MULTIMEDIJALNI SISTEMI

1. MULTIMEDIJALNI SISTEMI Predavanje 2 Dr. Velizar Pavlović dipl. Ing.

2. Tehnike za prenos podataka Verovatno najfundamentalniji aspekt sistema za prenos podataka odnosi se na tehniku koja se koristi za predaju podataka između dve tačke (predajnika/prijemnika). Prenos podataka između predajnika i prijemnika vrši se preko prenosnog medijuma. Prenosni medijum može biti: a) trasiran (guided) ili b) netrasiran (unguided). U oba slučaja komunikacija se ostvaruje zahvaljujući prostiranju elektromagnetnih talasa.Kod trasiranog prenosa prostiranje talasa (adekvatniji termin u ovom slučaju je električni signal) se usmerava duž fizičkih puteva kakvi su upredeni kablovi, koaksijalni kablovi, optička vlakna, itd. Kod netrasiranog prenosa prostiranje elektromagnetnih talasa se vrši kroz vazduh, vakum, tečnost. Prenosni put između dve tačke naziva se veza (link), a deo veze koji je namenjen prenosu podataka zovemo kanal. Termin direktna veza (direct link) se odnosi na prenosni put između dva uređaja duž koga se prostiranje signala između predajnika i prijemnika ostvaruje bez posrednika. U ovom slučaju kao posrednici na prenosnom putu ne smatraju se uređaji tipa pojačavač ili repetitor čija je osnovna uloga da povećaju snagu (amplitudu) signala duž prenosnog puta, tj. da kompenziraju slabljenje, signala kroz prenosni medijum. Na slici 1 prikazane su dve konfiguracije koje se najčešće koriste kod trasiranog prenosa. Kod usmerenog prenosa tipa tačka-ka-tački (point-to-point) prikazan na slici 1 a) ostvarena je direktna veza između predajnika i prijemnika, a kod višetačkaste (multipoint) konfiguracije medijum za prenos je deljiv između većeg broja uređaja (vidi sliku 1 b)).

3. Slika 1 Konfiguracije kod usmerenog prenosa

4. Načini komuniciranja Razlikujemo tri načina prenosa (vidi sliku 2) a) simpleks (simplex)- signali se prenose (predaju) samo u jednom smeru; jedna stanica je predajnik,a druga prijemnik. b) polu-dupleks (half-duplex) - obe stanice mogu vršiti predaju/prijem po istom kanalu, ali ne istovremeno, (kada je jedna predajnik druga je prijemnik i obratno). c) potpuni dupleks (full-duplex) - obe stanice mogu istovremeno vršiti predaju koristeći posebnekanale, po jedan za svaki smer prenosa. Signal koji se prenosi duž prenosnog puta funkcija je kako vremena tako i frekvencije. Zbog toga je neophodno poznavati oba domena, frekventni i vremenski, da bi se vršilo procesiranje signala.

5. Slika 2 Načini prenosa signala: a) simpleks; b) polu- dupleks; c) potpuni-dupleks

6. Koncept vremenskog domena U funkciji vremena, elektromagnetni signal može biti kontinualni ili diskretni. Kontinualni signal je onaj kod koga se vrednost signala "glatko" menja sa vremenom. Drugim rečima ne postoje prekidi ili diskontinuiteti signala. Matematički posmatrano: Signal s(t) je kontinualan (neprekidan ) ako: lim s(t)=s(a) t → a za sve vrednosti a. Diskretni signal je onaj kod koga je za određeni vremenski period amplituda signala konstantna, a zatim se menja na drugi konstantni nivo. Na slici 3 prikazana su oba tipa signala. Kontinualni može da predstavlja govor, a diskretnom obično odgovara prezentacija binarnih jedinica i nula kod digitalnih elektronskih sistema.

7. Slika 3 Kontinualni i diskretni signali

8. Koncept frekventnog domena U suštini, elektromagnetni signal se sastoji od većeg broja komponenata čija je frekvencija različita. Na primer, signal: s(t) sin(2π f1 t) +1/3 sin(2 π (3 f1)t ) je prikazan na slici 4. Komponente ovog signala su sinusni talasni oblici frekvencije f1 i 3f1. Sledeća zapažanja su važna za sliku 4: 1. Druga fekvencija je celobrojni umnožak prve. Kada su sve frekventne komponente signala celobrojni umnošci jedne frekvencije, tu frekvenciju nazivamo osnovnom frekvencijom (osnovni harmonik); 2. Perioda ukupnog signala jednaka je periodi osnovne frekvencije. Perioda komponente 2πf1t je T = 1/f1 , a perioda s(t) je takođe T (vidi sliku 4 c). Spektar signala predstavlja opseg frekvencija koje taj spektar sadrži. Za signal sa slike 4 c) spektar signala se nalazi između f1 i 3f1. Apsolutni propusni opseg (absolute bandwidth) signala je onaj koji odgovara širini spektra. Za slučaj sa slike 4.c) propusni opseg je 2 f1. Kod najvećeg broja signala propusni opseg je beskonačn. Ipak najveći deo energije signala sadrži se u relativno uskom frekventnom opsegu. Ovaj opseg je poznat kao efektivni propusni opseg (effective bandwidth), ili skraćeno propusni opseg.

9. Slika 4 Sabiranje komponenata različitih frekvencija

10. Odnos između brzine prenosa i propusnog opsega Frekventne komponente pravougaonog talasnog oblika možemo izraziti kao. Ovaj talasni oblik ima beskonačni broj frekventnih komponenti, a shodno tome i neograničeni propusni opseg. Ipak, amplituda k-te frekventne komponente, k f1 , je samo 1 k , tako da najveći deo energije talasnog oblika nosi prvih nekoliko frekventnih komponenata. Sada se čitaocu postavlja ponovo jedno pitanje: Šta će se desiti ako se propusni opseg ograniči na prve tri frekventne komponente? Odgovor na ovo pitanje je prikazan na slici 5.a). Kao što se vidi rezultantni talasni oblik veoma je blizak originalnom.

11. a b Slika 5 Frekventne komponente pravougaonog talasnog oblika (T=1/f1)

12. Paralelni i serijski prenos Slika 6 (a) Paralelni prenos; (b) handshaking (rukovanje)

13. Asinhroni prenos - KVITICA Sistem kod koga predajnik može u bilo kom trenutku generisati bitove kažemo da koristi asinhroni prenos. Ključne karakteristike asinhronog prenosa su te da predajnik ne predaje prijemniku bilo kakvu informaciju o lokalnom taktnom impulsu ili tajming bit. Zadatak prijemnika je da interpretira dolazeće signale i da korektno interpretira svaki dolazeći bit. U suštini asinhroni prijemnik ne regeneriše takt na osnovu dolazećeg signala. Naime, predajnik i prijemnik koriste posebne taktne impulse čije su frekvencije veoma bliske jedna drugoj. Sa ciljem da se odredi korektni početak rada prijema koristi se metod rada poznat kao start-stop (vidi sliku 7). Slika7 Start-stop operacija

14. Sinhroni prenoss - KVITICA Daleko efikasniji način za održavanje sinhronizacije kod komunikacione veze je onaj koji se zasniva na sinhronom prenosu (synchronous transmission). Podaci koji se sinhrono predaju dolaze do prijemnika kao kontinualni niz u regularnim vremenski definisanim bitskim intervalima. Predajnik i prijemnik mora da rade sinhrono, a to se ostvaruje korišćenjem sinhronizacionih signala na nivou takta. Predajnik generiše taktni signal koji mora biti prenet do prijemnika bilo preko posebnog kanala ili direktno regenerisan od strane prijemnika iz dolazećeg signala. Zbog toga, u predajnoj poruci mora biti emitovana i informacija o sinhronizaciji. Princip regenerisanja takta kod ovog načina prenosa prikazan je na slici 8. Slika 8 Sinhroni prijemnik

15. Uobičajeno podaci se predaju kao okviri, tj. ramovi (frame) fiksnog obima (vidi sliku 9) pri čemu svaku informaciju na početku i kraju prate specijalni bit oblici nazvani preambule (preamble). Svrha preambule je da ostvari sinhronizaciju predajnog i prijemnog oscilatora pre početka prijema informacionih bitova. Više detalja o ovoj problematici biće dato kasnije. Slika 9 Oblik okvira kod sinhronog prenosa

16. Brzina signaliziranja – KVITICA, primer obavezno Brzina prenosa podataka (data rate ili transmission rate) se definiše kao broj prenetih bitova u toku određenog vremenskog perioda podeljen sa tim vremenom, a meri se u bitovima u sekundi (bps). Pri ovome veoma je važno da se pravi razlika između termina brzina prenosa koja se meri u bps i brzina signaliziranja (signalling rate) koja se meri u baud-ovima. Brzina signaliziranja se odnosi na brzinu prenosa jednog signalnog elementa.

17. Analogni i digitalni prenos podataka Termini analogni i digitalni odgovaraju, u grubim crtama, terminima kontinualni i diskretni. Ova dva termina se često koriste kod prenosa podataka u kontekstu korišćenja pojmova podaci, signali i prenos. U principu pojam podaci kao entitet usko se povezuje sa pojmom informacija, dok pojam prenos predstavlja komuniciranje podacima putem prostiranja i procesiranja signala. Ilustracije radi tipičan primer analognih podataka su audio-akustični talasi koji se direktno primaju od strane čovečjeg uva kao senzora, dok reprezenti digitalnih podataka koje imaju diskretne vrednosti su tekst i celobrojne vrednosti (integer). Sa druge strane analogni signal predstavlja kontinualno promenljivi elektromagnetni talas koji seu zavisnosti od frekvencije prostire kroz različite medijume (optički kablovi, atmosfera). Pojam digitalnisignal se odnosi na sekvencu naponskih impulsa koji se prenosi preko žičanih veza kao medijum zaprenos. Analogni i digitalni podaci se mogu predstaviti, a shodno tome i prenositi, analognim ili digitalnim signalima (vidi sliku 10).

18. Slika 10 Analogni i digitalni prenos analognih i digitalnih podataka

19. Definicija nekih osnovnih pojmova Slika 11 Ključni termini kod prenosa podataka

20. Digitalni podaci, analogni signali Najstandardniji način korišćenja ove transformacije srećemo kod prenosa digitalnih podataka preko javne telefonske mreže. Telefonska mreža je projektovana za prijem, komutaciju, i prenos analognih signala govora u opsegu od 300 Hz do 3400 Hz. Tekuće ove mreže nisu direktno prilagođene za prenos digitalnih signala. Imajući ovo u vidu digitalni uređaji se povezuju na telefonsku mrežu preko modema. Zadatak modema je da konvertuje digitalne podatke u analogne signale, i obratno. Kada se govori o telefonskoj mreži, modemi se koriste za generisanje signala u govornom frekventnom opsegu, ali se iste osnovne tehnike koriste i od strane modema koji generišu signale na višim frekvencijama (recimo mikrotalasni). Postupak modulacije podrazumeva promenu jedne od sledeće tri karakteristike nosećeg signala: amplitudu, frekvenciju, i fazu. Saglasno tome postoje sledeće tri osnovne modulacione tehnike za transformaciju digitalnih podataka u analogne (vidi sliku 12): 1. ASK – Amplitude Shift Keying 2. FSK – Frequency Shift Keying 3. PSK – Phase Shift Keying U sva tri slučajeva opseg rezultantnog signala je centriran oko noseće učestanosti.

21. Slika 12 Modulacija analognih signala digitalnim podacima

22. ASK Kod ASK–a binarnim vrednostima 0 i 1 pridružuju se dve različite amplitude noseće frekvencije. Obično rezultantni signal koji odgovara jednom bitu je dat relacijom Kao tehnika, ASK je podložna uticaju naglih promena pojačanja i veoma je neefikasna. U telefoniji se koristi za prenos signala do 1200 bps. ASK se takođe aplicira i kod prenosa digitalnih podataka po optičkom vlaknu, gde LED predajnik emituje svetlosni snop za jedan signalni elemenat, a ne-emituje za drugi.

23. FSK Najpoznatija forma FSK je binarna FSK, nazvana BFSK. Kod BFSK, (vidi sliku 13) dve binarne vrednosti se predstavljaju različitim frekvencijama koje su locirane blizu nosećoj. Rezultantni signal koji odgovara jednom bitu u datom trenutku dat je relacijom Slika 13 Način prenosa FSK signala kod potpunog dupleksa po standardnim telefonskim paricama

24. PSK Kod PSK promena faze nosećeg signala vrši se u skladu sa podacima. Najjednostavnija šema kojakoristi dve faze radi prezentacije dve binarne cifre je BPSK (binary PSK). Kod BPSK rezultantni predajni signal koji odgovara jednom bitu u datom trenutku može se izraziti sledećom relacijom Alternativna forma BPSK-u je DPSK (differential PSK) (vidi sliku 14). Kod ove šeme binarna 0 odovara predaji signalnom paketu (signal burst) iste faze kao i prethodni signalni paket, dok binarna 1 odgovara predaji signalnog paketa suprotne faze u odnosu na prethodni. Slika 14 Diferencijalna PSK

25. Efikasnije iskorišćenje propusnog opsega se postiže ako se svaki signalni elemenat predstavi sa višeod jednim bitom. Jedna tipična takva tehnika je kvadraturna PSK poznata kao QPSK koja koristi multiple faznih pomeraja od π/2. Kod QPSK svaki signalni elemenat predstavlja dva bita. Rezultantni predajni signal dat je sledećom relacijom

26. Analogni podaci na ulazu, analogni signali na izlazu Modulator konvertuje jednu vrstu signala u drugi (Digitalni podatak u analogni,…). Modulacija se definiše kao proces kombinovanja ulaznog signala m(t) i nosioca čija je frekvencija fC sa ciljem da se generiše signal s(t) čiji je propusni opseg (obično) centriran oko fC. U daljem delu teksta ukazaćemo u glavnim crtama samo na osnovne principe tehnika modulacije koje koriste analogne podatke, a to su: AM (amplitudna modulacija), FM (frekventna modulacija) i PM (fazna modulacija). Više detalja iz ove problematike studenti nalaze izučavanjem predmeta Osnovi telekomunikacija. Amplitudna modulacija – AM Najjednostavniji oblik modulacije predstavlja amplitudna modulacija (vidi sliku 15). Matematički proces AM-a se može opisati kao Uočimo da su amplitude nosioca i modulišućeg signala u gore navedenoj relaciji, kao vrednosti, normalizovane na jedinicu

27. Slika 15 Amplitudna modulacija

28. Analogni podaci na ulazu, digitalni signali na izlazu KVITICA Proces konverzije analognih podataka u digitalne signale, tj. podatke, naziva se digitalizacija. Pri ovome, na sledeća tri važna aspekta moramo obratiti pažnju: 1. digitalni podaci se mogu prenositi koristeći NRZ-L (Non-Return to Zero Level) kôd. NRZ-L se uobičajeno koristi za generisanje ili interpretaciju digitalnih podataka od strane terminala ili drugih uređaja. 2. digitalni signali se mogu nakon toga kodirati kao digitalni signal koristeći kôd koji je različit u odnosu na NRZ-L. To znači da je potrebno uvesti dodatni korak. 3. digitalni podaci se mogu konvertovati u analogni signal koristeći jednu od modulacionih tehnika koje smo već opisali. Proces digitalizacije analognih podataka prikazan je na slici 16.

29. Slika 16 Digitalizacija analognih podataka U konkretnom slučaju govorni signal se prvo digitalizuje, a zatim konvertuje u analogni ASK. Uređaj koji se u procesu predaje, koristi za konverziju analognih podataka u digitalnu formu a zatim, u procesu prijema, za konverziju analognih podataka u digitalne naziva se kodek (koder-dekoder).

30. Impulsno kodna modulacija – PCMtalni signali na izlazu Impulsno kodna modulacija (Pulse Code Modulation–PCM) bazira se na teoriji uzorkovanja i može se izraziti kao: Ako se signal f(t) uzorkuje u regularnim vremenskim trenucima, frekvencijom koja je dvaput viša od najviše frekvencije signala, tada uzorci sadrže celokupnu informaciju signala koji se uzorkuje. Funkcija f(t) se može rekonstruisati na osnovu uzoraka korišćenjem nisko-propusnog filtra.