Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Ενότητα 1η Βασικές έννοιες στις Τηλεπικοινωνίες Μάθηµα 2ο ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τοµέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήµατος Τµήµα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών

Περιεχόµενα Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος Αναλογικά Ψηφιακά Συστήµατα Η έννοια της Πληροφορίας Περιγραφή της Τηλεπικοινωνιακής κίνησης Μετατροπή Αναλογικού σήµατος σε Ψηφιακό Σχέση πληροφορίας Εύρους ζώνης-θορύβου Χαρακτηριστικά Τηλεπικοινωνιακού Καναλιού Στοιχεία µετάδοσης στα Τηλεπικοινωνιακά συστήµατα Τυποποίηση 2

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος Αναλογικά και Ψηφιακά συστήµατα Πλεονεκτήµατα Ψηφιακών συστηµάτων High fidelity Source independence. υνατότητα Κωδικοποίησης Αναγέννηση Σήµατος 3

Αναλογικά συστήµατα vs ψηφιακών 4

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος SINK CODING DE-COD CHANNEL CODING CHANNEL DE-COD TRANSMITTER Tx CHANNEL NOISE & INTERF. RECEIVER Rx 5

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 1 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD SINK - Φωνή ((Voice) - HiFi / TV - Data Quality Delay 6

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 2 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD SINK Η διαδικασία µετατροπής της εξόδου αναλογικής η ψηφιακής πηγής σε µια ακολουθία διακριτών συµβόλων αποτελεί: CODING 1. Electromagnetic representation (current) 2. Quantization/Digitalization 3. Compression (minimize redundancy) 7

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 3 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD Η εισαγωγή ελεγχόµενης redundancy στο σήµα για αντιστάθµιση του θορύβου και των παρεµβολών αποτελεί: CHANNEL CODING - repetition (no intelligence) - other coding (intelligence) Input k bits Output n bits: k/n code rate 8

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 4 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD Η διεπαφή που µετατρέπει τη digital bit stream σε κατάλληλη µορφή, ώστε να µπορεί να διαδοθεί στο κανάλι επικοινωνίας είναι : MODULATOR or TRANSMITTER 9

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 5 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD SINK Το µέσο µεταξύ Tx and Rx ονοµάζεται: κανάλι επικοινωνίας CHANNEL - Wireless - Telephone - Fiber cable Each of the channels has unique features with respect to signal distortion and noise. Thus each is treated separately and the modulation schemes differ! 10

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 6 CODING CHANNEL CODING Tx NOISE Rx CHANNEL DE-COD DE-COD SINK Όλες οι διαδικασίες που υποβαθµίζουν το σήµα πληροφορίας µε προσθετικό τρόπο αποτελούν το ΘΟΡΥΒΟ του καναλιού: NOISE - Thermal noise (Tx, cable, Rx) - Natural and man-made noise 11 - Interferences (usually from other man operated systems)

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 7 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD - έκτης: Επιτελεί την επεξεργασία του λαµβανόµενου (παραµορφωµένου) σήµατος 12

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 8 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD SINK - Ανάκτηση της αποσταλµένης πληροφορίας µε αποµάκρυνση του πλεονασµού που είχε εισαχθεί στον ποµπό 13

Το µοντέλο του Τηλεπικοινωνιακού συστήµατος 9 CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD DE-COD SINK - Αναπαραγωγή του αρχικού µηνύµατος πληροφορίας και απόδοση της στον προορισµό. 14

15 H έννοια της Πληροφορίας Πηγές Πληροφορίας: Αναλογικές ιακριτές ιακριτή Πηγή Πληροφορίας Σύνολο διακριτών συµβόλων Πληροφοριακό περιεχόµενο Ι ενός µηνύµατος m Η πηγή εκπέµπει i µηνύµατα µε πιθανότητα p i, i=1..q ρτητα ανεξ και ά m m m I m I m m I p m I p m I p p m I m I p j k j k j k k k k k j k j k q i i ), ( ) ( ) ( 1 0 0 ) ( 1 0 ) ( ) ( ) ( 1 1 + = < > = =

Μέτρο της Πληροφορίας Η συνάρτηση που ικανοποιεί τις προηγούµενες συνθήκες είναι: I ( m ) = log(1/ p k k Μονάδα µέτρησης της πληροφορίας: ) I m ) = I( m ) = log ( p ) = log ( p ) = log 2 1 ( 1 2 2 1 2 2 2 = bit 16

Μέση Πληροφορία Μέση πληροφορία Εντροπία Η Μήνυµα Ν συµβόλων περιέχει πληροφορία ανά σύµβολο Η: H = I ολικη Ν = 1 Ν q ι= 1 Np i log q = 2 (1/ pi ) pi log2(1/ pi ) bits / ι= 1 symbol Παρατήρηση: H max = log 2 q bits / symbol Ρυθµός µετάδοσης R b =r s H bits/sec [bps] 17

Περιγραφή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης Η πληροφορία στα σύγχρονα συστήµατα µετατρέπεται σε ΗΛΜ σήµα I. Ψηφιακά δεδοµένα σειρά από 0 και 1 [bits] Αν ένα ψηφιακό σήµα αναπαριστά n στάθµες τότε εµπεριέχει Πληροφορία Ι =log 2 (n) bits Ταχύτητα µετάδοσης πληροφορίας R b [b/s] ΙΙ. Αναλογικά δεδοµένα [εικόνα ήχος] Εύρος ζώνης Β: διάστηµα συχνοτήτων εντός του οποίου κατανέµεται η ισχύς του σήµατος 18

Χαρακτηριστικά ΗΛΜ σήµατος στο πεδίο του χρόνου Μήκος κύµατος Πλάτος Συχνότητα Φάση Ταχύτητα διάδοσης Ταχύτητα Οµάδας 19

Πεδίο συχνότητας 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 Ο διαµορφωτής πρέπει να εκµεταλλεύεται πλήρως διαθέσιµο εύρος ζώνης του καναλιού 20

Μετασxηµατισµός Fourier Αν σήµα s(t) στο πεδίο του χρόνου, οι φασµατικές του συνιστώσες S(f) λαµβάνονται από τη σχέση S( f ) = s( t) e dt j2πft Και vice versa: s( t) j2πft = S( f ) e df 21

Μετασχηµατισµός Fourier Ι Very s(t) FT S(f) smooth t f smooth s(t) 50Hz FT S(f) t 50Hz f s(t) 100Hz FT S(f) steeper (more changes per time!) 22 t 100Hz f

Μετασxηµατισµός Fourier ΙΙ smooth s(t) 50Hz FT S(f) t + 50Hz f s(t) 100Hz FT S(f) steeper t 100Hz f s(t) 50Hz + 100Hz FT S(f) even steeper t 50Hz 100Hz f 23

Μετασxηµατισµός Fourier ΙΙΙ s(t) FT S(f) t 50Hz f s(t) FT S(f) t 100Hz f 24

Μετασxηµατισµός Fourier ΙV T=20ms s(t) FT S(f) sinc(f) t 50Hz f s(t) FT S(f) T=10ms t 100Hz f 25

Μετασxηµατισµός Fourier V T=20ms s(t) FT S(f) sinc(f) t 50Hz f T=20ms s(t) IFT S(f) t 50Hz f 26

Μετασxηµατισµός Fourier VI Filter: T=20ms In Telecommunications each user is confined to a certain spectrum band. Thus, filters have to be applied to confine the infinite bandwidth of the rectangular pulse. s(t) FT S(f) filter t 50Hz f T=20ms s(t) IFT S(f) 27 t 50Hz f

Εύρος ζώνης και db P1 [ db] = 10log P 0 10 P P 1 0 28

Μετατροπή αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό Αν s ο αριθµός των δειγµάτων τότε Η διαδικασία ADC πρέπει να υπακούει στο νόµο: s > 2B Θεώρηµα Nyquist-Shannon µε Β το εύρος ζώνης του αναλογικού σήµατος Μετατροπείς ADC και DAC 29

Χαρακτηριστικά τηλεπικοινωνιακού καναλιού Εύρος Ζώνης [Hz] : Εξασθένιση [db/km] : ιασπορά [ps] : Καθυστέρηση διάδοσης [ps] Θόρυβος: Το Κανάλι επιτυγχάνεται τη φυσική σύνδεση ποµπού-δέκτη 30

Σχέση πληροφορίας εύρους ζώνης-θορύβου Ποια η max R b που µπορεί να µεταδώσει ένα κανάλι; Πρέπει: R b < C Όπου C, η χωρητικότητα του καναλιού C = Β log 2 (1+S/N) Νόµος Hartley-Shannon Προσθετικός Gaussian θόρυβος (N=nΒ) S lim C = 1. 44 B n Ανταλλαγή εύρους ζώνης - ισχύος 31

Παράδειγµα 32

Χωρητικότητα Ψηφιακών Συστηµάτων 33

O θόρυβος στα ψηφιακά συστήµατα BER στο BPSK απουσία θορύβου το σήµα παίρνει τιµές ±u b Θόρυβος Gaussian διακύµανση σ 2 Πιθανότητα σφάλµατος για εκποµπή 1 Πιθανότητα σφάλµατος για εκποµπή 0 Συνεπώς : Pe Στις περισσότερες περιπτώσεις BER = 10-6 Στα οπτικά συστήµατα ΒΕR < 10-12 34

Περιορισµοί στο ρυθµό µετάδοσης και τη χωρητικότητα Η µέθοδος διαµόρφωσης θέτει όρια στo R b inter-symbol interference (ISI). Ισχύει τελικά ο νόµος του Shannon? R b ορίζεται από τη σχεδίαση για δεδοµένο ΒΕR 35

Στοιχεία µετάδοσης στα Τηλεπικοινωνιακά συστήµατα Μορφές µετάδοσης: Σειριακή-Παράλληλη Συγχρονισµός: Ασύγχρονα - Σύγχρονα Συστήµατα Τρόποι επικοινωνίας: Simplex, Half/Full Duplex Τρόποι Σύνδεσης: point to point, Multipoint Ρυθµοί µετάδοσης Τύποι Μεταγωγής: Μεταγωγή κυκλώµατος, Μεταγωγή Πακέτου 36

Τρόποι Σύνδεσης 37

Τρόποι Σύνδεσης 38

Συγχρονισµός των ψηφιακών συστηµάτων Τα ψηφιακά συστήµατα απαιτούν έλεγχο χρονισµού (Αναγνώριση bit rate, αρχή και τέλος κάθε bit) Tα bits αποστέλλονται ως οµάδες ( blocks) Προσθήκη bits ελέγχου χρονισµού Ασύγχρονα συστήµατα Σύγχρονα συστήµατα 39

Ασύγχρονα Συστήµατα Αποστολή δεδοµένων υπό µορφή χαρακτήρων (8bits) Χρονικό διάστηµα διαχωρισµού Προσθήκη bits ελέγχου: start bit, parity bit, stop bit (idle) 40

Σύγχρονα συστήµατα Οι χαρακτήρες οµαδοποιούνται σε blocks Τα δεδοµένα συνοδεύονται από ένα σήµα χρονισµού (Clock) = τετραγωνική κυµατοµορφή µε συχνότητα ίση µε το ρυθµό µετάδοσης Ανεξάρτητα clocks για εκποµπή και λήψη υο χαρακτήρες συγχρονισµού για την αναγνώριση της αρχής και του τέλους του block 41

Ρυθµός µετάδοσης διαµορφωµένου σήµατος Ρυθµός µετάδοσης διαµορφωµένου σήµατος: 1/0.010= 100 bauds Ρυθµός µετάδοσης data : 1/0.010= 100 bps Ρυθµός µετάδοσης διαµορφωµένου σήµατος: 1/0.010= 100 bauds Ρυθµός µετάδοσης data : 1/0.0050= 200 bps 42

Τυποποιηµένοι ρυθµοί Μετάδοσης 43

Τρόποι Μεταγωγής circuit switched network (CSN): Φυσική σύνδεση τερµατικών µέσω ηλεκτρ. Κυκλώµατος packet switched network (PSN): Κατάτµηση της πληροφορίας σε πακέτα που διανέµονται στο δίκτυο και φτάνουν στον παραλήπτη ακολουθώντας διαφορετικές διαδροµές 44

Φορείς τυποποίησης ιεθνείς φορείς χορηγούν τις συστάσεις (standards) που αφορούν το υλικό (hardware) και τις διεπαφές(interfaces) των τηλεπικοινωνιακών δικτύων V- σειρά standards: σύνδεση τερµατικών στα PSTN δίκτυα D- σειρά standards: σύνδεση τερµατικών στα PSDN δίκτυα I- σειρά standards: σχετίζεται µε τις ISDN υπηρεσίες Στόχος η συµβατότητα µεταξύ των τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων ISO ITU-CCITT BSI ANSI IEEE 45