Akademia Górniczo – Hutnicza
Wydział Metalurgii i Inżynierii Materiałowej
Autor:
Zakład Informatyki Przemysłowej
Zakład Informatyki Przemysłowej
Podstawy fizyczne transmisji
Podstawy fizyczne transmisji
danych
danych
Jarosław Durak
2008
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Transmisja
Transmisja
–
Aby optymalnie wykorzystać kanał
wykorzystuje się zazwyczaj równocześnie
•
kodowanie sygnału
•
modulację
•
rozpraszanie sygnału (zależnie od nośnika)
–
największe znaczenie mają dla sygnału asynchronicznego
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Cel
•
Przekazywać strumień sygnału za pomocą kanału
analogowego
–
Typy modulacji
•
Analogowa
–
zadaniem modulacji analogowej jest przenoszenie
sygnału analogowego za pomocą łącza analogowego
–
przykłady
»
AM SSB FM PM QAM
•
cyfrowa
–
strumieniem sygnału są bity
»
OOK FSK ASK PSK APSK MSK PPM TCM OFDM
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Rozpraszanie sygnału
Rozpraszanie sygnału
–
Cel i zasada działania
•
spread spectrum
•
Rozpraszanie sygnału stosowane jest zawsze w sieciach
radiowych
–
energia sygnału dzielona jest na szersze pasmo
–
poprawia to odporność sygnału na zakłócenia
–
może poprawić bezpieczeństwo
–
Typy rozpraszania
•
FH – Frequency hopping
•
DS – Direct Sequence
•
TH – Time Hopping
•
...
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
Cel
•
line code lub digital baseband modulation
•
kodowanie przekształcenie danych do takiego formatu aby
optymalnie wykorzystać kanał transmisji
–
dodaje pewną redundancję
–
obniża wrażliwość sygnału na zniekształcenia
–
może pozwalać na przenoszenie dodatkowych
informacji
»
sygnały zegarowe, synchronizacja
»
dodatkowe kody rozpoznawane przez urządzenia
•
może prowadzić do zwiększenia ilości przesyłanych
sygnałów
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Współdziałanie
Współdziałanie
źródło danych
przeznaczenie
kodowanie
kodowanie
kanału
modulacja
kanał transmisji
dekodowanie
dekodowanie
kanału
demodulacja
N
ad
aj
n
ik
O
d
b
io
rn
ik
czysty sygnał
zniekształcony sygnał
PHY
LLC
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane musi zapewnić łatwe odtworzenie
sygnału zegarowego
•
kodowanie „wprost” za pomocą dwóch poziomów sygnału
–
zaleta prostota przetworzenie sygnału C-A A-C
–
wada trudne odtworzenie sygnału zegarowego
1
0
0
0
0
0
0
1
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane dwubiegunowe
•
0 jest kodowane jako poziom 0
•
1 kodowane jest jako -V lub +V
•
nazywane jest AMI (Alternate Mark Inversion)
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane Manchester
•
0 i 1 kodowane są jako zmiana polaryzacji sygnału z -V na
+V
•
w sieci 802.3 stosowane są odwrotne zmiany polaryzacji
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane dwufazowe BMC
•
1 jest kodowane jako przejście +V na -V w połowie cyklu
zegarowego i z -V na +V na końcu cyklu
•
0 brak zmiany poziomu sygnału w połowie cyklu
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane MLT-3
•
3 poziomy sygnału -V 0 +V
•
0 – brak zmiany poziomu sygnału
•
1 przejście do następnego poziomu sygnału
•
0 na 1 obniżenie poziomu sygnału
•
mniejsze interferencje mniejsza częstotliwość
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane 4B5B
•
zamienia 4b danych 5bitowy symbol
•
można zakodować 32 stany
–
16 są to dane
»
0-11110, 1-01001, 2-10100, 3-10101, 4-01010, 5-01011,
6-01110, 7-01111, 8-10010, 9-10011, A-10110, B-10111,
C-11010, D-11011, E-11100, F-11101
–
pozostałe to symbole kontrolne
»
I-11111-IDLE, H-00100-HALT, J-11000 K-10001 Start Stream
Delimiter, T-01101 R-00111 End Stream Delimiter
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane 8B10B
•
zamienia 8b danych 10bitowy symbol
•
podobnie jak w przypadku 4B5B wzrasta bitrate
•
odpowiednie kodowanie bajtu pozwala zredukować
częstotliwość oraz odtworzyć zegar
•
dopuszczalne są nie więcej niż 6 kolejnych 0 lub 1
–
5b jest kodowana jako 6bitowy symbol
–
kolejne 3b jako 4 bitowy symbol
–
następnie łączone w 10b grupę
•
oprócz danych jest 12 symboli specjalnych
–
wykorzystanie zależne od zastosowania (FibreChannel
czy Ethernet)
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
kodowane 64B66B
•
zamienia 64b danych 66bitowy symbol
•
dodawana jest preambuła
–
01 tylko dane
–
10 dane + kontrolne informacje
–
00 i 11 są błędne
•
dane są tak kodowane aby rozłożyć zera i jedynki
możliwie równomiernie
•
realizowane całkowicie sprzętowo
•
mniejszy przyrost strumienia danych niż w 4B5B i 8B10B
•
zastosowanie (FibreChannel, 10Gb-Ethernet)
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Kodowanie
Kodowanie
–
zastosowanie
•
stosowane jest nie tylko w transmisji danych
–
zapis DVD (EFM – 8 do 14)
–
dyski twarde
–
napędy taśm
–
kody kreskowe
–
zdalne sterowanie (piloty TV)
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Modulacja Fazy (Phase Modulation -PM)
•
•
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Modulacja Fazy (Phase Modulation -PM)
•
Stosowana w technice analogowej
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Kluczowanie z przesunięciem fazy
•
Phase Shift Keying - PSK
•
cyfrowa odmiana modulacji fazy
–
w zależności od ilości zmian fazy można przy jednej
częstotliwości nośnej (zegarowej) przesyłać dane z
różną prędkością
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
BPSK
•
Binary PSK
•
Najprostsza odmiana PSK
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
QPSK
•
Kwadraturowe PSK
•
4 zmiany = 4 stany
•
możliwość zakodowania sekwencji 2 bitów
QPSK
Diagram czasowy
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
OQPSK (Offset QPSK)
•
Przesunięte kwadraturowe PSK
•
4 zmiany = 4 stany
•
możliwość zakodowania sekwencji 2 bitów
OQPSK
Diagram czasowy
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
QPSK i OQPSK
•
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
•
Dwie fale nośne przesunięte w fazie o 90 stopni
8QAM
16QAM
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Wyższego rzędu -PSK (Hi-order PSK)
•
8 - PSK
–
zmiany stanów co 45 stopni
–
możliwość zakodowania sekwencji 3 bitów
•
16 – PSK
–
kodowanie 16 stanów
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Odporność modulacji PSK na zakłócenia
•
Im wyższy rząd tym większy odsetek błędów
BER
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Różnicowe PSK na zakłócenia
•
podnosi odporność na zakłócenia
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja – pojemność
Modulacja – pojemność
kanału
kanału
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Modulacja
Modulacja
–
Modulacja impulsowo-amplitudowa PAM
•
Pulse Amplitude Modulation
–
stosuje się kilka poziomów napięć
–
można zakodować kilka stanów równocześnie
–
PAM-4
»
-3 -1 +1 +3
–
PAM-5 100Mb-X
–
PAM-8
–
PAM-10
–
PAM-12
–
PAM-16 10Gb-T
Zakład Informatyki Przemysłowej, WMiIM, AGH
Rozpraszanie sygnału
Rozpraszanie sygnału
–
Metody rozpraszania sygnału były opracowywane
niezależnie od początku XXw
–
Wynalazcy: Niemiec, polak, czeska aktorka porno i
muzyk awangardowy
–
Ponowne odkrycie w latach 50 (CDMA) i 60 (US Army)
–
komercjalizacja sieci
»
802.11
»
Bluetooth
–
Obecnie:
»
FHSS (bluetooth, 802.11)
»
DSSS
»
HrDSSS (802.11b)
»
OFDM (802.11g/a/n, ADSL, WiMAX ...)