Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Ενότητα 5η Τεχνικές Μετάδοσης Μάθηµα 6ο 10o ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τοµέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήµατος 1 Τµήµα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Περιεχόµενα Χρόνος συχνότητα και εύρος ζώνης Αναλογική ιαµόρφωση Ψηφιακή διαµόρφωση ASK, FSK, PSK Τεχνικές Spread Spectrum Ψηφιακή αποδιαµόρφωση. DPSK, MSK Τεχνικές πολυπλεξίας Το πρότυπο SDH 2
Χρόνος, συχνότητα και εύρος ζώνης s(t)=asin(2πft+φ 0 ) Θεώρηµα Fourier: οποιοδήποτε σήµα s(t) αναπαριστάνεται σαν άθροισµα ηµιτονικών σηµάτων διαφορετικών συχνοτήτων και φάσεων Περιοδικά σήµατα: εύρος ζώνης ο, όχι µεταφορά πληροφορίας Μη Περιοδικά σήµατα: εύρος ζώνης πρακτικά πεπερασµένο, µεταφορά πληροφορίας The Signal Domain Ο διαµορφωτής πρέπει να εκµεταλλεύεται πλήρως διαθέσιµο εύρος ζώνης του καναλιού Modulation: is the process whereby information is imposed on a physical signal so that it will pass through a physical channel 3 Τύποι ιαµόρφωσης Ι Ανάλογα µε τη µορφή της πληροφορίας Αναλογική Ψηφιακή Ανάλογα µε τη φέρουσα Βασικής Ζώνης ιέλευσης ζώνης ιαµόρφωση φέρουσας Ηµιτονική φέρουσα Πλάτος Συχνότητα φάση 4
Τύποι ιαµόρφωσης ΙI Analog data to analog transmission simple (e.g. microphone, videocamera) Analog data to digital transmission First convert to digital data (codecs) Digital data to analog transmission Modems Digital data to digital transmission simple (e.g. serial port), PCM 5 Αναλογική διαµόρφωση AΜ, FΜ (I) B RF = 2B s 6
Αναλογική διαµόρφωση AΜ, FΜ (II) Ο θόρυβος έχει µεγαλύτερη επίδραση στο πλάτος του σήµατος παρά στη συχνότητα Είναι αρκετό να ανιχνευτούν τα zero crossings την ανακατασκευή του σήµατος ιευκρινιστές (FΜ ΑΜ),PLL Σταθερή περιβάλλουσα Αποτελεσµατική ενίσχυση Μειωµένες απαιτήσεις ισχύος Β RF =2( +1)Β s όπου =f /Β s 7 Ψηφιακή διαµόρφωση ASK, FSK, PSK (I) ASK s(t)=f(t)sin(2πft+φ 0 ) Β RF =R b ASK is the simplest scheme but is very rarely used, because of its relatively poor noise performance. 8
Ψηφιακή διαµόρφωση ASK, FSK, PSK (IΙ) FSK s(t)=f1(t)sin(2πf1t+φ 0 )+f2(t)sin(2πf2t+φ 0 ) wide-band FSK Narrow band FSK Β RF =2.5 R b ή Β RF = f 2 -f 1 +R b 9 Ψηφιακή διαµόρφωση ASK, FSK, PSK (III) PSK s(t)=sin[2πft+φ 0( f(t))] BPSK QPSK Είναι δυο ASK µε τιµές 1 και -1 Β RF = R b Είναι δυο BPSK Για δεδοµένο R b χρησιµοποιεί το µισό Β RF από το BPSK 10
Bit rate και Baud rate 11 Λήψη Αναλογικού σήµατος 12
Λήψη «ψηφιακού» σήµατος 13 Ψηφιακή αποδιαµόρφωση. DPSK Σύµφωνη φώραση: Επεξεργασία του σήµατος λήψης µε χρήση τοπικού σήµατος στο δέκτη µε την ίδια συχνότητα και φάση Ασύµφωνη φώραση: Επεξεργασία του σήµατος λήψης µε χρήση φίλτρων, χωρίς τοπικό σήµα. Οι σύγχρονοι δέκτες έχουν χειρότερες επιδόσεις (µεγάλυτερη Pe) Από τους σύµφωνους αλλά απλούστερη υλοποίηση DPSK d k-1 b k =d k 14
Υβριδικά συστήµατα ψηφιακής διαµόρφωσης QAM: PSK σε συνδυασµό µε διαµόρφωση πλάτους QPSK+AM (4 τιµές) 8PSK+AM (8 τιµές) R b =4bit/symbol R b =6 bit/symbol 2Β RF = R s και R b =4 (ή 6) R s R = Rs log 2 M = 2BRF log b 2 M FSK+PSK :minimumshift-keying (MSK), or fast- FSK (FFSK) QAM: Αποδικότερη χρήση εύρους ζώνης αλλά απαιτούν ψηλότερη τιµή S/N Rb = BRF log2 M log2(1 + S / N M-ary PSK, M-ary FSK, OKQPSK, MSK, GMSK 15 ) Gaussian MSK 16
PCM (DIGITAL DIGITAL) Επικοινωνία µεταξύ Η/Υ Μικρές αποστάσεις συµβατικά ενσύρµατα συστήµατα Οπτικά συστήµατα NRZ-M ( non return to zero mark). 1: no change in level from last pulse. 0: level changes from last pulse. NRZ-S (non return to zero space). This is the same as NRZ-M but with the logic levels reversed. 1: level changes from last pulse. 0: no change in level from last pulse. Bi-Phase-L (bi-phase level). The level always changes in the middle of the pulse. 1: level changes from high to low. 0: level changes from low to high. Bi-Phase-M. (bi-phase mark). The level always changes at the beginning of each pulse. 1: level changes in the middle of the pulse. 0: no level change in the middle of the pulse. Bi-Phase-S (bi-phase space). This is the same as Bi-Phase-L but with the logic levels reversed. 1: no level change in middle of pulse. 0: level changes in the middle of the pulse. DBi-Phase-M (differential bi-phase mark). The level always changes in the middle of the pulse. 1: no level change at beginning of the pulse. 0: level change at beginning of the pulse. DBi-Phase-S (differential bi-phase space). This is the same as DBi-phase-M but with the logic levels reversed. 1: level change at beginning of the pulse. 0: no level change at the beginning of the pulse. 17 Τεχνικές ευρέως φάσµατος -Spread spectrum Spread spectrum communications: Τεχνική µε την οποία το σήµα πληροφορίας διαµορφώνει µια ευρυζωνική ψευδοτυχαία ακολουθία σηµάτων (noise-like) παράγοντας σήµα µε πολύ µεγαλύτερo εύρος ζώνης CDMA is a multiple access technique based on spread spectrum technology where every user of a common communications channel has a distinct signal, or code, which occupies the entire frequency band 18
Τεχνικές ευρέως φάσµατος - Spread Spectrum SS (Ι) Spread spectrum signals have bandwidths much wider than that of the data they carry. This provides the signal with substantial immunity to noise and interference, and to fading and multipath. The signal is a sample function of white noise The use of different basis signals allows many users to exist simultaneously in the same band (CDMA) Be assigning a different noise signal to each user many of them may use the same band at the same time. Each acts as interference to the others, like the other noise and interference in the band. 19 Τεχνικές ευρέως φάσµατος ΙΙ The transmitter sends information modulated on a distinctive carrier signal. The receiver continuously compares all received signals against the distinctive signal. The receiver responds to the distinctive signal, and no others. 20
Η Βασική ιδέα του SS At the transmitter, the data signal is spread by multiplying it with a noise-like signal, called the spreading signal. multiplication in time is convolution in frequency hence narrow information signal becomes wideband transmitted signal At the receiver, the incoming signal is correlated with a synchronized copy of the spreading sequence. The autocorrelation function of the spreading signal is an impulse (ideally). The desired data signal is extracted, all others are treated as noise. Η υλοποίηση των τεχνικών SS γίνεται µε δυο τρόπους: Direct Sequence Frequency hopping 21 Direct Sequence SS Το σήµα πολλαπλασιάζεται µε µια παλµοσειρά PN (Pseudo random Noise code 2 n -1) 22
Data και φάσµα του SS σήµατος 23 Ποµπός και δέκτης DS -SS 24
Frequency Hopping SS Η συχνότητα του φέροντος µεταβάλλεται (Hopping) «τυχαία» σύµφωνα µε γνωστή ακολουθία 25 Ποµπός και δέκτης FH -SS 26
Χρησιµότητα Τα σήµατα SS µπορούν να υπερτεθούν σε υπάρχουσες υπηρεσίες Η χρήση του PN κώδικα επιτρέπει την αυτόµατη ταυτοτητοποίηση του χρήστη Ο ρυθµός µετάδοσης µπορεί να είναι διαφορετικός ανά χρήστη 27 Κριτήρια επιλογής µεθόδου διαµόρφωσης Υψηλή φασµατική απόδοση Υψηλή απόδοση ισχύος Αξιπιστία στα multipath effects Χαµηλό κόστος και ευκολία υλοποίησης Χαµηλές παρεµβολές σε γειτονικά κανάλια Low out-of-band radiation Constant or near constant envelope Constant: only phase is modulated Non-constant: phase and amplitude modulated 28
Σύγκριση συστηµάτων ψηφιακής διαµόρφωσης I 29 Σύγκριση συστηµάτων ψηφιακής διαµόρφωσης II απόδοση ισχύος φασµατική απόδοση 30
Εφαρµογές συστηµάτων ψηφιακής διαµόρφωσης 31 ιαµόρφωση µε πολλαπλές φέρουσες- OFDM Αύξηση ψηφικών multimedia εφαρµογών Αύξηση ζήτησης ευρυζωνικών συστηµάτων Απαίτηση για φτηνές αξιόπιστες λύσεις Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a method that allows to transmit high data rates over extremely hostile channels at a comparable low complexity. OFDM has been chosen as the transmission method for the European radio (DAB) and TV (DVB-T) standard. Due to its numerous advantages it is under Discussion for future broadband application such as wireless ATM as well 32
Το πρόβληµα: multipath channel Channel Impulse Response Cir τ max ISI τ max /T = τ max R b 33 Προσέγγιση µε ένα φέρον The scenario we are dealing with in DVB-T is characterized by the following conditions: Transmission Rate: Maximum channel delay: For the single carrier system this results in an ISI of: The complexity involved in removing this interference in the receiver is tremendous. In the scenario under consideration here, using such an approach will only lead to sub-optimal results. 34
Προσέγγιση µε πολλαπλές φέρουσες The original data stream of rate R is multiplexed into N parallel data streams of rate: the ISI for each sub system reduces to: DMT (xdsl systems 256 channel down 32 channels up BWc=4kHz) ΤΕΧΝΙΚΗ SPREAD SPECTRUM a slight modification of the above approach leads us to the concept of OFDM 35 OFDM - Orthogonal FDM I ηµιουργία k=bw/ f υποκαναλιών Φέρουσα του k-στού καναλιού x k (t)=sin(2πf k t) µε f k η κεντρική συχνότητα του k-στού καναλιού Αν επιλέξουµε R b = f τότε: x k ορθογώνιες T 0 sin(2πf t + φ )sin(2πf t + φ ) dt = 0 k Σύµβολα των υποκαναλιών xqam - Συγχρονισµός k O διαµορφωτής και ο αποδιαµορφωτής ενός OFDM συστήµατος υλοποιούνται µε χρήση ηλεκτρονικών φίλτρων που πραγµατοποιούν FFT j j 36
OFDM - Orthogonal FDM II Φάσµα σήµατος OFDM Χρήσεις OFDM +QAM xdsl (DMT) DAB DVB Κινητή τηλεφωνία (2.5 G) wireless local area networks (LAN) in IEEE 802.11/HIPERLAN and wireless metropolitan area networks (MAN) in IEEE 802.16/HIPERMAN.RMAN. Απαιτείται πλήρης συγχρονισµός Ποµπού - έκτη 37 Τεχνικές πολυπλεξίας Εύρος ζώνης = $ Ανάγκη αναβάθµισης υπαρχόντων ζεύξεων Πολυπλεξία στο: Χώρο (SDM) Χρόνο (TDM) Συχνότητα (FDM) Code Division Multiplexing (CDM) 38
Πολυπλεξία FDM 39 Εφαρµογές FDM 40
FDM πολυπλεξία τηλ. Καναλιών φωνής 41 Πολυπλεξία TDM 42
Εφαρµογές TDM 43 Aσύγχρονα δίκτυα -PDH Τα πρώτα ψηφιακά δίκτυα (1970): Κάθε µεταδιδόµενο σήµα έχει το δικό του σήµα χρονισµού προσανατολισµένα στη µετάδοση και πολυπλεξία ψηφιοποιηµένης φωνής (64 kbps) Στηρίζονται στο πρότυπο PDH (Plesiochronous digital Hierarchy). Υψηλότεροι ρυθµοί µετάδοσης προκύπτουν ως πολλαπλάσια του βασικού ρυθµού DS0 = 64 kbps [US: DS1=1.544 Mbps, DS2= 6.312 Mbps DS3= 45 Mbps, EU: E1=2.048 kbps, E2= 8.448 kbps ] Οι οπτικές ίνες αρχίζουν να εντάσσονται στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα στις αρχές της δεκαετίας του 1980 44
Οπτικό σύστηµα 565 Mbps το PDH εµφανίζει προβλήµατα στην πολυπλεξία, διαχείριση διαλειτουργικότητα µεγάλους χρόνους αποκατάστασης (sec-min) ανάγκη ενιαίας µορφής για το οπτικό πλέον σήµα µετάδοσης και τυποποίηση των ρυθµών µετάδοσης (στο φυσικό επίπεδο), των σχηµάτων κωδικοποίησης και πολυπλεξίας και των λειτουργιών συντήρησης, αποκατάστασης και διαχείρισης 45 Σύγχρονα δίκτυα SONET/SDH Ανάπτυξη του προτύπου (πρωτοκόλου) SONET (US) και του πανοµοιότυπου SDH (EU). Όλα τα µεταδιδόµενα σήµατα στο δίκτυο συγχρονίζονται σύµφωνα µε ένα Master clock Απλοί MUX/DEMUX Οι ρυθµοί µετάδοσης είναι ακέραια πολλαπλάσια του βασικού ρυθµού ΟC1=51.84 Mbps ή του STM1=155.5Mbps (EU) εν υπάρχει ανώτατο όριο στο ρυθµό σηµατοδοσίας Εύκολη διαχείριση, αποκατάσταση δικτύου (<60ms) Καθορισµός των τύπων των δοµικών στοιχείων του δικτύου των αρχιτεκτονικών των λειτουργιών που εκτελεί κάθε κόµβος Οπτικά δίκτυα 1ης γενιάς 46
ίκτυο κορµού SDH 47 Ρυθµοί Μετάδοσης SONET/SDH rates: - OC1 51.84 Mb/s (STS1) OC-3, STM-1: 155.52 Mb/s OC-12, STM-4: 622.08 Mb/s OC-48, STM-16: 2488.32 Mb/s OC-192, STM-64: 9953.28 Mb/s Datacom rates (LAN): FDDI: 125 (100) Mb/s Fibre Channel: 266-1063 Mb/s Ethernet: 10 or 100 Mb/s G-Ethernet: 1250 Mb/s PDH: North America: DS1: 1.544 Mb/s DS2: 6.312 Mb/s - DS3: 44.736 Mb/s DS4: 139.264 Mb/s Europe: E1 2.048 Mb/s E2: 8.448 Mb/s E3: 34.368 Mb/s E4: 139.264 Mb/s 48
SONET/SDH Φυσικό Επίπεδο 49 SDH:STM1 format µετάδοσης STM1 frame R b =9x270x64kb/s=155Mb/s 270 bytes Section Overhead:ανίχνευση σφαλµάτων,διαχείριση δικτύου, µεταγωγή µεταξύ οπτικών ινών 9 bytes SOH POH data Path Overhead: Έλεγχος ποιότητας ζεύξης και τύπος του data payload Εκποµπή γραµµή προς γραµµή από αριστερά προς τα δεξιά δια µέσου της οπτικής ίνας 9 bytes 1 byte STM4 frame: 9x1080 (=4x270) bytes 50
Code Division Multiplexing 51 Εφαρµογές CDMΑ Τhe capacity improvement may be more than 20 times that of the existing narrowband cellular standards 52
Οι τάσεις στη βιοµηχανία των τηλεπικοινωνιών 53 Σύνοψη των µεθόδων µετάδοσης 54