OSNOVNI PRINCIPI RAČUNARSKIH KOMUNIKACIJA

OSNOVNI PRINCIPI RAČUNARSKIH KOMUNIKACIJA

UVOD Uobičajeno se pod pojmom računarskih komunikacija podrazumijeva električni ili svjetlosni prenos poruka na daljinu, koje su na neki način povezane sa računarima. U savremena dostignuća u oblasti prenosa podataka spadaju: - razvoj ATM (Asynchronous Transfer Mode) tehnologije za komutaciju, kojom se omogućava prenos različitih poruka (govor, slika, podaci) jedinstvenom integrisanom mrežom; - Ekspanzija IP zasnovanih mreža, koje su danas potisnule primjenu ATM-a. - stalno povećavanje broja korisnika Interneta, koji je kroz njegove interkonekcije sa ostalim javnim mrežama postao informacioni autoput za prenos svih vrsta poruka.

KANAL Izvor poruke Predajnik + Prijemnik Korisnik Prenosni put Izvor šuma Generalni model telekomunikacionog sistema

Poruka Signal Signal Poruka Tekst Izvor poruke Prenosni put Predajnik Prijemnik Korisnik 1 2 3 4 5 6 Ulazna informacija m Ulazna poruka g(t) Emitovani signal s(t) Primljeni signal r(t) Izlazna poruka g'(t) Izlazn informacija m'

SIGNALI Generalno se može govoriti o dvije grupe signala koji se pojavljuju u komunikacionim sistemima: - determinističkim, čije su vrijednosti u vremenu opisane preciznim analitičkim izrazom; - slučajnim, za koje nije moguće definisati odgovarajući analitički izraz kojim bi se unaprijed opisao njihov vremenski tok.

f(t)=sint 1.8 f(t) 1.8.6.6.4.4.2.2 -.2 -.2 -.4 -.4 -.6 -.6 -.8 -.8-1 1 2 3 4 5 6 7 t -1 1 2 3 4 5 6 7 t Primjeri determinističkog i slučajnog signala

Harmonijska analiza determinističkih signala Deterministički signali: periodični aperiodični Periodični signali f(t)=f(t+t), - <t< + gdje konstanta T predstavlja periodu signala. Primjer f ( t) U sin(2p ft ) U sin( t ) veličina =2pf naziva se kružna učestanost.

f(t) U t -U T f(t) U a) T/2 t T b) Primjeri periodičnih signala: a) sinusni signal; b) povorka pravougaonih impulsa

a) b) a) trougaoni signal; b) složenoperiodični signal proizvoljnog talasnog oblika

f(t) U F(f) U t U/2 -U T -3f o -2f o -f o f o 2f o 3f o f.35 U F n.3 U f(t) U.25 U.2 U.15 U.1 U T/2 t.5 U -1f -8f -6f -4f -2f 2f 4f 6f 8f 1f f Dvostrani amplitudski spektri periodičnih signala

U F(f) U/2-3f o -2f o -f o f o 2f o 3f o f Jednostrani amplitudski spektar prostoperiodičnog signala

Razvoj periodične funkcije u Fourier-ov red: f n1 t F 2 F n t n cos n - Trigonometrijski oblik n n jn t f t F n e ( ) - Kompleksni oblik - Fourier-ovi koeficijenti se računaju prema izrazu: F n 1 T T / 2 f T / 2 ( t) e jn t dt F n F n e j n http://www.falstad.com/fourier/index.html

Aperiodični signali Aperiodični signal se ne može razviti u Fourier-ov red, pa se analiza aperiodičnog signala u domenu učestanosti obavlja pomoću Fourier-ovih integrala, čime se kompleksni spektar signala f(t) dobija pomoću direktne Fourier-ove transformacije: F( j ) f ( t) e jt pri čemu je (inverzna Fourier-ova transformacija): dt f ( t) 1 2p F( j) e j t d

f(t) U http://pages.jh.edu/~signals/fourier2/index.html F(j) U t a) f(t) U -4/ -3/ -2/ -1/ 1/ 2/ 3/ 4/ a) f F(j) U/2f 1 f 1 =1/t 1 t 1 t -f 1 f 1 t b) Primjeri amplitudskih spektara aperiodičnih signala; a)usamljeni pravougaoni impuls; b) Impuls tipa sinx/x b)

Osnovne karakteristike signala koji predstavljaju realne poruke f(t) 1.8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8-1 1 2 3 4 5 6 7 t Primjer analognog slučajnog signala

f(t) U 1 1 1 1 T 2T 3T 4T 5T 6T t Primjer digitalnog binarnog slučajnog signala

Od analognih signala koji predstavljaju realne poruke treba izdvojiti sledeće signale: - signal govora, - signal muzike, - televizijski signal (signal pokretne slike). Govorni signal u prosjeku ima značajni dio spektra u opsegu učestanosti od 3 do 34Hz, pa je Medjunarodna unija za telekomunikacije (ITU) propisala standardni kanal širine 3,1 khz za prenos ovakvog signala. Signal muzike zauzima opseg učestanosti od 5Hz do 15kHz, dok video signal zauzima opseg učestanosti od 1Hz do 5MHz.

Osnovni parametri koji karakterišu digitalni signal gdje je: V 2 f c V brzina signaliziranja (V=1/T) izražena u b/s, a fc granična učestanost idealnog sistema za prenos. Brzina V je poznata kao Nayquistova brzina signaliziranja. Primjer: Odrediti maksimalnu brzinu prenosa podataka linijom veze čija je širina propusnog opsega jednaka 1MHz.

Uticaj sistema za prenos na talasni oblik prenošenog signala Idealni sistem prenosa y(t)=ax(t-t ) gdje je A konstanta, a t konstantno vremensko kašnjenje. Funkcija prenosa H(j), kao odnos Fourier-ove transformacije izlaznog i ulaznog signala, idealnog sistema prenosa je : H jt j j Ae A e

H jt j j Ae A e Amplitudska i fazna karakteristika idealnog sistema za prenos

Slučaj 1 V V Slučaj 2 Slučaj 3 V V Amplitudna i fazna karakteristika idealnih sistema ograničenog opsega

Izobličenja pri prenosu signala Izobličenja pri prenosu signala mogu nastati zbog: 1. nepoklapanja propusnog opsega sistema za prenos i širine spektra prenošenog signala, 2. neidealnosti amplitudske i fazne karakteristike sistema za prenos i 3. kombinacije prethodna dva slučaja.

1.8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8-1.2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2T 1.8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8-1.2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2T http://www.falstad.com/fourier/index.html http://pages.jh.edu/~signals/fourier2/index.html Uticaj broja prenošenih harmonika na oblik signala

B i t i : 1 1 I m p u l s i k o j i s e p r e n o s e : P r o t o k : 2 b / s S i g n a l n a p r i j e m u O p s e g 5 H z O p s e g 9 H z O p s e g 1 3 H z O p s e g 1 7 H z O p s e g 2 5 H z O p s e g 4 H z Uticaj širine propusnog opsega sistema za prenos na oblik primljenog signala

Upareni odjeci na prijemu Poslati signal Korisni primljeni signal Izobličenja nastala uslijed neidealne amplitudske karakteristike sistema za prenos

Upareni odjeci na prijemu Poslati signal Korisni primljeni signal Izobličenja nastala uslijed neidealne fazne karakteristike sistema za prenos

Vrste prenosa U zavisnosti od međusobnog odnosa karakteristika prenosnog puta s jedne strane, i predajnika i prijemnika sa druge strane, prenos poruka, odnosno signala, može biti ostvaren u različitim formama. Postoje dva osnovna tipa prenosa poruka prenosnim medijumom komunikacionog sistema i to su: - analogni prenos i - digitalni prenos.

Kontinualna poruka Poruka signal Analogni signal MODULATOR Analogni signal Diskretna poruka Poruka signal Digitalni signal MODULATOR Analogni signal a) Kontinualna poruka Poruka signal Analogni signal KODER Digitalni signal Diskretna poruka Poruka signal Digitalni signal KODER Digitalni signal b) Mogućnosti prenosa kontinualnih i diskretnih poruka: a) analogni prenos; b) digitalni prenos

Glavni razlozi koji su doveli do sveprisutne digitalizacije prenosa se ukratko mogu sistematizovati na sledeći način. - Digitalna tehnologija. Pronalazak LSI (Large-Scale Integration) i VLSI (Very Large-Scale Integration) tehnologija je izazvao kontinuiran pad veličine i cijene digitalnih kola, što nije slučaj sa analognom opremom. - Integritet poruka. Upotrebom ripitera umjesto pojačavača, efekti šuma i ostalih smetnji nisu kumulativni. Upravo zato je digitalnim sistemima prenosa moguće prenositi poruke na veća rastojanja. - Efikasnije korišćenje kapaciteta. Ekonomično je graditi prenosne puteve velikog propusnog opsega, kao što su satelitski kanali i kablovi sa optičkim vlaknima. Takvi kapaciteti se potom efikasno iskorišćavaju multipleksiranjem, koje je lakše i jeftinije ako se radi digitalnim tehnikama. -Sigurnost i privatnost. Kriptografske tehnike se mogu direktno primjenjivati na diskretne poruke i kontinualne poruke koje su digitalizovane. - Integracija. Tretiranjem i kontinualnih i diskretnih poruka digitalno, svi signali imaju isti oblik i stvaraju se uslovi za integraciju govornih, video i računarskih poruka.

Simplex/Polu-duplex/Duplex prenos Prenos poruka (kontinualnih i diskretnih) može biti realizovan u jednom od sledeća tri oblika: - simplex (prenos u jednom smjeru), - polu-duplex (naizmjeničan prenos u dva smjera), - duplex (simultani prenos u oba smjera).

Stanica Link Stanica SIMPLEKS Stanica Link Stanica POLU DUPLEKS Stanica Link Stanica DUPLEKS Oblici prenosa poruka

Serijski/Paralelni prenos Serijski i paralelni prenos podataka

Sinhroni/asinhroni prenos Ilustracija asinhronog prenosa

Ilustracija sinhronog prenosa

Obrada signala Vrsta poruke Originalni signal Vrsta prenosa Postupak obrade Kontinualna Analogni Analogni Bez obrade (u osnovnom opsegu) Modulacija Digitalni Kodiranje (analogno/digitalna konverzija) Digitalna Digitalni Analogni Digitalni Modulacija Kodiranje u osnovnom opsegu

Modulacija DTE Modulator Demodulator DTE Prenošeni signal Modulisani signal (analogni) Rekonstruisani signal Blok šema sistema za analogni prenos digitalnih signala Primjeri analognog i digitalnog prenosa u računarskim komunikacijama

U -U Talasni oblik nosioca u okviru jedne periode u( t) U sin(2p ft )

Amplitudska modulacija - ASK Binarni modulišući signal 1 U Nosilac -U ASK signal U 1 U 2 -U 2 -U 1 Anvelopa modulisanog signala Obrada digitalnog signala postupkom amplitudske modulacije u( t) U U 1 2 cos(2pf cos(2pf t ) t ) binarna binarna 1

M odulišući signal fm AM modulator Amplitudski modulisani signal Nosilac f Signal Signal u osnovnom opsegu Donji bočni opseg Nosilac Gornji bočni opseg 3 34 f-34 f-3 f f+ 3 f + 34 Frekvencija U kupna širina opsega 68 Hz Spektar amplitudski modulisanog signala

Frekvencijska modulacija - FSK B i n a r n i m o d u l i š u ć i s i g n a l 1 FSK s i g n a l f 1 f 2 f 1 f 2 f 1 f 2 f 1 Postupak frekvencijske modulacije digitalnog signala u( t) U U cos(2pf 1t ) cos(2pf t ) 2 binarna binarna 1

Fazna modulacija - PSK B i n a r n i m o d u l i š u ć i s i g n a l 1 P S K s i g n a l F a z n i p o m j e r a j o d p Postupak fazne modulacije binarnog signala u( t) U U cos(2pf cos(2pf t ) 1 t ) 2 binarna binarna 1

Višenivoovske fazne modulacije Binarni modulišući signal Digiti 1 1 11 1 1 +315 +225 +135 +315 +45 QPSK signal Postupak kvadraturne fazne modulacije (QPSK) u( t) U U U U cos(2pf cos(2pf cos(2pf cos(2pf o t 45 o t 135 t 225 t 315 o ) ) ) ) za za za za kombinaciju kombinaciju kombinaciju kombinaciju 11 1 1

Q(t) 1 11 + p/4 P(t) 1 Vektorski dijagram QPSK signala

Kvadraturna amplitudsko-fazna modulacija (QAM) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 F a z a 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Fazorski dijagram 16QAM signala

Primjeri zadataka za kolokvijum Dat je binarni niz 111 (trajanje bita je 2ms), i sinusoidalni nosilac učestanosti 1kHz. a) Nacrtati talasni oblik amplitudski modulisanog signala, ako binarnoj jedinici odgovara naponski nivo od.5v, a binarnoj nuli 1V. Koliko iznosi perioda nosioca? b) Nacrtati talasni oblik fazno modulisanog signala. Dat je binarni niz 111 (trajanje bita je 1μs). Nacrtati talasni oblik frekvencijski modulisanog signala, ako binarnoj jedinici odgovara sinusoidalni nosilac učestanosti 1MHz, a binarnoj nuli odgovara sinusoidalni nosilac učestanosti 2MHz.