background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

1

Cable properties

Transmission of   analogue signal

Analog digital  conversion 

Characteristics of  digital data flow 

Signal transmission of digital data

Rozdzial V  Podstawy transmisji danych analogowych i cyfrowych
Chapter  V  Analog and digital data transmission principles

background image

Receiver

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications, Chapitre 3  Transmission dans la bande de base 

Wlasnosci kabli transmisyjnych Cable proprieties 

- Twisted pair

- Coaxial cable

2

]

/

1

[

/

1

km

L

e

r

ou

e

P

P

km

(dB/km)  coefficient 

(absorption) of  cable or  , 

….

cable

L

Input power 

P

e

R

c

R

c

v

s

R

g

U

e

R

g

output source resistivity 

source

R

e

Emitter

Received power  

P

R

U

e

R

c

= characteristic resistivity 

attenuation

L    Lenght
Bandwidth  B

cable

Parameters of cable

R

e

input receiver resistivity

Power balance

c

g

e

c

g

e

R

R

R

R

r

,

,

Reflection coefficient at 
the and of cable

Matching condition!

c

g

c

e

R

R

R

R

background image

Receiver

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications, Chapitre 3  Transmission dans la bande de base 

If cable is not matched

3

câble

L

Input power  

P

e

R

c

R

c

R

g

U

e

R

g

output source resistance

R

e

Emitter

Received power  

P

R

U

R

R

e

input receiver resistivity

c

g

e

c

g

e

R

R

R

R

r

,

,

output

at

matched

r

R

R

input

at

matched

r

R

R

if

c

e

c

g

0

0

sortie

la

à

adaptation

d

pas

r

R

R

entrée

l

à

adaptation

d

pas

r

R

R

Si

s

c

e

e

c

g

'

0

'

'

0

U

e

U

R

If  Re>0  , Rs>0

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications, Chapitre 3  

Transmission dans la bande de base 

4

bandwidth  B 

cable

, Cable!:  properties 

(dB/km) attenuation coefficient 

,  L B 

cable

,

L

f

f

c=

B

canal

L

f

B

f

c

canal

c

1

Cable bandwidth  decrease with:

Attenuation (quality of  cable)

Length L  of  cable 

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications, Chap.I, 

Introduction et rappels 

5

SNR





eff

eff

dB

dB

eff

eff

n

U

Log

N

S

Log

SNR

N

S

Log

SNR

R

n

R

U

N

S

SNR

10

10

10

2

2

20

20

10

/

/

Quality os transmission system is expressed by signal to noise ratio

N

S

P

P

SNR

bruit

signal

SNR : Signal to Noise Ratio

Example : Noisy Sinusoïdal signal.

- 2 0

- 1 5

- 1 0

- 5

0

5

1 0

1 5

2 0

s

i g n a l   o r i g i n a l

s

i g n a l   f i l t r é

SNR=2

SNR=0.25

SNR=20

SNR=

s(t)=U(t)

background image

Received 

: Even in noise is present  the receiver is able to resolve the emitted signal Quality of  transmission 

is measured by error probability   P

err

which is a function os SNR .

Signal   Analogue/ Digital signal transmission

Analog

: Because of noise the receiver can not   resolve  the emitted signal . Quality of  transmission is measured 

by signal to noise ratio SNR.

Emitted signal

Signal received

+

n(t)

s(t)

r(t)

1

0

receiver

a

2

a

1

seuil

decision

Compaparato

r

threshold

0

1

EC-Pekin  B.Piwakowski : Chap 11 , Numérisation et codage des signaux

6

background image

Analog signal 

source

Cable

Transmission by cable of analog signal

Récepteur

Emitterr

Signal 
received

Signal emis s

B

signal

N

,  L 

cable

,

P

e

P

r

SNR

L

min

SNR

SNR

B

B

B

B

signal

recepteurl

signal

canal

Conditions  of correct operation

B

recepteur

Signal emis

7

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications, Chapitre 3  

Transmission dans la bande de base 

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

8

Digital signal transmission

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

9

Analog-Digital Conversion  (ADC) Sampling

T

e

t

s

e

(t)

s(t)

t

s(t)

t

s

e

(t)

t=0 => perfect samplig

T

s

=sampling period

f

s

=sampling frequency

F

s

=1/T

s

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

10

s

e

(t)=p(t).s(t)

S

e

(f)

f

F

s

F

s2

-F

s/2

Frequency domain

Time domain

S(f)

f

F

max

- F

max

s(t)

t

t

s

e

(t)

ADC Sampling

B

g

alia

not

if

F

F

s

sin

2

max



Shannon principle

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

11

ADC

Quanatification et binary conversion

bits

in

resolution

conversion

bits

of

number

k

n

b

b

b

b

S

value

k

k

i

1

2

2

2

2

)

(

2

2

1

1

0

0

Exemple

n=8,  m= 256, D=48 dB, 

If  Value (S

i

)=5

Binary word:
S

i

<=> 1+4 =>1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0

Binary signal

)

(

6

2

log

20

log

20

2

dB

n

n

m

D

CAD

of

Dynamics

m

dB

n

tension

t

s

s

1

s

2

s

3

s

n

q

V

q

V

V

m

pp

min

max

q quantification step

V

max

V

min

=number of voltage intervals

Binary coding

full scale voltage range

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

12

Quantification noise  

• quantification noise  :

12

2

2

q

)

(

)

(

)

(

t

x

t

x

t

q

x(t)

x

q

(t)

t

t

Quantification noise power: 

Quantification step n



pp

eff

dB

q

V

s

n

SNR

log

20

8

.

10

6

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

13

For  n et V

pp

given : 

s

1eff

> s

2eff

.

SNR

1

> SNR

2

.

t

V

max

V

min

SNR

1

t

SNR

2



pp

eff

dB

q

V

s

n

SNR

log

20

8

.

10

6

V

pp

Quantization noise  

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

14

- Le Débit Binaire D : 

s

bits

bitrate

rate

bit

nF

T

n

T

D

n

T

T

bit

one

for

required

time

T

s

s

b

b

b

/

)

(

1

/

10 00

11

00 00

01

T

b

1 s

Samples m=4 : 

Bauds

T

R

s

1

Number of 

samples/second.

Ts = sampling period

Ex:   Ts=0.25s,  R = 4 (Bauds)

Ts

10 00 11

00 00 10

1 s

m=2

n      

=> n=log

2

m

n =  bit number

(here n=2)

= (ici m=4). Number of quantifocatio levels

3

2

1

0

Ex: n=2 ; m=4; T=0.25s;  T

b

=0.125 s; 

fs=4Hz   D = 8 bit/s

Characteristics of  digital data flow 

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

15

Coding

1     0      0     0      0      0     0     1     0      1     0      0      0     0      1

Densité spectrale de puissance

0

1/T

b

2/T

b

3/T

b

f

D

D

2

D

3

4/T

b

D

4

B

signal

Clock

T

h=

T

b   

=> f

h

= D

NRZ code  :

0  => 0
1 => 1

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

16

1

Manchester ( Biphase) code  :

0  => 01 
1 => 10

1     0      0     0      0      0     0     1     0      1     0      0      0     0      1

Power spectrum

0

1/T

b

2/T

b

f

D

D

2

3/T

b

D

3

4/T

b

D

4

-:

- B=2D  =      .

B

signal

Coding

background image

AGH  B.Piwakowski Analog Electronics Chapter V  Data trasmission 

principles 

17

Attenuation,: signal level drop :

• Low pass filterin,, fc increases with a length

Low pass

filtering

Band=B

canal

Distortion of numeric data :

•Multiple refections; no match effect:

• Noise:

17

Received signal s(t) 

• All factors together

background image

AGH  B.Piwakowski Analog Electronics Chapter V  Data trasmission 

principles 

18

:

Source
format code NRZ 
D

B

signal

= D

Bandwidth of câble 

signal

canal

B

B

Adapted Receiver

Recived power Pr 

Conditions of 
succesful transmission:

Adapted Amplifier
Output resistivity Rs=Rc
Outpu power  Pe

Cable

Rc =caracteristic resisitivity
 atténuation
bandwidth

B

canal

]

/

1

[

]

/

[

]

/

1

[

3

.

4

/

1

km

km

dB

km

L

r

e

r

ou

e

P

P

km

L km

Exepmle : Direct asynchrone transmission of digital data  :

L

B

L

f

f

B

canal

c

c

canal

1

1

For given D, L is limited

Amplitude condition

min

R

R

P

1

0

1

0

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications, Chapitre 3  

Transmission dans la bande de base 

Cable transmission :

Source 

Power amplifier

s

E

(t)

s

R

(t)

N

,  L,

P

e

P

r

SNR

]

/

1

[

/

1

km

L

r

e

r

ou

e

P

P

km

Receiver

19

R

P

A

P

P

R

P

P

A

A

P

P

km

dB

dBm

E

dBm

E

dBm

R

km

dB

dBm

R

dBm

E

dBm

E

dBm

R

/

)

(

)

(

)

(

/

)

(

)

(

)

(

)

(

dBm

dBm

r

r

r

dB

dBm

N

P

mW

N

mW

P

N

P

SNR

mW

N

N

W

bruit

du

puissance

N

)

1

/

1

/

log(

10

)

log(

10

)

1

/

log(

10

)

(

dB

dBm

dBm

R

R

R

SNR

N

P

SNR

N

P

N

P

SNR

SNR

SNR

min_

)

(

)

min(

_

min

min

_

min

_

min

min

)

(

N

P

R

SNR

min

R(km)

maximal communication ragne

A

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications, Chapitre 3  Transmission dans la bande 

de base 

20

Asynchrony transmission :without clock signal

Exemple: Transmission aRS 232

D<115000 bit/s
R≈D/11 bauds

Synchronization is  performed for 
each symbol

8 bits

Stop/start

Stop/start

"0"  level => +3V à +12V   => min 3V 
« 1 » level => -3V à -12V  => max =-3V

0

Version with parity bit

D

B

signal

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications, Chapitre 3  Transmission dans la bande 

de base 

21

Coding ASCII 

table ascii ( 0 - 127 )

Décimal   Octal   Hex Binaire   Caractère
------- ----- --- --------

------

000      000    00   00000000      NUL    (Null char.)
001      001    01   00000001      SOH    (Start of Header)
002      002    02   00000010      STX    (Start of Text)
003      003    03   00000011      ETX    (End of Text)
004      004    04   00000100      EOT    (End of Transmission)
005      005    05   00000101      ENQ    (Enquiry)
006      006    06   00000110      ACK    (Acknowledgment)
007      007    07   00000111      BEL    (Bell)
008      010    08   00001000       BS    (Backspace)
009      011    09   00001001       HT    (Horizontal Tab)
010      012    0A   00001010       LF    (Line Feed)
011      013    0B   00001011       VT    (Vertical Tab)
012      014    0C   00001100       FF    (Form Feed)
013      015    0D   00001101       CR    (Carriage Return)
014      016    0E   00001110       SO    (Shift Out)
015      017    0F   00001111       SI    (Shift In)
016      020    10   00010000      DLE    (Data Link Escape)
017      021    11   00010001      DC1    (XON)(Device Control 1)
018      022    12   00010010      DC2    (Device Control 2)
019      023    13   00010011      DC3    (XOFF)(Device Control 3)
020      024    14   00010100      DC4    (Device Control 4)
021      025    15   00010101      NAK    (Negative Acknowledgement)
022      026    16   00010110      SYN    (Synchronous Idle)
023      027    17   00010111      ETB    (End of Trans. Block)
024      030    18   00011000      CAN    (Cancel)
025      031    19   00011001       EM    (End of Medium)
026      032    1A   00011010      SUB    (Substitute)
027      033    1B   00011011      ESC    (Escape)
028      034    1C   00011100       FS    (File Separator)
029      035    1D   00011101       GS    (Group Separator)
030      036    1E   00011110       RS    (Request to Send)(Record Separator)
031      037    1F   00011111       US    (Unit Separator)
032      040    20   00100000       SP    (Space)
033      041    21   00100001        !    (exclamation mark)
034      042    22   00100010        "    (double quote)
035      043    23   00100011        #    (number sign)
036      044    24   00100100        $    (dollar sign)
037      045    25   00100101        %    (percent)
038      046    26   00100110        &    (ampersand)
039      047    27   00100111        '    (single quote)
040      050    28   00101000        (    (left opening parenthesis)
041      051    29   00101001        )    (right closing parenthesis)
042      052    2A   00101010        *    (asterisk)
043      053    2B   00101011        +    (plus)
044      054    2C   00101100        ,    (comma)
045      055    2D   00101101        -

(minus or dash)

046      056    2E   00101110        .    (dot)
047      057    2F   00101111        /    (forward slash)
048      060    30   00110000        0
049      061    31   00110001        1

050      062    32   00110010        2

051      063    33   00110011        3
052      064    34   00110100        4
053      065    35   00110101        5
054      066    36   00110110        6
055      067    37   00110111        7
056      070    38   00111000        8
057      071    39   00111001        9
058      072    3A   00111010        :    (colon)
059      073    3B   00111011        ;    (semi-colon)
060      074    3C   00111100        <    (less than sign)
061      075    3D   00111101        =    (equal sign)
062      076    3E   00111110        >    (greater than sign)
063      077    3F   00111111        ?    (question mark)
064      100    40   01000000        @    (AT symbol)
065      101    41   01000001        A
066      102    42   01000010        B
067      103    43   01000011        C
068      104    44   01000100        D
069      105    45   01000101        E
070      106    46   01000110        F
071      107    47   01000111        G
072      110    48   01001000        H
073      111    49   01001001        I
074      112    4A   01001010        J
075      113    4B   01001011        K
076      114    4C   01001100        L
077      115    4D   01001101        M
078      116    4E   01001110        N
079      117    4F   01001111        O
080      120    50   01010000        P
081      121    51   01010001        Q
082      122    52   01010010        R
083      123    53   01010011        S
084      124    54   01010100        T
085      125    55   01010101        U
086      126    56   01010110        V
087      127    57   01010111        W
088      130    58   01011000        X
089      131    59   01011001        Y
090      132    5A   01011010        Z
091      133    5B   01011011        [    (left opening bracket)
092      134    5C   01011100        \

(back slash)

093      135    5D   01011101        ]    (right closing bracket)
094      136    5E   01011110        ^    (caret cirumflex)
095      137    5F   01011111        _    (underscore)
096      140    60   01100000        `
097      141    61   01100001        a
098      142    62   01100010        b
099      143    63   01100011        c
100      144    64   01100100        d

n=8 bit 
m=2

8

=256 symbols

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications, Chapitre 3  Transmission dans la bande 

de base 

22

Asynchronytransmission RS232 

Exemple: Transmission asynchrone  RS 232

• RS 232  series connection  ,  since  1981  , 
• Called « series port ». 
• At   Windows, RS-232 are designed  as COM1, 

COM2, etc. 

• « ports COM », are used presently but replaced by 

ports USB

• RS 232 is commonly used to connect different devices 

to PC (GPS, modems, sensors, etc.) 

• Few PCs  are equipped with this port
• If  RS 232 is absent , it can be substituted by an 

adapter USB/port serie..

maximum length de câble RS2323

Bit rate (bit/s) ) D

Length (m) L

2 400

60

4 800

30

9 600

15

19 200

7,6

38 400

3,7

57 000

2,6

simplex / duplex

D

B

B

signal

canal

L

B

canal

1

background image

Uwaga:  Kazdy kabel jest antena

Each cabled acts like antena

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

23

Para skrecona Twisted pair    

Kabel nieekranowany Non shielded cable
Tani, low cost
Ale But:

Silnie promieniuje ≈ L/l  , 

wrazliwy na odbior pola elektomagnetycznego ≈ L/l  Sensitive to receive electrompagnetic field ≈ L/l 

Rozwiazanie dla polaczen polacznie symetryczne Solution for connectionsSymmetric connection

1

1

2

1

2

1

2

s

R

R

2

)

v

v

R

R

v

v

v

s

v

2

+

-

-V

cc

V

cc

R

1

R

2

v

1

R

3

R

4

V1+N

-V1+N

+

-

background image

Uwaga:  Kazdy kabel jest antena

Each cabled acts like an antenna

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

24

Para skrecona Twisted pair    

Kabel concentryczny Coaxial cable
Kabel ekranowany Shielded cable
Drozszy,  higher price
Uzywany w polaczeniach asymetrycznych (sygnal + masa
Used in assymetric connections  (signal + ground

1

1

2

s

2

R

R

v

0

v

v

v

s

v

2

+

-

-V

cc

V

cc

R

1

R

2

v

1

R

3

R

4

V1

+

-

background image

Synchrone transmission  of digital data: clock signal recovery and  use 

Source

Signal numérique

câble

Récepteur

Emetteur

Codeur

decodeur

Received signal

SNR

,  L B 

cable

,

L

0

1

25

Source

Code, format
Débit : D,R

B

signal

=D ou 2D

Receiver

B

recepteur=

B

canal

SNR

•Théorème de Nyquist :

1. Canal  Bandwidth

canal synchrone  avec récepteur optimal

:

2

/

signal

canal

B

B

If code NRZ , n=1, m=2 => SNR

min

=4.7 dB

N

S

m

 1

Two conditions for correct operation :

2.  Sur le rapport S/N 

cable

receiver

B

B

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications, Chapitre 3  

Transmission dans la bande de base 

clock

Cable quality

Power Balance

background image

AGH  B.Piwakowski Analog Electronics Chapter V  Data trasmission principles 

26

Synchrone reception

Receiver :

Gain

Filtering

Matched filter

Decodeur

format

Signal 

received

Data

Clock

Recovery

Seuils

Clock

1    0

1

1           1

1            1           1

0

0          0

Clock

Threshold

P

e

=f(S/N

)

•Probability of error P

e

Detected signal

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications, Chapitre 3  

Transmission dans la bande de base 

27

Synchronic reception  

Clock Signal  Recovery

Transmission synchronic
(two signals are required)

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications, 

Chapitre 3  Transmission dans la bande de base 

28

Synchronic transmission: error probability Perr

N

S

z

z

Q

Perr

2

)

(

)

2

/

(

5

.

0

)

(

z

erfc

z

Q

1

2

3

4

5

6

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

 Pe=Q(z)

z

N

S

z

2

background image

Goal:
To move the signal bandwidth b

towards

another bandwidth B assigned by carrier

frequency f

c

Transmission with modulation 

f

Signal BF

MHz
GHz

kHz

Signal HF

Badwidth
e

B

B/f

c

<<1

Original bandwidth

b

f

Exemple: organisation TV programs in cable

BF

MHz
GHz

f

c1

f

c2

f

c3

ITEEM IE3 B.Piwakowski : 

Télécommunications Chap 5, 

modulations linéaires  

29

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications Chap 5, modulations linéaires  

30

modulations pourquoi ?:

Goal 2 : Enable radio transmission: :
Increase signal frequency

=> Dicrease the signal

wavelength => enable

antennes use .

Example : signal audio f

m

10 kHz.

f

c

l

Antenna shouild have a length ≈ l/4 !  But !

km

m

Hz

s

m

5

.

7

7500

10

.

10

/

10

.

3

4

1

4

3

8

l

7500 

m

If wavelength decreases the size 
of antenna decreases

7500 

m

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications Chap 5, modulations linéaires  

31

Source

Modulation

Récepteur

receiver

Signaux  numériques
signaux analogiques 

Emitter

Démodulation

Transmission using modulation modulation

s

E

(t)

s

R

(t)

atmosphère, eau

Câbles 

fibre optique)

Milieu de  Propagation

= canal de transmission 

SNR

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

32

Antennas examples

2

,

,

4

;

2

l

l

a

r

e

r

e

S

D

L

D

R

c

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

33

Cables

Câbles :

Twisted pair

Coaxial

Fiber Optics :

Twisted wire coaxial cable

Fiber optics

Frequency

background image

AGH  B.Piwakowski Analog 

Electronics Chapter V  Data 

trasmission principles 

34

Fiber optics connecting

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications Chap 5, modulations linéaires  

35

Modulation : 

)

(t

s

m

)

(t

s

)

(t

s

c

Signal modulating
Information to transmit 

Signal (carrier)

Modulated Signal 

)

cos(

)

(

c

c

c

c

t

A

t

s

Modulation 
= perturbation bt

MODULATEUR

)

(t

s

m

c

A

c

c

AM  ASK

FM, FSK

PM, PSK

Amplitude Ac dépends  on  sm

Fréquence of  carrier signal   dépends on sm

1

1

1

0

0

t

t

Phase of carrizer signal dépends  on  sm

background image

ITEEM IE3 B.Piwakowski : Télécommunications Chap 5, modulations linéaires  

36

Illustratrion of three familles of modulation

AM

FM

PM

Analog Signal 

Digital Signal

Tb

t

a

0

1

1

1

0

0

t

Tb

t

a

0

Tb

t

a

0

ASK, OOK

FSK

PSK

background image

Source Canal   and Receiver , case with carrier frequency:

Source
format code 
D

B

signal

D or 2D

Adapted Receiver
Recived power

Adapted Amplifier
Output resistivity Rs=Rc ant
Outpu power  Pe

Distance

L  km

modulator

fc

carrier frequency

Modulation type: PSK,FSK QAM

Emitting Antenna
Wi FI
Other radio connections

Receiving
Antenna

Pr 
N
SNR=10log(Pr/N)

Pe

Pr

dBm

dBm

R

km

km

dB

km

dB

dBm

E

dBm

R

km

L

f

r

e

r

N

P

SNR

f

f

L

P

P

ou

e

P

P

)

(

]

/

1

[

]

/

[

/

)

(

)

(

]

/

1

[

)

(

)

(

3

.

4

)

(

2

2

)

4

(

L

D

D

P

P

r

r

e

e

e

r

l

2

,

,

4

;

2

l

l

a

r

e

r

e

S

D

L

D

B

sigmod

=2R

AGH  B.Piwakowski Analog Electronics Chapter V  Data trasmission 

principles 

37

SNR>SNR 

min

fc

carrier frequency

demodulator

Using antenna

Using cable