شبکه های کامپیوتری

1. شبکه های کامپیوتری فصل سوم: لایه فیزیکی (Physical Layer) وحید حقیقت دوست دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شاهد

2. مبانی تئوری مخابرات داده • آنالیز فوریه (Fourier Analysis) • محدودیت پهنای باند سیگنالها (Bandwidth-Limited) • حداکثر نرخ ارسال کانال (Maximum Data Rate of a Channel)

3. داده ها باید بصورت سیگنالهای الکتریکی انتقال یابند

4. تجزیه فوریه سیگنال • یادآوری: • هر سیگنال متناوب g(t) با دوره تناوب T را میتوان بصورت مجموعی از توابع سینوسی و کسینوسی نوشت که به آن سری فوریه میگویند: • بطوری کهf = 1/T را فرکانس پایه و an و bn را دامنه n امین هارمونی میگویند • در خصوص سیگنالهای نامتناوب، آنها را بصورت مقطعی پردازش میکنند و یا از تبدیل فوریه استفاده میشود.

5. سیگنال دیجیتالیاولیه 15 ضریب اول فوریه سیگنال باز سازی شده با استفاده از اولین ضریب سیگنال باز سازی شده با استفاده از دو ضریب اول

6. سیگنال باز سازی شده با استفاده از 4 ضریب اول فوریه سیگنال باز سازی شده با استفاده از 8 ضریب اول فوریه

7. محدودیت پهنای باند • اگر نرخ انتقال بیت برابر b بیت بر ثانیه باشد، زمان لازم برای ارسال 8 بیت بطوری که در هر زمان یک بیت ارسال شود برابر 8/b ثانیه است. لذا فرکانس هارمونی اول برای ارسال یک بایت b/8 هرتز است. • فرکانس قطع در خطوط تلفن 3000 هرتز است. • بدین معنی است که شماره بزرگترین هارمونی که میتواند در خطوط تلفن ارسال شود برابر مقدار زیر است:

8. رابطه بین نرخ ارسال و تعداد هارمونی های قابل ارسال خط انتقال تلفنی را درنظر بگیرید، باتوجه به شرایط پهنای باند خط باتوجه به نرخ ارسال درنظر گرفته شده میتوان تعداد هارمونی ها را محاسبه نمود. نرخ ارسال 300 بیت در ثانیه را در نظر بگیرید نرخ ارسال=300 b/s T= 8/300=0.02667 (sec) = 26.67 (msec) فرکانس اولین هارمونی= 300/8=37.5 Hz تعداد هارمونی های قابل ارسال= 3000/37.5=80 OK Not OK

9. کدینگ دیجیتال • (a)Unipolar NRZ signaling. • 0: ولتاژ صفر • 1: ولتاژ مثبت • (b) Polar NRZ signaling. • 0: ولتاژ منفی • 1: ولتاژ مثبت • (c) Unipolar RZ signaling. • 0: ولتاژ صفر • 1: نوسان به ولتاژ مثبت و بازگشت به صفر • (d) Bipolar RZ signaling. • 0: ولتاژ صفر • 1: نوسان به ولتاژ مثبت یا منفی (متناوب) و بازگشت به صفر • (e) Split-phase or Manchester code. • 0: نوسان از سطح ولتاژ منفی به سطح ولتاژ مثبت • 1: نوسان از سطح ولتاژ مثبت به سطح ولتاژ منفی

10. کدینگ : نرخ ارسال سمبول و نرخ ارسال بیت ( Baud Ratevs.Bit Rate)

11. Nyquist’s Theorem Max. data rate = (Noiseless Channel) where V represent No. of discrete level of signals. • Shannon’s Theorem Max. data rate = (Noisy Channel) where S/N represent signal-to-noise ratio. حداکثر نرخ ارسال کانال

12. Signal + noise Signal Noise High SNR t t t Noise Signal + noise Signal Low SNR t t t Average signal power SNR = Average noise power SNR (dB) = 10 log10 SNR Figure 3.11

13. حداکثر نرخ ارسال در کانال بدون نویز

14. حداکثر نرخ ارسال در کانال نویزی

15. رسانه های ارتباطی • زوج به هم تابیده (Twisted Pair) • کابل هم محور (Coaxial Cable) • فیبر نوری (Fiber Cables) • وایرلس

16. زوج به هم تابیده (Twisted Pair) (a) Category 3 Unshielded Twisted Pair (UTP). BW.=16MHz (b) Category 5 Unshielded Twisted Pair (UTP). BW.=100MHz (c) Cat. 6 BW.=250MHz, Cat.7 BW.= 600MHz

17. Physical Media Shielded Twisted Pair (STP)

18. Unshielded Twisted Pair (UTP)

19. Coaxial Cable

20. Coaxial Cable (2) • Coaxial cable (coax) • better shielding • longer distances at higher speeds • two kinds • 50-ohm cable: digital transmission • 75-ohm cable: analog transmission • Bandwidth • 1-km cable: 1-2 Gbps • Application • telephones system: coaxial cable are being replaced by fiber optics • widely used for cable TV

21. فیبر نوری هسته شیشه ای در بین دو قلاف قرار دارد. یکی از جنس شیشه و دیگری از جنس پلاستیک

22. فرکانس های کاری فیبر نوری

23. Ray description of different fibers

24. عملکرد مودمتبدیل سیگنال دیجیتال به سیگنال آنالوگ (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation

25. ترکیب تکنولوژی های AM و PM (a) QPSK. (b) QAM-16. (c) QAM-64.

26. انواع روشهای تسهیم سازی ( Multiplexing)

27. تسهیم سازی و دسترسی چندگانه • از تسهیم سازی برای ترکیب خطوط با نرخ ارسال پایین تر در یک خط با نرخ ارسال بیشتر استفاده میشود • در دسترسی چندگانه، تمامی ایستگاه ها به رسانه مشترک دسترسی دارند و طبق پروتکل توافقی هر کدام از بخش اختصاص یافته به خود استفاده میکنند

28. تسهیم سازی فرکانسFrequency Division Multiplexing (FDM) (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (c)The multiplexed channel.

29. تسهیم سازی زمانیTime Division Multiplexing (TDM) • Pulse Code Modulation (PCM) is the heart of the modern telephone system • A analog signal is sampled, quantized and coded The T1 carrier (1.544 Mbps). Each channel has 8bits, 24 channels and one framing bit form a frame of 125 µsec

30. تسهیم سازی پهنای باندWavelength Division Multiplexing (WDM)

31. Example: 4 users FDM frequency time TDM frequency time سوئیچینگ مداری با استفاده از TDM و FDM

32. Time Division Multiplexing تسهیم سازی خطوط T1 درون خطوط با سرعت بالاتر

33. SONET STS-1 frame 90 columns framing • Each STS-1 frame is 90 columns * 9 rows = 810 bytes • There are 8000 STS-1 frames per second • Thus the basic STS-1 rate is 51.840 Mbps 9 rows Synchronous Transfer Signals are bit-signals (OC are optical)

34. SONET/SDH rates SONET and SDH multiplex rates. • The Synchronous Transport signal-1 (STS-1) is the basic SONET channel • The Optical carrier (OC) corresponding to STS-n is called OC-n

35. Network Connection Speeds Reference (link)

36. Network Connection Speeds Reference (link)

37. Network Connection Speeds Reference (link)

38. Network Connection Speeds Reference (link) OC-X: X refers to the Optical Carrier Level, from North American SONET (ANSI)STS-X: X refers to the Electrical Carrier Level, from North American SONET (ANSI)STM-X: X refers to the International SDH (Synchronous Digital Hierachy) Level (ITU-T)

39. پروتکل GSMGlobal System for Mobile Communications GSM، پهنای باند را به 124 کانال فرکانسی تقسیم میکند. در هر کانال 8 اسلات زمانی تعریف میشود و هر اسلات به یک کاربر اختصاص می یابد

40. دسترسی چندگانه تقسیم کد(CDMA – Code Division Multiple Access) • تمامی ایستگاه ها در تمامی زمانها به تمامی پهنای باند دسترسی دارند. • ارسالهای همزمان از طریق کد با هم متمایز میشوند. • سیگنال نهایی از ترکیب سیگنال ارسال شده توسط همه کاربران تولید میشود. • از آنجا که کد اختصاص یافته به هر کاربر که اصطلاحاً دنباله کد (chip sequence) بر دیگر کدها عمود است لذا در گیرنده میتوان سیگنال هر کاربر را از سیگنال مجموع جدا نمود. • سیگنال دیگر ایستگاه ها نویز تلقی خواهد شد و از سیگنال اصلی جدا میشود • در این روش بجای ارسال صفر یا یک یک دنباله 64 تا 128 بیتی ارسال میشود. • برای مثال یک دنباله 8 بیتی اختصاص یافته به ایستگاه A میتواند بصورت زیر باشد • 00011011. • برای ارسال بیت 1 همین کد یعنی، 00011011 ارسال و برای ارسال بیت 0 کد 11100100 ارسال میشود.

41. مثال دسترسی چندگانه تقسیم کد • چهار ایستگاه کاری قصد ارسال اطلاعات دارند. • کد اختصاص یافته به هر ایستگاه نشان داده شده است. • در گیرنده با داشتن کد ایستگاه میتوان از سیگنال مجموع دریافت شده، دنباله ارسالی را تشخیص داد.

42. channel output Zi,m Zi,m= di.cm دنباله بیتی برای ارسال d0 = 1 1 1 1 1 1 1 d1 = -1 فرستنده slot 0 channel output slot 1 channel output 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 کد ایستگاه slot 1 slot 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 M Di = ΣZi,m.cm m=1 M ورودی دریافت شده d0 = 1 d1 = -1 slot 0 channel output slot 1 channel output کد ایستگاه گیرنده slot 1 slot 0 فرایند کدینگ و دیکدینگ در CDMA

43. بررسی فرایند ترکیب و تفکیک اطلاعات دو ایستگاه