razlika izmedju termina brzina prenosa koja se meri u bps i brzina signaliziranja (signalling rate) koja se meri u baud-ovima. Brzina signaliziranja se odnosi na brzinu prenosa jednog signalnog elementa. Primer 1: Kod asinhronog prenosa format prenosa jednog znaka (karaktera) je sledeći: 5 informacionih bitova svaki trajanja 20 ms, jedan start bit trajanja 20 ms i stop bit trajanja 30 ms. Odrediti brzinu prenosa u bps i brzinu signaliziranja u baud-ovima. Odgovor: Vreme potrebno da se prenese jedan znak iznosi ( 6 20) m s T z = = Ukupan broj bitova koji se prenosi u toku ovog perioda je 7. Brzina prenosa = 7 3 ( ) = 46,67 bps Vreme trajanja najkraćeg signalnog elementa je 20 ms, zbog toga je Brzina signaliziranja = 1 3 ( ) = 50 baud a 53

15 3.6. Procena grešaka kod prenosa podataka U toku prenosa podataka dolazi do pojave grešaka. Naime, logička 1 može da se primi kao logička 0 i obratno. Obično, broj grešaka za koje postoji verovatnoća da se jave u sistemu se izražava kao bit error rate (BER). Na primer, BER od 10-4 znači da će se pogrešan bit primiti sa verovatnoćom od 10-4, tj., u proseku, jedan bit na svakih (10 4 ) će biti pogrešan. Jedan od glavnih uzroka pojave grešaka predstavlja šum (vidi sliku 3.12). Podaci koji se predaju Poslati podaci V -V Vreme, t Tipično primljeni podaci t Trenuci uzorkovanja t Primljeni podaci Bir greška Slika 3.12 Prijem signala sa greškom Veliki broj sistema koristi odredjenu formu kontrole greške sa ciljem da poboljša ukupni BER. U najjednostavnijem obliku koristi se odredjena forma detekcije greške. To znači da je prijemnik svestan da je u okviru odredjene grupe primljenih bitova došlo do greške, ali ne zna koji su bitovi primljeni kao pogrešni, pa zbog toga ih ne može korigovati. Provera parnosti je najjednostavnija tehnika za detekciju jednostrukih (ili neparnih) grešaka. Kod sistema za korekciju grešaka prvo se vrši detekcija grešaka, nakon toga se identifikuju pogrešne bit pozicije i na kraju vrši ispravljanje grešaka. No i pored preduzetih mera ne postoji metod ili sistem koji je u stanju da garantuje 100% korekciju i detekciju grešaka. Više detalja o ovoj problematici biće dato kasnije. 54

16 3.7. Analogni i digitalni prenos podataka Termini analogni i digitalni odgovaraju, u grubim crtama, terminima kontinualni i diskretni. Ova dva termina se često koriste kod prenosa podataka u kontekstu korišćenja pojmova podaci, signali i prenos. U principu pojam podaci kao entitet usko se povezuje sa pojmom informacija, dok pojam prenos predstavlja komuniciranje podacima putem prostiranja i procesiranja signala. Ilustracije radi tipičan primer analognih podataka su audio-akustični talasi koji se direktno primaju od strane čovečjeg uva kao senzora, dok reprezenti digitalnih podataka koje imaju diskretne vrednosti su tekst i celobrojne vrednosti (integer). Sa druge strane analogni signal predstavlja kontinualno promenljivi elektromagnetni talas koji se u zavisnosti od frekvencije prostire kroz različite medijume (optički kablovi, atmosfera). Pojam digitalni signal se odnosi na sekvencu naponskih impulsa koji se prenosi preko žičanih veza kao medijum za prenos. Analogni i digitalni podaci se mogu predstaviti, a shodno tome i prenositi, analognim ili digitalnim signalima (vidi sliku 3.13). Analogni podaci (govor, zvuk, talasi) Analogni signal Telefon Digitalni podaci (binarno predstavljeni naponski impulsi) Analogni signal (modulisan na frekevenciji nosioca) Modem Analogni signal Digitalni signal Kodek Digitalni podaci Digitalni transmiter Digitalni signal Slika 3.13 Analogni i digitalni prenos analognih i digitalnih podataka 55

17 Osnovne karakteristike svake od četiri kombincije sa Slike 3.13 date su na Slici 3.14 a) i b). analogni podaci digitalni podaci a) podaci i signali analogni podaci digitalni podaci analogni signal postoje dve alternative: a) signali imaju identičan spektar kao i analogni podaci b) vrši se kodiranje analognih podataka, a signali pripadaju različitim delovima spektra digitalni podaci se kodiraju uz pomoć sklopa modem koji na svom izlazu generiše analogni signal analogni signal prostiranje se vrši uz pomoć pojačavača; tretman je isti nezavisno od toga da li se signal koristi za predstavljanje analognih i digitalnih podataka ne koristi se b) tretman signala digitalni signal analogni podaci se kodiraju koristeći codec koji generiše digitalnu bit povorku postoje dve alternative: a) signal čine dva naponska nivoa pomoću kojih se predstavljaju dve binarne vrednosti b) vrši se kodiranje digitalnih podataka kako bi se generisao digitalni signal sa željenim osobinama digitalni signal predpostavlja se da analogni signali predstavljaju digitalne podatke. Signal se prenosi preko repetitora. Od strane svakog repetitora, digitalni podaci se prihvataju, restauriraju, pojačavaju i predaju prema narednom repetitoru u lancu digitalni signal predstavlja niz 0 i 1, koji mogu predstavljati digitalne podatke. Signali se prenose preko repetitora: Kod svakog repetitora, niz 1 i 0 se prihvata, pojačava i predaje prema narednom repetitoru u lancu Slika 3.14 Digitalni i analogni prenos 56

18 3.8. Definicija nekih osnovnih pojmova Prisetimo se da smo definisali digitalni signal kao sekvenca diskretnih, diskontinualnih naponskih impulsa. Svaki impuls predstavlja signalni element. Binarni podaci se prenose kodiranjem svakog bita podataka u odgovarajući signalni element. Na sličan način, digitalni niz bitova se može kodirati u analogni signal kao sekvenca sigalnih elemnata, pri čemu svaki signalni elemenat, predstavlja impuls konstantne frekvencije, faze i amplitude. Kada se govori o prenosu podataka, tada pojam brzina signaliziranja (data signaling rate ili data rate) odgovara pojmu brzini signala i izražava se u jedinicama bitova-u-sekundi (bps) sa kojim se podaci prenose. Trajanje ili dužina bita odgovara vremenu koje je potrebno predajniku da emituje jedan bit. Tako na primer, za brzinu prenosa podataka R, vreme trajanja jednog bita je 1/R. Sa druge strane, modulaciona brzina je brzina sa kojom se menja nivo signala. Modulaciona brzina (modulation rate) se izražava u baud-ima, a odgovara broju signalnih elemenata u sekundi. Na slici 3.15 sumarno su prikazane definicije ključnih termina koji se koriste kod prenosa podataka. Tri ključna faktora koja odredjuju uspešnost prijemnika da interpretira dolazeći signal su: a) odnos signal šum, b) brzine sa kojom se prenose podaci (data rate), c) propusni opseg. termin jedinica definicija elemenat podataka bitovi jedinstvena binarna 0 ili 1 brzina prenosa (date rate) bitovi-u-sekundi (bps) brzina kojom se lementi podataka prenose signalni elemenat brzina signaliziranja ili modulaciona brzina digitalni: naponski impuls konstante amplitude analogni: impuls konstantne frekvencije, faze i amplitude signalni elementi u sekundi (baud) deo signala koji zauzima najkraći interval kôda za signalizaciju brzina kojom se prenose signalni elementi Slika 3.15 Ključni termini kod prenosa podataka Ako se dva od tri parametra drže konstantna a treći menja, tada važe sledeći zaključci: 1. Sa povećanjem brzine prenosa podatka povećava se i BER (Bit Error Rate). BER je mera koja ukazuje na performanse sistema sa aspekta greške, a definiše se kao verovatnoća da će dati primljeni bit biti pogrešan. Ova mera se naziva i bit error ratio. 2. Povećanjem odnosa signal šum (SNR-Signal NoiseRatio) smanjuje se BER. 3. Povećanjem propusnog opsega povećava se brzina prenosa podataka. Postoji još jedan faktor koji se koristi za poboljšanje performansi, a on se tiče šeme kodiranja podataka. 57

19 Šeme kodiranja podataka prvenstveno se odnosi na proces preslikavanja bitova podataka u signalne elemente. Za kodiranje se koriste različite tehnike. U daljem tekstu ukazaćemo na osnovne principe ovih tehnika Digitalni podaci analogni signali Najstandardniji način korišćenja ove transformacije srećemo kod prenosa digitalnih podataka preko javne telefonske mreže. Telefonska mreža je projektovana za prijem, komutaciju, i prenos analognih signala govora u opsegu od 300 Hz do 3400 Hz. Tekuće ove mreže nisu direktno prilagodjene za prenos digitalnih signala. Imajući ovo u vidu digitalni uredjaji se povezuju na telefonsku mrežu preko modema. Zadatak modema je da konvertuje digitalne podatke u analogne signale, i obratno. Kada se govori o telefonskoj mreži, modemi se koriste za generisanje signala u govornom frekventnom opsegu, ali se iste osnovne tehnike koriste i od strane modema koji generišu signale na višim frekvencijama (recimo mikrotalasni). Postupak modulacije podrazumeva promenu jedne od sledeće tri karakteristike nosećeg signala: amplitudu, frekvenciju, i fazu. Saglasno tome postoje sledeće tri osnovne modulacione tehnike za transformaciju digitalnih podataka u analogne (vidi sliku 3.16): 1. ASK Amplitude Shift Keying 2. FSK Frequency Shift Keying 3. PSK Phase Shift Keying U sva tri slučajeva opseg rezultantnog signala je centriran oko noseće učestanosti. Slika 3.16 Modulacija analognih signala digitalnim podacima 58

20 A. ASK Kod ASK a binarnim vrednostima 0 i 1 pridružuju se dve različite amplitude noseće frekvencije. Obično rezultantni signal koji odgovara jednom bitu je dat relacijom ASK : s () t Acos = 0 ( 2πf t) C ; za binarnu 1 ; za binarnu 0...(1) gde je: Acos ( 2πf t) C -noseći signal. Kao tehnika, ASK je podložna uticaju naglih promena pojačanja i veoma je neefikasna. U telefoniji se koristi za prenos signala do 1200 bps. ASK se takodje aplicira i kod prenosa digitalnih podataka po optičkom vlaknu, gde LED predajnik emituje svetlosni snop za jedan signalni elemenat, a ne-emituje za drugi. B. FSK Najpoznatija forma FSK je binarna FSK, nazvana BFSK. Kod BFSK, vidi sliku 3.17, dve binarne vrednosti se predstavljaju različitim frekvencijama koje su locirane blizu nosećoj. Rezultantni signal koji odgovara jednom bitu u datom trenutku dat je relacijom FSK : s () t Acos = Acos ( 2πf 1t) ( 2πf t) 2...(2) Amplituda signala Spektar signala koji se prenosi u jednom smeru Spektar signala koji se prenosi u drugom smeru Frekevncija (Hz) Slika 3.17 Način prenosa FSK signala kod potpunog dupleksa po standardnim telefonskim paricama FSK je manje podložan greškama u poredjenju sa ASK. Ovaj način prenosa, kada se prenos vrši po standardnim telefonskim paricama, obično se koristi za brzine do l200 bps. No treba istaknuti da se FSK koristi takodje i na višim frekvencijama (3-30 MHz) kod radio prenosa. Signal MFSK (multiple FSK) u odnosu na BFSK, sa aspekta propusnog opsega, je daleko efikasniji, ali je zato više podložan greškama. Kod MFSK se koriste više od dve frekvencije, a jedan signalni elemenat u datom trenutku definisan je sledećom relacijom 59

21 () t Acos ( 2 f t), 1 i M MSK : s = π i...(3) gde su: f i = f C + ( 2i 1 M ) f d ; f C -učestanost nosioca; f d - frekventna razlika; k -broj različitih L signalnih elemenata = 2 ; L - broj bitova po signalnom elementu. Da bi se uskladila brzina prenosa podataka sa ulaznom povorkom bitova, svaki izlazni signalni elemenat se održava konstantnim za period od T s = LT sekundi, gde T odgovara bit periodi. To znači da jedan signalni elemenat, koji predstavlja ton fiksne frekvencije, kodira L bitova. Prema tome ukupno potreban propusni opseg koji je potreban modulatoru iznosi W = 2Mf. d d C. PSK Kod PSK promena faze nosećeg signala vrši se u skladu sa podacima. Najjednostavnija šema koja koristi dve faze radi prezentacije dve binarne cifre je BPSK (binary PSK). Kod BPSK rezultantni predajni signal koji odgovara jednom bitu u datom trenutku može se izraziti sledećom relacijom BPSK : s () t Acos = Acos ( 2πf Ct) ( 2πf t + π ) C ; za binarnu 1 ; za binarnu 0...(4) Alternativna forma BPSK-u je DPSK (differential PSK) (vidi sliku 3.18). Kod ove šeme binarna 0 odovara predaji signalnom paketu (signal burst) iste faze kao i prethodni signalni paket, dok binarna 1 odgovara predaji signalnog paketa suprotne faze u odnosu na prethodni. Slika 3.18 Diferencijalna PSK Efikasnije iskorišćenje propusnog opsega se postiže ako se svaki signalni elemenat predstavi sa više od jednim bitom. Jedna tipična takva tehnika je kvadraturna PSK poznata kao QPSK koja koristi multiple faznih pomeraja od π/2. Kod QPSK svaki signalni elemenat predstavlja dva bita. Rezultantni predajni signal dat je sledećom relacijom 60

22 QPSK : s () t Acos Acos = Acos Acos ( 2πf Ct + π 4), ( 2πf Ct + 3π 4) ( 2πf Ct 3π 4) ( 2πf t π 4), C,, za 11 za 01 za 00 za 10...(5) U principu višenivovski PSK se može postići grupisanjem većeg broja bitova. Tako na primer, istovremena predaja tri bita je moguća korišćenjem osam različitih faza. Kada se govori o digitalnoj faznoj modulaciji kakva je recimo QPSK uobičajeno je da se amplituda i faza predajnih simbola predstave u kompleksnom koordinatnom sistemu nazvan signal constellation. Ilustracije radi signalconstellation za QPSK je prikazan na Slici sin 2π f t ( ) c cos ( 2π f t) c 00 Slika 3.19 Signal-constellation za QPSK Napomena: U odnosu na relaciju (6) signali su pomereni za dodatnih +π/4 D. Kvadraturna amplitudna modulacija QAM Kvadraturna amplitudna modulacija (quadrature amplitude modulation QAM) je modulaciona tehnika koja predstavlja kombinaciju ASK i PSK, a može se posmatrati kao logičko proširenje QPSK. U suštini to je multisimbolna modulacija koja koristi multi-amplitudnu i multi-faznu modulaciju radi povećanja brzine prenosa podataka. Signal-constellation za 16-QAM, 4-bita po simbolu, prikazan je na Slici

23 sin ( 2π f t) c cos ( 2π f t) c Slika 3.20 Signal-constellation za 16-QAM Analogni podaci na ulazu, analogni signali na izlazu Modulacija se definiše kao proces kombinovanja ulaznog signala m(t) i nosioca čija je frekvencija f C sa ciljem da se generiše signal s(t) čiji je propusni opseg (obično) centriran oko f C. U daljem delu teksta ukazaćemo u glavnim crtama samo na osnovne principe tehnika modulacije koje koriste analogne podatke, a to su: AM (amplitudna modulacija), FM (frekventna modulacija) i PM (fazna modulacija). Više detalja iz ove problematike studenti nalaze izučavanjem predmeta Osnovi telekomunikacija. Amplitudna modulacija AM Najjednostavniji oblik modulacije predstavlja amplitudna modulacija (vidi sliku 3.21). Matematički proces AM-a se može opisati kao s () t ( 1 + n x() t ) cos 2π f t =...(6) a C gde su: cos 2π f Ct - signal nosioca, x () t - modulišući signal; na - stepen (indeks) modulacije. Uočimo da su amplitude nosioca i modulišućeg signala u relaciji (6), kao vrednosti, normalizovane na jedinicu 62

24 m (t) t a) sinusoidalni modulišući talas [ 1 + m (t) ] S (t) A max 1 A min 0 t b) rezultujući AM signal Slika 3.21 Amplitudna modulacija Više detalja o karakteristikama AM-a studenti čuju is predmeta Osnovi telekomunikacija. 63

25 Ugaona modulacija Frekventna modulacija (FM) i fazna modulacija (PM) su specijalni slučajevi ugaone modulacije. Modulisani signal kod ugaone modulacije je zadat sledećom relacijom: s () t A cos( 2π f t + ϕ() t ) =...(7) C Kod PM-e, faza je proporcionalna modulišućem signalu, pa važi: a) kod PM-a () t = n m() t ϕ (8) p C gde je: n p - indeks fazne modulacije. b) kod FM-a izvod faze je proporcionalan modilišućem signalu, pa važi: ' ϕ () t = n m() t f gde je: n f - indeks frekventne modulacije Na slici 3.22 prikazani su talasni oblici AM-a, PM-a i FM-a, kada je modulacija izvršena čistim tonom. 64

26 Nosioc Modulišući sinusni signal Amplitudno modulisani signal Fazno modulisani signal Frekventno modulisani signal Slika 3.22 AM, PM i FM kada se modulacija vrši čistim tonom 65

27 3.11. Analogni podaci na ulazu, digitalni signali na izlazu Proces konverzije analognih podataka u digitalne signale, tj. podatke, naziva se digitalizacija. Pri ovome, na sledeća tri važna aspekta moramo obratiti pažnju: 1. digitalni podaci se mogu prenositi koristeći NRZ-L (Non-Return to Zero Level) kôd. NRZ-L se uobičajeno koristi za generisanje ili interpretaciju digitalnih podataka od strane terminala ili drugih uredjaja. 2. digitalni signali se mogu nakon toga kodirati kao digitalni signal koristeći kôd koji je različit u odnosu na NRZ-L. To znači da je potrebno uvesti dodatni korak. 3. digitalni podaci se mogu konvertovati u analogni signal koristeći jednu od modulacionih tehnika koje smo već opisali. Proces digitalizacije analognih podataka prikazan je na slici Digitizer Digitalni podaci Modulator Analogni podaci (glas) Digitalni podaci Slika 3.23 Digitalizacija analognih podataka Alaogni podaci (ASK) U konkretnom slučaju govorni signal se prvo digitalizuje, a zatim konvertuje u analogni ASK. Uredjaj koji se u procesu predaje, koristi za konverziju analognih podataka u digitalnu formu a zatim, u procesu prijema, za konverziju analognih podataka u digitalne naziva se kodek (koder-dekoder). U daljem tekstu ukazaćemo u kratkim crtama na dve glavne tehnike koje se koriste kod kodeka, a to su impulsno kodna modulacija i delta modulacija. Više detalja o ovoj problematici se čuje iz predmeta Osnovi telekomunikacija Impulsno kodna modulacija PCM Impulsno kodna modulacija (Pulse Code Modulation PCM) bazira se na teoriji uzorkovanja i može se izraziti kao: Ako se signal f(t) uzorkuje u regularnim vremenskim trenucima, frekvencijom koja je dvaput viša od najviše frekvencije signala, tada uzorci sadrže celokupnu informaciju signala koji se uzorkuje. Funkcija f(t) se može rekonstruisati na osnovu uzoraka korišćenjem nisko-propusnog filtra Delta modulacija DM U cilju poboljšanja performansi PCM-a kao i redukciju kompleksnosti elektronskih sklopova koji se ugradjuju u sistem koriste se alternativne PCM tehnike kodiranja od kojih je najpoznatija Delta Modulacija (DM). Kod DM-e analogni signal se aproksimira stepeničastom funkcijom koja se pomera naviše ili naniže za po jedan kvantizacioni nivo (δ) pri svakom intervalu uzorkovanja Ts. Tipičan primer je prikazan na slici

28 Amplituda signala Analogni ulaz Stepenasta funkcija Veličina koraka δ Šum usled prevelikog nagiba Kvantizacioni šum T s Vreme uzorkovana Vreme Izlaz Delta modilacije 1 0 Slika 3.24 Primer DM-e Važna karakteristika stepeničaste funkcije je binarno ponašanje. Naime, kod svakog trenutka uzorkovanja, funkcija se pomera naviše ilil naniže za konstantni iznos δ. Izlaz procesa DM-e se može predstaviti jedinstvenom binarnom cifrom za svaki uzorak. To znači da niz bitova koji se generiše aproksimira izvod analognog signala, a ne njegovu amplitudu. Ako u toku narednog intervala, stepeničasta funkcije ide naviše generiše se 1, a u suprotnom se generiše 0. 67

29 3.12. Prenos modulisanih signala Žičane računarske komunikacije dominiraju danas kod prenosa poruka u osnovnom opsegu (Baseband Transmission Systems), dok se široko-pojasni sistemi (Broadband Transmission Systems) prvenstveno koriste kod sistema koji svoji prenos zasnivaju na tehnici modulacije nosioca (carrier modulated technologies). Kod žičanih komunikacionih mreža ako želimo proširiti mrežu dodaćemo još žica. Tipičan primer je povezivanje novih telefona putem instaliranja novog kabla. Kod bežičnih mreža, postoji samo jedan zajednički medijum za prenos, a to je etar. Etar je u suštini deljiv resurs izmedju različitih apkikacija koje u toku prostiranja dodatno koriste princip FDM (Frequency Division Multiplex). Zbog toga proširenja kod bežičnog prenosa ne izvode se tako jednostavno. Kod mreža za bežični prenos koriste se sledeće dve klase tehnologija modulacije-nosioca: a) tradicionani radio-modemski prenos; b) prenos koji se bazira na rad u proširenom spektru. 68

30 3.13. Značaj pojmova: bežični i mobilni Često sebi postavljamo sledeće pitanje: Kako će u godinama koje nailaze izgledati budući računari? Odgovor na ovo pitanje je teško dati jer su predvidjanja o onome šta će i kako će nešto biti, često nezahvalna i nepredvidljiva. Ipak jedno je sigurno, a to je da će na budućem tržištu sve više i više biti prisutno prenosivih (portable) računara i druge komunikacione opreme. Naime, opšta je težnja da se sve veći broj poslova obavlja u pokretu (avionu, vozu, kolima, dok odsedate u hotelu, i td.). Sve ovo ukazuje da će komuniciranje pretežno biti bežično (wireless), a korisnici koji to obavljaju biti mobilni. Pri ovome se pojam mobilnost-korisnika pre svega odnosi na onaj korisnik koji ima pristup istim ili sličnim komunikacionim servisima (uslugama) na različitim mestima, tj. kažemo da je korisnik mobilan, a servisi su oni koji ga prate. Sa druge strane, pojam bežični se vezuje za uredjaj i ukazuje da se pristup komunikacionoj mreži ostvaruje bez žičanog povezivanja. Za jedan komunikacioni uredjaj kažemo da je prenosiv ako se isti, sa ili bez korisnikom, može seliti sa jednog mesta na drugo. Shodno prethodnom, za komunikacione uredjaje kažemo da mogu posedovati sledeće karakteristike: 1. fiksni i žičani ovakve konfiguracije koje su tipične za računarske mreže koje srećemo danas u najvećem broju laboratorija, kancelarija, poslovnih objekata (banke, opštine), i dr. 2. mobilni i žičani danas sve veći broj korisnika koristi laptop-ove. Kada korisnik odsedne u neki hotel često se javlja potreba da se poveže na mrežu svoje kompanije preko telefonske linije i modema. 3. fiksni i bežični standardno se koristi kod instaliranje mreža u slučajevima kada iz mnogobrojnih razloga nije dozvoljeno izvodjenje gradjevinskih radova u zgradi. To su obično zgrade od istorijskog značaja 4. mobilni i bežični sigurno je najfleksibilniji slučaj, jer korisnik može u pokretu da koristi usluge (roaming), čas jedne čas druge bežične komunikacione mreže. Bežični prenos Na ovom mestu ukazaćemo samo na neke osnovne aspekte bežičnog prenosa koji su neophodni za razumevanje problema na višim nivoima. Radio-frekventni prenos se može ostvariti na veći broj različitih frekventnih opsega. Svaki frekventni opseg nudi odredjene prednosti, ali ima i neke svoje nedostatke. Na slici 3.25 prikazana je gruba podela frekventnog opsega koji se koristi za prenos podataka. 69

31 Frekvencija (Hz) ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Mrežno napajanje i telefonija Energetski generatori Muzički instrumenti Zvučni signali Upredeni kabl Radio Radio i televizija Elektronske cevi Integrisana kola Celularna telefonija Koaksijalni kabl Mikrotalasna Radar Mikrotalasne antene Megnetroni Infracrvena Vidljiva Laseri svetlost Navodjenje projektila Optičko vlakno AM radio FM radio i TV Zemaljski i satelitski prenos Talasna dužina u prostoru (m) ELF = ekstremno niske frekvencije VF = govorne frekvencije VLF = vrlo niske frekvencije LF = niske frekvencije MF = srednje frekvencije HF = visoke frekvencije VHF = vrlo visoke frekvencije Slika 3.25 Frekventni spektar UHF = ultra visoke frekvencije SHF = super visoke frekvencije EHF = ekstremno visoke frekvencije Kao što se vidi sa slike 3.25 prikazane su frekvencije počev od 300 Hz do 300 THz. U direktnoj vezi sa frekvencijom je i talasna dužina λ, koja se može izraziti sledećom jednačinom: λ = c f 0 8 gde je c = 3 10 m / s brzina svetlosti u vakumu, a f o je frekvencija signala. Na slici 3.26 prikazan je elektromagnetni spektar i označene su frekvencije različitih medijuma za žičani i bežični prenos podataka. 70

32 opseg ELF (ekstremno niske frekvencije) VF (govorne frekvencije) VLF (vrlo niske frekvencije) frekventni opseg Prenos podatka Tehnike za prenos podataka opseg talasne dužine u slobodnom prostoru Hz km propagacione karakteristike tipično korišćenje GW Mrežne frekvencije; koristi se za domaćinstvo i industriju Hz km GW koristi se od strane telefonskog sistema za analogni prenos govora 3 30 khz km GW: slaba atenuacija danju i noću; jaki atmosferski nivo šuma khz 10 1 km GW: neznatno manje pouzdano od VLF; dnevna absorbcija navigacija uz pomoć dugih talasa; komunikacija izmedju podmornica LF (niske navigacija dugih uz pomoć talasa; frekvencije) komunikacija izmedju brodova MF khz m GW i noćni SW; radio signal za (srednje malo slabljenje obaveštavanje brodova, frekvencije) noću, veliko odredjivanje smera, preko dana; emisija u srednjetalasnom atmosferski šum području HF 3 30 MHz m SW: kvalitet radio amateri; (visoke varira vremenom internacionalna emisija, frekvencije u toku dana, u vojne komunikacije; toku sezone, i komunikacije izmedju zavisi od aviona i brdova na duga frekvencije rastojanja VHF MHz 10 1 m LOS: rasejavanje VHF televizija; FM radio (vrlo zbog inverzije emisija, i dvosmerna visoke temperature; radio emisija, AM frekvencije) kosmičkišum komunikacija za avione i ostala navigaciona sredstva UHF MHz cm LOS: kosmički UHF televizija; celularna (ultra šum telefonija, radar, visoke mikrotalasne veze, i frekvencije) personalni komunikacioni sistemi SHF 3 30 GHz 10 1 cm LOS: slabljenje satelitske komunikacije, (super iznad 10 GHz radar, zemaljske mikrotalasne visoke zbog kiše; veze, i bežične frekvencije) atmosfersko lokalne petlje slabljenje zbog kiseonika i kapljica vodene pare EHF GHz 10 1 mm LOS: eksperimentalni opseg, 71

33 (ekstremno atmosfersko bežične lokalne petlje visoke slabljenje zbog frekvencije) kiseonika i kapljica vodene pare inracrveni THz 1 mm 770 nm LOS infracrveni LAN, proizvodi potrošačke elektronike vidljiva svetlost THz nm LOS optičke komunikacije Slika 3.26 Elektromagnetni spektar u telekomunikacijama Radio prenos počinje od nekoliko khz, na VLF bandu koga karakterišu veoma dugi talasi. Talasne dužine LF opsega koriste podmornice iz razloga što se ovi talasi prostiru kroz vodu i slede oblik površinu zemlje. Danas još postoje neke od radio stanica koje još rade na ovom bandu, to su frekvencije od 148,5-283,5 khz. Na srednje-talasnom (MF) i kratko-talasnom području (HF) postoje danas brojne radio stanice koje za prenos signala govora koriste bilo amplitudnu modulaciju (AM) u opsegu od 520 khz do 1605,5 khz na srednjim talasima ili u opsegu od 5,9 MHz do 26,1 MHz na kratkim talasima (SW), bilo frekventnu modulaciju (FM) u opsegu od 87,5 MHz i 108 MHz. Kako se ide prema višim frekvencijama raspoloživi opsezi se uglavnom koriste za prenos TV signala. Konvencionalni analogni TV prenos se obavlja u opsezima od MHz za VHF područje i od MHz za UHF područje. U ovom opsegu vrši se takodje i digitalni audio prenos (DAB) u opsezima od MHz i MHz, dok se digitalni TV prenos planira u opsegu od MHz. UHF područje se takodje koristi za potrebe mobilne telefonije sa analognom tehnologijom ( MHz), digitalnim GSM prenosom ( MHz, MHz), digitalne bežične telefonije shodno DECT standardu ( MHz), i druge namene. Super visoke frekvencije (SHF) se koriste kod usmerenih mikrotalasnih veza (aproksimativno 2-40 GHz), za potrebe fiksnih satelitskih servisa u C-band-u (4 i 6 GHz), ku-band-u (11 i 14 GHz) ili kaband-u (19 i 29 GHz). Neki od sistema su planirani za rad na EHF opsegu koji je veoma blizak infracrvenom. Opsezi prema još višim frekvencijama koriste se za optičke komunikacije kao i za bežični prenos. Infracrveni (IR) prenos se koristi za direktno povezivanje različitih zgrada preko laserskih veza. Najzastupljeniji je IrDA prenos podataka koji koristi infracrvenu svetlost talasne dužine u opsegu od nm. Konačno i vidljiva svetlost se vekovima koristila za prenos podataka, ali zbog interferencije nije pouzdana za prenos Multipleksiranje Multipleksiranje je osnovni mehanizam za deobu medijuma kod komunikacionih sistema. On opisuje na koji način nekoliko korisnika mogu da dele medijum, a da pri tome izmedju njih postoji minimalna interferencija. Kada se govori o bežičnim komunikacijama multipleksiranje po svakom kanalu, uz minimalnu interferenciju i maksimalnu iskorišćenost medijuma, se može izvesti u sledeće četiri dimenzije: prostoru, vremenu, frekvenciji i kôdu. 72

34 Prostorni multipleks Ovaj tip multipleksiranja naziva se SDM (Space Division Multiplexing). Na slici 3.27 prikazana su šest kanala i uveden 3D koordinatni sistem čije ose u odnosu na dimenzije odgovaraju kôdu c, vremenu t, i frekvenciji f, a prostor koji odredjuje interferenciju izmedju kanala označen je krugovima. Osnovno pitanje koje se sada postavlja je sledeće: Kako se postiže izdvajanje različitih kanala? Kanale k1 do k3 treba preslikati u tri prostora s1 do s3, koji jasno razdvajaju kanale i obezbedjuju da ne dodje do interferencije. Prostor izmedju interferentnog opsega naziva se bezbednosni prostor (guard space). Za ostale kanale (k4 do k6) potrebna su još tri prostora. Kada se govori o radiofrekventnom prenosu tada se SDM ostvaruje na sledeći način: Radio-stanici Beograd čije su dimenzije f 1, t 1 i c 1 postoji bliznakinja istih dimenzija f 1, t 1 i c 1, ali locirana na suprotnoj strani zemljine kugle. k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c t c t s 1 c f s 2 t f s 3 f Slika 3.27 Prostorni multipleks Frekventni multipleks Tehnika frekventnog multipleksa (FDM-Frequency Division Multiplexing) se sastoji u deobi dimenzije frekvencije na nekoliko ne-preklapajućih frekventnih opsega (vidi slilku 3.28). Svakom kanalu kako je pirkazano na slici 3.28 dodeljen je sopstveni frekventni opseg. 73

35 k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Slika 3.28 Multipleksiranje u frekventnom domenu U toku rada predajnik stalno koristi jedan opseg, a prijemnik treba da je uvek podešen na taj opseg. Sa ciljem da se izbegne preklapanje izmedju susednih frekventnih opsega (adjacent channel interference) koriste se bezbedonosni opsezi (quard spaces). Ovo jednostavno multipleksiranje ne zahteva složenu koordinaciju u radu izmedju predajnika i prijemnika Vremenski multipleks Kod vremenskog multipleksa (TDM-Time Division Multiplexing) kanalu k1 za odredjeni iznos vremena se dodeljuje celokupni opseg, tj svi predajnici koriste istu frekvenciju, ali u različitim vremenskim trenucima. Za razdvajanje vremena predaje jednog predajnika od drugog koriste se bezbednosni prostori koji su sada u formi vremenskih procepa. Princip vremenskog multipleksiranja prikazan je na slici k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Slika 3.29 Vremenski multipleks 74

36 Kombinacija frekventnog i vremenskog multipleksa Veoma često u praksi se koristi kombinacija frekventnog i vremenskog multipleksa (vidi sliku 3.30). Kod ovog multipleksa kanalu k1 za odredjeni period vremena se dodeljuje neki od frekventnih opsega. Ponovo da bi sistem korektno radio (tj. ne dodje do interferencije) potrebno je obezbediti bezbednosni prostor kako u vremenu tako i po frekvenciji. Korektan rad podrazumeva i koordinaciju u radu izmedju različitih predajnika. Standard mobilne telefonije GSM koristi kombinovani frekventni i vremenski multipleks. k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Napomen:a (prikaz je dat projekcijom na ravan t-f) Kôdni multipleks Slika 3.30 Kombinacija frekventno-vremenskog multipleksa Kôdni multipleks (Code Division Multiplexing) se kao tehnika, u komercijalnim komunikacijama, koristi od skoro. Na slici 3.31 prikazano je kako svi kanali i k u istom trenutku prenosa koriste istu frekvenciju. Bezbedonosno-razdvajanje se ostvaruje na taj način što se svakom kanalu dodeli sopstveni kôd, tj. bezbedonosni prostori se realizuju korišćenjem kôdova koji u kôdnom prostoru imaju ugradjeno neophodno rastojanje (ove kôdove nazivamo ortogonalne). 75

37 k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f t Slika 3.31 Kôdni multipleks Danas se CDM standardno koristi kod bežičnog prenosa zbog dobre osobine zaštite od interferencije i ometanja. Glavni nedostatak ove tehnike je relativno velika složenost prijemnika koja se odnosi na korektno razdvajanje kanala kao i precizna sinhronizacija u radu prijemnika i predajnika Prošireni spektar Kao što i samo ime ukazuje tehnike sa proširenim spektrom (spread spectrum) baziraju se na proširenje propusnog opsega koji je potreban da bi se izvršila transmisija podataka. Proširenje spektra ima nekoliko svojih prednosti. Ipak glavna prednost ovih tehnika predstavlja otpornost na uskopojasne interferencije. Na slici 3.32 prikazan je dijagram kod koga je: (a) dat idealizovan uskopojasni signal predajnika korisničkih podataka (snaga signala P u odnosu na frekvenciju f ); (b) dato je kako predajnik širi spektar signala, tj. kako se ostvaruje način konverzije uskopojasnog signala u širokopojasni. Pri ovome treba naglasiti da je energija potrebna za predaju signala ista kao u slučaju (a), ali je proširena na veći opseg. Nivo signala u odnosu na slučaj (a) je znatno niži i obično je na nivou šuma. To znači da je sada teže izdvojiti i detektovati signal od šuma; (c) ilustrovano je kako se u toku prenosa nad signalom superponira uskopojasni i širokopojasni šum; (d) dato na koji način prijemnik sada zna kako da suzi spektar (despread) signala, konvertuje signal proširenog spektra korisnika u uskopojasni signal, zadržavajući uskopojasne interferentne smetrnje, a ignorišući širokopojasne; (e) u zadnjem koraku, naznačeno je kako, prijemnik koristi filtre propusnika opsega i eliminiše sve frekventne komponente koje se nalaze levo i desno od uskopojasnog siganala. Konačno prijemnik rekonstruiše predajnu povorku impulsa zahvaljujući tome što je snaga signala velika, tj. signal ima veću amplitudu u odnosu na interferentne smetnje. 76

38 dp/df dp/df i) ii) f predajnik f korisnički signal širokopojasna interferencija uskopojasna interferencija dp/df dp/df dp/df iii) iv) v) f prijemnik f f Slika 3.32 Proširenje i sužavanje spektra signala Na slici 3.33 prikazan je model rada digitalnog komunikacionog sistema koji radi u proširenom spektru Ulazni podaci Kanalni koder Modulator Kanal Demodulator Kanalni dekoder Izlazni podaci Spreading sekvenca PN generator Spreading sekvenca PN generator Slika 3.33 Model digitalnog komunikacionog sistema koji radi u proširenom spektru Ulazni podaci se dovode na kanalni dekoder koji generiše analogni signal relativno uskog frekventnog opsega lociran u okolini centralne frekvencije. Signal se zatim moduliše koristeći sekvencu cifara poznatu kao spreading code ili spreading-sekvenca. Obično, ali ne uvek, spreading-sekvenca se generiše od strane generatora pseudoslučajnog šuma, ili generatora pseudoslučajnih brojeva. Kao efekat modulacije dobija se značajno proširenje opsega signala koji se prenosi. Na prijemnoj strani ista sekvenca cifara se koristi za demodulaciju signala sa proširenim spektrom. Na kraju signal se dovodi na kanalni dekoder da bi se izdvojili podaci. Osnovne prednosti prenosa signala sa proširenim spektrom su sledeće: 1. Signali proširenog spektra se mogu prenositi u opsezima gde su drugi sistemi već operativni, a da pri tome postoji minimalni performansni uticaj na rad oba sistema. 2. Proširenim spektrom se prenosi širokopojasni signal koji ima superiornije performanse u odnosu na tradicionalni radio sa aspekta selektivnog fedinga i multipath kanala. Signal sa proširenim spektrom obezbedjuje robusniji i pouzdaniji prenos u urbanim i zatvorenim sredinama. 3. Anti-interferentne karakteristike signala sa proširenim spektrom su veoma važne kod nekih aplikacija, kakve su mreže koje su operativne u fabričkim halama, gde fabriku čini veći broj spratova u jednoj zgradi, pri čemu su interferentni signali veoma izraženi. 4. Celularni sistemi koji koriste CDMA (Code Division Multiple Access) tehnologiju proširenog spektra nude znatno veću operativnu fleksibilnost i veći kapacitet na nivou sistema u odnosu na sisteme koji metod pristupa baziraju na FDMA (Frequency Division Multiple Access), i TDMA 77

39 (Time Dvision Multiple Access). To znači da nekoliko korisnika može nezavisno da koristi isti širi propusni opseg sa veoma malom interferencijom. U praksi za prenos signala u proširenom spektru koriste se sledeće dve različite metode: 1. direktna sekvenca (direct sequencing DS)- DSSS ( direct sequence spread spectrum) 2. frekventno skakanje (frequency hopping FH)- FHSS (frequency hopping spread spectrum) Frekventno skakanje Sa ciljem da se izbegne ometanje kod FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) tehnike predajnik je taj koji permanentno pomera centralnu frekvenciju predajnog signala. Frekventni pomeraji, ili frekventni skokovi (frequency hops), dešavaju se slučajno, ali su te promene poznate kako predajniku tako i prijemniku. Ako centralnu frekvenciju proizvoljno pomeramo izmedju 100 različitih frekvencija tada zahtevani propusni opseg bića 100 puta veći u odnosu na prvobitni propusni opseg. Zbog toga se ova tehnika naziva tehnika sa proširenim spektrom. FHSS se može podjednako uspešno primeniti kako na analogne tako i digitalne komunikacije, ali se prvenstveno koristi za digitalni prenos. Na slici 3.34 pirkazan je primer frekventnog skakanja koji se koristi kod prenosa paketa. Sekvenca frekvencija je f 3, f 5, f6, f1, f 4, f 8, f 2, f7 pre nego što se vrši povratak na prvu frekvenciju f 3. Frekvencija f 8 f 7 f 6 f 5 f 4 f 3 f 2 f 1 Paketi za prenos a) Vreme 78

40 Energija Frekvencija f 8 f 7 f 6 f 5 f 4 f 3 f 2 f 1 f 1 f 2 f 3 f 4 f 6 f 7 f 8 f 5 Frekvencija b) Slika 3.34 Prenos FHSS paketa Tipičan blok dijagram FHSS-a sistema prikazan je na slici Na predajnoj strani binarni podaci se dovode na ulaz modulatora koji koristi neku digitalno-analognu šemu kodiranja, kakve su recimo, FSK ili BPSK. Rezultantni signal na izlazu modulatora je centriran oko iste osnovne frekvencije. U toku dalje obrade pseudo šum (PN-Pseudo Noise), ili pseudo-slučajni broj, u formi izvorišta se koristi kao indeks u tabeli frekvencija. Ovaj pseudo-slučajni broj odgovara kodu proširenja (spreading code). Svakih k bitova PN izvorišta specificira jednu od 2 k nosećih frekvencija. To znači da se u svakom sukcesivnom intervalu (tj. svakih k PN bitova) selektuje nova noseća frekvencija. Ova frekvencija se zatim moduliše od strane signala generisanog u inicijalnom modulatoru, a kao proizvod dobija signal istog oblika, ali sada centriran na selektovanoj frekvenciji nosioca. Na prijemnoj strani, signal proširenog spektra se prvo demoduliše koristeći istu sekvencu pseudo-slučajnog broja, a nakon toga iznova demoduliše da bi se generisali izlazni podaci. Binarni podaci Modulator (FSK ili BPSK) s d () t FH spreader c() t Sintetizator frekvencije Filter propusnik opsega(oko frekvencije zbira) s() t Vreme Spread spectrum signal (signal u proširenom opsegu) Izvorište bitova pseudošuma Tabela kanala a) predajnik 79

41 Spread spectrum signal (signal u proširenom opsegu) s() t FH spreader c() t s d () t Filter propusnik opsega(oko frekventne razlike) Demodulator (FSK ili BPSK) Binarni podaci Sintetizator frekvencije Izvorište bitova pseudošuma Tabela kanala b) prijemnik Slika 3.35 HFSS sistem Princip rada HFSS-a objasnićemo na sledećem primeru. Usvojimo da će inicijalni modulator koristiti BFSK modulacionu tehniku. Definisaćemo FSK ulaz u FHSS sistem sledećom relacijom. s d () t A cos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f ) t) = za i T < t < ( i + 1)T... (1) 0 i gde je: A amplituda signala; f 0 -osnovna frekvencija; b i -vrednost i-tog bita podataka (+1 za binarnu1, -1 za binarnu 0); f - frekventna razlika; T - trajanje bitskog intervala, a brzina prenosa = 1 T. To znači da je u toku trajanja i-tog bitskog intervala, frekvencija signala podataka jednaka f 0 ako je bit podataka 1 (što odgovara binarnoj 0) ili f 0 + f ako je bit podataka jednak +1 (što odgovara binarnoj 1). Frekventni sintesajzer generiše ton konstantne frekvencije čija frekvencija skače u okviru skupa od k 2 frekvencija, pri čemu je redosled skakanja odredjen na osnovu k bitova PN sekvence. Radi pojednostavljenja, usvojićemo da je trajanje jednog skoka iste dužine kao i trajanje jednog bita, a ignorisaćemo faznu razliku izmedju signala podataka s d () t i spreading signala, takodje nazvan chipping signal, c () t. Signalni proizvod u toku i-tog skoka (tj. i-tog bita) biće p () t s () t c() t = Acos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f ) t) cos( 2π f t) =...(2) d 0 gde je f i frekvencija signala generisanog od strane frekventnog sintesajzera u toku i-tog skoka. Koristeći trigonometrijsku relaciju: dobijamo p cos 1 2 i ( x) cos( y) = ( cos ( x + y) + cos ( x y) ) () t = 0.5 A[ cos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f + f ) t) + cos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f f ) t) ] 0 i i 0 i Filtrom propusnika opsega sa slike 4 kojim se atenuira razlika frekvencija, a propušta frekvencija koja odgovara sumi, na izlazu predajnika dobiće se FHSS signal oblika i i 80

42 s () t = 0.5 Acos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f f ) t) 0 i + To znači da je u toku trajanja bitskog intervala i, frekvencija signala na izlazu predajnika f 0 + f i ako je bit podataka 1, a f0 + f i + f ako bit podataka ima vrednost + 1. Na prijemnoj strani prima se signal s () t definisan sa (2). Ovaj signal se množi signalom c () t koji je replika spreading signala na predajnoj strani, pa važi p () t = s () t c () t = 0.5 Acos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f + f ) t) cos( 2 f t) Koristeći trigonometrijske identitete, dobićemo p 0 i i π () t = 0.25 A [ cos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f + f + f ) t) + cos( 2π ( f + 0.5( b + 1) f ) t) ] 0 i i i 0 i Filtar propusnik opsega (instaliran u prijemniku sa slike 4) atenuira frekventni zbir, a propušta razliku, pa će signal na njegovom izblazu biti oblika ( 2π ( f + 0.5( b + 1) f ) t) 0.25 A cos i 0 i i FHSS koji koristi MFSK Uobičajeno je da se kod FHSS koristi MFSK (Multiply Frequency Shift Key) tehnika modulacije. Naglasimo da je MFSK signal definisan kao s i () t = Acos 2π f t, 1 i M i f = f + 2i 1 M f ; gde je: i C ( ) d f C je noseća frekvencija; f d predstavlja frekventnu razliku; elemenata; L broj bitova po signalnom elementu. L M = 2 broj različitih signalnih Kod FHSS-a MFSK signal svakih T C sekundi se translira u novu frekvenciju putem modulacije MFSK signala sa FHSS nosiocem. Kao efekat dobija se translacija MFSK signala u odgovarajući FHSS kanal. Pri brzini prenosa podataka od R, trajanje bitskog intervala je T=1/R sekundi, a trajanje signalnog elementa je T s =LT sekundi. Ako je T c veće ili jednako sa T s, spreading modulacija se naziva slowfrequency-hop spread spectrum, u suprotronom imamo fast-frequency-hop spread spectrum, ili važi za slow-frequency-hop spread spectrum imamo T c T s za fast-frequency-hop spread spectrum imamo T c < T s Na slici 3.36b) prikazan je primer spore FHSS koja koristi MFSK kodiranje sa slike 3.36a). U konkretnom slučaju imamo da je M = 4 što znači da se koriste četiri različite frekvencije da bi se u datom trenutku kodirala dva ulazna bita podataka. Svaki signalni elemenat predstavlja ton diskretne frekvencije, pri čemu je ukupni MFSK propusni opseg jednak W d = Mf d. U konkretnom slučaju koristi se FHSS {ema sa k = 2. To znači da postoje 4 = 2 k različitih kanala, svaki {irine W d. Ukupni propusni opseg FHSS-a iznosi W s = 2 k Wd. Svaka dva bita PN sekvence se koriste za selekciju jednog od četiri kanala. Kanal se održava u trajanju od dva signalna elementa, ili četiri bita (T c = 2T s =4T). 81

43 Na slici 3.37 prikazan je brzi FHSS za isti MFSK primer. U ovom slučaju ponovo je M = 4 i k = 2, ali se svaki signalni elemenat predstavlja sa dve tonske frekvencije. frekvencija f C + 3 f d f + f f C C f d d f 3 C f d T vreme fc Wd T s a) MFSK za M=4 MFSK simbol PN sekvencer Ulazni binarni podaci W d frekvencija W s W d W d 2 k = 4 četiri gruba skakanja k = 2 W d MFSK za M = 4 T T s T c vreme b) MFSK (M = 4, k = 2) Slika 3.36 Slow-frequency-hop spread spectrum koji koristi MFSK (M=4, k=2) 82

44 MFSK simbol PN sekvencer Ulazni binarni podaci W d frekvencija W s W d W d 2 k = 4 četiri gruba skakanja k = 2 W d MFSK za M = 4 T T c T s vreme Slika 3.37 Fast-frequency-hop spread spectrum koji koristi MFSK (M=4, k=2) Direktna sekvenca - DSSS Kod direktne sekvence (direct sequence spread spectrum DSSS) svaki bit izvornog informacionog signala na predajnoj strani predstavlja se pomoću većeg broja bitova u predajnom signalu, koristeći pri tome spreading kod. U suštini spreading kôd proširava signal na veći frekventni opseg. Ovaj opseg je direktno proporcionalan sa brojem korišćenih bitova. Tako na primer, 10-bitni spreading kôd proširava signal u frekventnom opsegu na 10 puta širi u odnosu na 1-bitni spreading kôd. Tehnika koja se koristi kod DSSS-a bazira se na kombinovanju informacionog niza sa spreading kôd bit povorkom koristeći XOR logičku funkciju. Na slici 3.37 prikazan je jedan tipičan primer. Na sličan način kao i FHSS, i DSSS vidi sliku 3.38, se može zamisliti kao modulaciona tehnika koja se realizuje u dva koraka. 83

45 Ulazni podaci Spreader Tradicionalni modulator Tradicionalni demodulator Korelator Izlazni podaci Bit podatka Amplituda Chip 0-10 a) prvi pristup Binarni podaci Modulator (FSK ili BPSK) s d () t DS spreader c() t Spread spectrum signal (signal u proširenom spektru) s() t Izvorište bitova pseudošuma b) predajnik (drugi pristup) Spread spectrum signal (signal u proširenom spektru) s() t DS despreder c() t s d () t Demodulator (FSK ili BPSK) Binarni podaci Izvorište bitova pseudošuma c) prijemnik (drugi pristup) Slika 3.38 DSSS sistem 84

46 Ulazni podaci A A PREDAJNIK Lokalno generisana PN bit sekvenca Poslati signal C = A B B C Pimljeni signal C C PRIJEMNIK Lokalno generisana PN bit sekvenca Identičan B-u gore Izlazni podaci A = C B B A Slika 3.39 Primer DSS-a U prvom stepenu svaki predajni informacioni bit se proširava (preslikava) u N užih impulsa koje nazivamo chip. U drugom stepenu, chip-ovi se predaju preko tradicionalnog digitalnog modulatora. Na prijemnoj strani chip-ovi se prvo demodulišu a zatim prolaze kroz korelator koji despread-uje signal. Despreader koreliše prijemni signal sa chip sekvencom. Vrh autokorelacije se koristi za detekciju predajnog bita DSSS koja koristi BPSK Da bi vi videli kako ova tehnika praktično radi usvojićemo da se u konkretnom rešenju koristi BPSK modulaciona tehnika. Umesto da se binarni podaci predstave kao 1 i 0, povoljnije je tretirati ih kao +1 i 1. U tom slučaju, BPSK se može predstaviti sledećom relacijom s d () t A d() t cos( 2πf t) = (1) C gde je: A amplituda signala; f C frekvencija nosioca; d () t diskretna funkcija koja ima vrednost +1 ako je odgovarajući bit u povorci 1, a vrednost 1 kada je odgovarajući bit u povorci 0. Da bi dobili DSSS signal množimo jednačinu (1) funkcijom c () t koja odgovara PN sekvenci uzimajući vrednosti +1 i 1, čime dobijamo s d () t A d() t c() t cos( 2πf t) = (2) C 85

47 Na prijemnoj strani, dolazeći signal ponovo se množi sa () t ovakvom manipulacijom vrši se obnavljanje početno zadatog informacionog signala. s d () t c() t = A d() t c() t c() t cos( 2πf t) c. Imajući u vidu da je c () t c () t = 1 C, Jednačina (2) se može interpretirati na dva načina, što ima za posledicu dve različite implementacije. Kod prve implementacije, vidi sliku 3.37, prvo se pomoću despreader-a množe d(t) i c(t) uzajamno, a zatim se obavlja BPSK modulacija (tradicionalni modulator). Alternativno, kod druge implementacije (vidi sliku 3.38) prvo se obavlja BPSK modulacija nad nizom podataka d(t), a kao rezultat generiše signal sd(t). Ovaj signal se zatim množi sa c(t). Implementacija drugog pristupa prikazana je na slici 3.38, a tipičan primer talasni dijagrama koji odgovaraju ovom slučaju prikazan je na slici Slika 3.39 DSSS sistem koji koristi BPSK 86

48 3.19. Osnovni principi CDMA tehnike CDMA (Code Division Multiple Access) je tehnika koja se koristi kod prenosa signala u proširenom spektru. Šema radi na sledeći način. Neka se signal prenosi bitskom brzinom D. Rastavićemo svaki bit na k chip-ova koristeći fiksni oblik koji je specifičan za svakog korisnika. Po novom kanalu bitska brzina prenosa odgovaraće brzini od kd chip-ova u sekundi. Kao ilustraciju uzećemo primer sa k = 6, a zbog pojednostavljenije prezentacije opisaćemo kodnu sekvencu kao povorku vrednosti + 1 i 1. Na slici 3.40 prikazani su kôdovi triju korisnika A, B i C, od kojih svaki komunicira sa istom baznom prijemnom stanicom, R. Usvojićemo da je kod korisnika A jednak C A =< 1, 1, 1, 1, 1, 1 >, a kôdovi korisnika B i C su C B =< 1, 1, 1, 1, 1, 1 > i C C =< 1,1, 1,1,1, 1 > respektivno (vidi sliku 3.40). Razmotrićemo slučaj kada korisnik A želi da komunicira sa baznom stanicom, pri čemu se podrazumeva da bazna stanica zna kôd korisnika A. Usvojićemo dalje da je komunikacija već sinhronizovana tako da bazna stanica zna kako da prepozna bitove. Ako A želi da preda bit čija je vrednost 1, ona predaje svoj kod čiji je chip oblik < 1, 1, 1,1, 1, 1 >, a za slučaj da želi da preda bit čija je vrednost 0 tada A predaje komplementarnu vrednost svog kôda čiji je oblik < 1,1,1, 1,1, 1 >. U baznoj stanici prijemnik dekodira chip oblik. U našem, konkretnom, slučaju prijemnik R primiće chip oblik d =< d1, d 2, d 3, d 4, d 5, d6 >, pri ćemu je odgovarajući kod prijemnika koji se odnosi za specificiranog korisnik definisan kao c =< c1, c2, c3, c4, c5, c6 >. Shodno prethodnoj konstataciji prijemnik će obaviti sledeću dekodersku funkciju S n ( d ) = d1 c1 + d 2 c2 + d 3 c3 + d 4 c4 + d 5 c5 + d6 c6 Indeks n koji prati S ukazuje da se radi o nekom korisniku. Neka je korisnik n u konkretnom slučaju korisnik A i analizirajmo sada šta će se desiti. Ako A šalje bit čija je vrednost 1, tada će d biti < 1, 1, 1,1, 1, 1 >, a izračunavanje S A koje je svojstveno korisniku A rezultiraće ( 1) ( 1) + ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) S A < 1, 1, 1, 1, 1, 1 >= = Za slučaj da A predaje 0 imaćemo da je d =< 1,1,1, 1,1, 1 > pa dobićemo S A < 1, 1, 1, 1, 1, 1 >= ( 1) ( 1) + 1 ( 1) + ( 1) ( 1) + ( 1) 1 = 6 Uočimo da uvek važi da je 6 S A ( d ) 6 nezavisno od toga kakva sekvenca od 1 i 1 čini d, a da u ekstremnim slučajevima dobijamo vrednosti 6 i 6. To znači da ako S A generiše +6 kažemo da smo primili 1 od A, a za slučaj da S A generiše 6 to znači da smo primili 0 od A, u ostalim slučajevima kažemo da neko drugi predaje informaciju ili da je nastala greška. Analiziraćemo sada slučaj kada korisnik B vrši predaju, a mi pokušavamo da primimo sa S A, tj. pokušavamo da izvršimo dekodiranje sa pogrešnim kôdom korisnika A. Ako B predaje bit čija je vrednost 1 imaćemo da je d =< 1,1, 1, 1,1, 1 >, a to znači da će ( 1) 1 + ( 1) ( 1) + 1 ( 1) ( 1) ( 1) + ( 1) 1 0 S A < 1, 1, 1, 1, 1, 1 >= = To znači da neželjeni signal od korisnika B ne uzrokuje promene kod korisnika A. Isti zaključak važi i kada korisnik B predaje bit čija je vrednost 0, ponovo će s A biti jednako 0.To znači da ako je dekoder linearan i ako A i B simultano vrše prenos signala s A i s B, respektivno, tada ćemo imatai da je s s + s = s s + s s = s s = s, s obzirom da dekoder ignoriše B kada koristi kôd A ( A B ) A ( A ) A ( B ) A ( A ) A 87

49 korisnika A. Kôdovi korisnika A i B imaju osobinu da je s ( c ) = s ( c ) 0 A B B A = ortogonalni. Ovi kôdovi su veoma korisni, ali na žalost njihov broj nije veliki. Uobičajeniji je slučaj kada je vrednost ( ) X s Y, i nazivaju se s mala u asbolutnom iznosu u situacijama kada je x y. Tada je lakše praviti razliku izmedju slučajeva kada je x = y i kada je x y. U našem slučaju s c = s c, ali je s ( c ) = s ( c ) 2. U ovoj situaciji signal C imaće mali doprinos u ( ) ( ) 0 A C C A = B C C B = dekodiranju signala umesto da doprinos bude 0. Koristeći dekoder s u, prijemnik može da izabere (selektuje) predaju koju inicira korisnik u i u slučaju kada drugi korisnici vrše prenos signala po istoj ćeliji. Na slici 3.41 prikazan je primer koji se odnosi na celokupnu našu prethodnu diskusiju. Kôd Poruka '' 1101'' kôdirana kôd log icke'1' kôd log icke'0' komplementaran log ickoj'1' Slika 3.40 CDMA primer korisnik A korisnik B korisnik C a) korisnički kôdovi predata (bit podatka = 1) primljena kdna reč množenje = 6 predata (bit podatka = 0)

50 primljena kdna reč Prenos podatka Tehnike za prenos podataka množenje = -6 b) predaja od A predata (bit podatka = 1) primljena kdna reč množenje = 0 c) predaja od B, prijemnik pokušava da obnovi A-ovu predaju predata (bit podatka = 1) primljena kdna reč množenje = 2 d) predaja od C, prijemnik pokušava da obnovi B-ovu predaju B (bit podatka = 1) C (bit podatka = 1) kombinovani signal primljena kôdna reč množenje = 8 e) predaje od B i C, prijemnik pokušava da obnovi B-ovu predaju Slika 3.41 CDMA primer predaje signala Kod praktičnih rešenja, CDMA prijemnik može da isfiltrira doprinos neželjenih korisnika tako što će ih smatrati kao pojavu uticaja izvora šuma niskog nivoa. 89

51 CDMA za DSSS Analiziraćemo sada CDMA tehniku sa aspekta DSSS sistema koji koristi BPSK. Na slici 3.42 prikazana je konfiguracija kod koje postoji n korisnika, pri čemu svaki korisnik emituje signal koristeći različitu, ortogonalnu, PN sekvencu. d 1 () t () t s 1 šum cos ( 2π fc t) () t c 1 d 2 () t () t s 2 d 1 () t cos ( 2π fc t) () t... d n () t () t c 2 s n c 1 () t cos ( 2π f t) C cos ( 2π fc t) () t c n Slika 3.42 CDMA kod DSSS okruženja Podaci svakog korisnika, di(t), se modulišu tehnikom BPSK, a kao rezultat se dobija signal čiji je propusni opseg Ws, koji se zatim množi sa spreading kôdom tog korisnika, c i (t). Svi signali, plus šum, se primaju od strane projemnika. Pretpostavimo sada da prijemnik želi da otkrije podatak korisnika_1. Dolazećui signal se množi spreading kodom korisnika_1 i nakon toga demoduliše. Efekat ove akcije je sužavanje opsega onog dela dolazećeg signala koji odgovara korisniku_1 u non-spreading signalu, a proporcionalan je brzini prenosa podataka. Kako je ostatak dolazećeg signala ortogonalan spreading kodu korisnika_1, ostatak i dalje ima propusni opseg Ws. Na ovaj način energija neželjenog signala ostaje spread-ovana po celokupnom opsegu dok je željeni signal koncentriran na uzak opseg Filtrom propusnika opsega, koji je deo demodulatora, moguće je obnoviti (restaurirati) željeni signal Prenosni medijumi i karakteristike Svrha fizičkog nivoa (shodno OSI referentnom modelu) je da obavi prenos povorke bitova sa jedne mašine na drugu. Za prenos se koriste različiti fizički medijumi. Svaki medijum se karakteriše 90

52 svojim specifičnim propusnim opsegom, kašnjenjem, cenom, kao i jednostavnošću instalacije i održavanja. Medijum (put) preko koga se prostire elektromagnetni talas/električni signal može biti izveden kao trasiran ili netrasiran. Trasirani putevi su oni kod kojih se kao medijum za prenos koriste upredeni kablovi, koaksijalni kablovi, optička vlakna i dr., a netrasirani su oni koji se zasnivaju na prostiranju elektromagnetnih talasa kroz slobodni prostor (tipično su to satelitske veze, radio veze). Tip prenosnog medijuma je veoma važan jer on odredjuje koji je maksimalan broj bitova koji se na tom prenosnom putu mogu prenositi u sekundi, tj. bps. Klasične dvo-žične linije Klasične dvo-žične linije (two-wire open line) predstavljaju najjednostavniji oblik prenosnog medijuma. Ovaj tip linija pogodan je za povezivanje uredjaja koji nisu udaljeni više od 50 m, a koriste brzinu prenosa manju od 19.2 kbps. Signal, obično naponskog ili strujnog nivoa, relativan je u odnosu na referentnu masu i prenosi se kao asimetričan (jedna žica je signalna, a druga masa). Obično povezivanje dva računara se izvodi ne samo jednim parom žica nego više-žilnim kablovima (koji su radi mehaničke zaštite oklopljeni plastikom ili su trakastog tipa (flat ribbon cable) (vidi sliku 3.43). Završni konektori Jedan par Ravna traka Slika 3.43 Bakarne žice kao prenosni medijum Osnovna prednost ovakvog medijuma za prenos predstavlja niska cena. Ipak kod ovog tipa linija zbog kapacitivne sprege izmedju žica dolazi do preslušavanja. Pored toga, ovaj način sprezanja (asimetričan prenos signala) podložan je uticaju različitih indukovanih smetnji koje su posledica elektromagnetnih zračenja snažnih izvora kakvi su elektromotori, veliki potrošači energije i dr. Sa ciljem da prenos podataka bude pouzdan, svi ovi faktori imaju presudni uticaj kako na dužinu linije, tako i na bitsku brzinu prenosa Upredene linije Bolja imunost na uticaj indukcije spoljnih smetnji se ostvaruje korišćenjem upredenih linija (twisted pair lines). Blizina signalne i referentne linije ima za posledicu da će se bilo koji interferentni signal indukovati sa istom amplitudom fazom i talasnim oblikom na obe žice pa se shodno tome njegov efvekat može redukovati ako se signal prihvata simetrično, tj. diferencijalno. Najčešće veći broj upredenih žica se smešta u jedan kabl (slika 3.44). 91

53 Jedan par Spoljašnja izolaciona oplata Višežilni kabal Slika 3.44 Upredeni kabl Upredene linije kod kraćih rastojanja (do 100 m) pogodne su za prenos signala bitskom brzinom reda 1 Mbps, a kod manjih brzina (reda kbps) i za veća rastojanja (reda km). Standardno na predajnoj strani za pobudu linije se koriste linijski drajveri a na prijemnoj linijski prijemnici. U cilju smanjenja uticaja interferentnih smetnji ovi kablovi se oklopljavaju širmom (slika 3.45). Zaštitni sloj (oklop) Spoljašnja izolaciona oplata Slika 3.45 Više-žilni širmovani kabl Koaksijalni kabl Glavni organičavajući faktori upredenih kablova su parazitne kapacitivnosti i fenomen poznat kao skin-efekat. Porastom bitske brzine (tj. frekvencije) predajnog signala, struja koja protiče kroz žice teži da se raspodeli po spoljnoj površini a time i smanji efektivni presek žice. Ovo dovodi do povećanja električne otpornosti na višim frekvencijama a time indirektno i do povećanja slabljenja. Pored toga, sa povećanjem frekvenicije povećava se efekat zračenja. Zbog ovih efekata kod bitskih brzina prenosa iznad 1 Mbps kao prenosni medijum uobičajeno se koristi koaksijalni kabl (slika 3.46). Spoljašnja izolaciona oplata Centralni provodnik Dialektrični izolacioni materijal Spoljašnji provodnik Slika 3.46 Koaksijalni kabl 92

54 Koaksijalni kablovi standardno se koriste za bitske brzine prenosa reda 10 Mbps i rastojanja reda nekoliko stotina metara Optička vlakna I pored toga što se preko koaksijalnih kablova mogu prenositi signali visokih frekvencija (koristeći razne tipove modulisanih signala kakve srećemo kod kablovske televizije), brzina prenosa digitalnih podataka kroz (bakarni) provodnik je ograničena. Optički kablovi razlikuju se od koaksijalnih i upredenih kablova po tome što prenose informaciju u obliku fluktuirajućeg snopa svetlosti kroz stakleno vlakno, a ne električnog signala kroz žice. Svetlosni talas ima znatno širi spektar od električnog pa, shodno tome, moguće je ostvariti brzine prenosa od nekoliko stotina Mbps. Optički kabl je takodje pogodan za prenos i pri manjim bitskim brzinama kod okruženja koja su podložna uticaju raznih smetnji kao što su industrijska postrojenja koja koriste visoko-naponsku opremu, razne energetske pretvarače i druge snažne izvore indukovanih smetnji. Dobra osobina optičkog prenosa je i ta što postoji galvanska izolacija izmedju predajnika i prijemnika. Galvanska izolacija dva medjusobno povezana uredjaja je od izuzetne važnosti kod instaliranja samo-sigurnosne opreme kakva se koristi kod nuklearnih elektrana, u rudnicima sa jamskom eksploatacijom uglja, kod industrijskih postrojenja koje proizvode zapaljive materija ili koriste zapaljive gasove, elektromedicini (merenje vitalnih parametara čoveka kao što su kardio- ili respiratorni parametri) i dr. Kod optičkog kabla za prenog svakog signala koristi se po jedna staklena nit (vlakno). Sa ciljem da se zaštiti od spoljneg uticaja svetla optičko vlakno se presvlači spoljnim zaštitnim omotačem. Struktura optičkog kabla prikazana je na slici 3.47a). Svetlosni signal generiše optički predajnik koji vrši konverziju električnih signala (energije) u svetlosnu. Na prijemnom kraju optički prijemnik obavlja inverznu funkciju. Obično da bi se obavila konverzija predajnik koristi LED (light emitting diode) ili lasersku diodu, a prijemnik fotodiodu ili foto-tranzistor. Optički zaštitni sloj Plastični zaštitni sloj Optičko vlakno Kabl sa jednim vlaknom Kabl sa većim brojem vlakana a) 93

55 Električni ulazni signal Električni Izlazni signal optički predajnik optički prijemnik i) Multimode stepped index ii) Multimode graded index iii) Monomode b) Slika 3.47 (a) Struktura optičkog kabla; (b) načini prenosa Kabl se sastoji od dva dela: optičko vlakno i optički omotač čiji je indeks prelamanja svetlosti manji. U zavisnosti od tipa i prečnika optičkog vlakna svetlost se, kako je prikazano na slici 3.47 b), može prostirati na tri načina. Kod multimode stepped index staklenih vlakana (fiber) optički omotač i stakleno vlakno imaju različit, ali uniformni indeks prelamanja. Sva svetlost koju emituje dioda pod uglom koji je manji od kritičnog reflektuje se od optičkog omotača i prostire duž vlakna višestruko se reflektujući. U zavisnosti od ugla pod kojim je emitovana od strane predajne diode, svetlosti je, za propagaciju kroz kabl, potrebno različito vreme. Zbog ovoga impuls na prijemnoj strani je širi od onog na predajnoj, a to ima za posledicu smanjenje bitske brzine. Ovaj tip kabla prvenstveno se koristi za srednje bitske brzine, a kao predajnik koristi relativno jeftinu LED. Disperzija se može smanjiti ako staklena nit ima promenljivi, a ne konstantni indeks prelamanja. Kao što se vidi sa slike 3.47 b) kod multimode graded index staklenih vlakana indeks prelamanja svetla se povećava kako se udaljavamo od centra fibera. Ovakav način prostiranja ima za posledicu suženje širine impulsa na prijemnoj strani u odnosu na stepped index fiber, a to obezbedjuje da se poveća maksimalna bitska brzina prenosa. Dalja poboljšanja se postižu smanjenjem dijametra staklenog vlakna do veličine talasne dužine svetlosti ( 3 10 µ m) čime su obezbedjeni uslovi da se svetlost prostire duž prenosnog puta bez disperzije. Kao rezultat, kod ovakvog načina prostiranja, imamo da je širina prijemnog impulsa ista kao i ona na predajnoj strani. Monomode fiber koristi laserske diode i može da prenosi signale čija je brzina reda nekoliko stotina Mbps. 94

56 3.21. Satelitski prenos Svi prethodno pomenuti prenosni medijumi koriste fizičke linije za prenos informacije. Alternativni način za prenos informacije je onaj koji se zasniva na korišćenju elektromagnetnih talasa kroz slobodni prostor (etar) kakvi su satelitski sistemi. Mikrotalasni snop, kod koga su podaci modulisani, predaje se ka satelitu od strane zemaljske stanice. Snop se prima i retransmituje ka unapred definisanom odredištu pomoću kola koje se naziva transponder. Kod jednog satelita postoji veći broj transpondera pri čemu svaki pokriva odredjeni frekventni opseg. Obično satelitski kanal ima veoma širok propusni opseg ( 500 MHz) što obezbedjuje prenos podataka veoma velikih brzina. Kanal, koristeći tehniku multipleksiranja, se obično deli na veći broj podkanala. Komunikacioni sateliti su obično geostacionarni, što znači da se satelit u sinhronizmu, isto kao i Zemlja, okreće oko ose Zemlje (tj. za 24 časova napravi jednu rotaciju), pa zbog toga njegova pozicija izgleda kao da je stacionarna u odnosu na Zemlju. Ugao rasipanja mikrotalsnog snopa koji se emituje od strane satelita može biti veliki tako da se signal prima na širem geografskom području, ili uzak (fino fokusiran) i prima na užem području. U drugom slučaju polje na prijemnoj strani je veće, a to dozvoljava da se koriste satelitske antene čiji je dijametar mali (VSAT - very small aperture terminal). Jedan tipičan satelitski sistem je prikazan na slici 3.48a). Druga tipična konfiguracija koja koristi centralnu zemaljsku stanicu koja komunicira sa većim brojem VSAT zemaljskih stanica distribuiranih na teritoriji jedne zemlje prikazana je na slici 3.48 b). 95

57 Satelit Antena Veza naviše (Up link) Veza Naniže (Down link) Zemaljska stanica Zemlja a) VSATs VSATs Glavna stanica b) Slika 3.48 Prenos preko satelita; (a) tačka-ka-tački; (b) više-tačkasti 96