SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE

1. SYSTEMY TELEINFORMATYCZNE Wykład 2 AiR 5r.

2. Telekomunikacja zajmuje się: • sygnałami (przetwarzanie informacji na sygnał i odwrotnie) • komutacją (technika łączenia) • transmisją (przesył sygnałów na odległość) Rozwój technologii – umożliwia przesył nie tylko dźwięku (mowy) – synchronicznie (telefon), także zakodowanej informacji o różnej użyteczności (pliki, mail, obrazy, video). Wykorzystanie infrastruktury telekomunikacyjnej dla potrzeb informatycznych (systemy teleinformatyczne). Wartość rynku w Polsce ~30 mld $

3. Teleinformatyka - technologia informacyjna, IT (akronim od ang. Information Technology) - dziedzina wiedzy obejmująca • - informatykę - sprzęt komputerowy i oprogramowanie używane do: • tworzenia i przetwarzania • przesyłania • prezentowania • zabezpieczania informacji, • - telekomunikację, • - narzędzia i inne technologie związane z informacją.

4. Rozwój technologii – niezawodność, szybkość 1921 – kabel przez Atlantyk 1927 (Atlantyk), 1931 (Pacyfik) – transmisja transoceaniczna radiowa (1 rozmowa w przedziale czasu!!!) Technologie – cel – zwielokrotnienie – kabel koncentryczny – 480 rozmów – 1941 r. Kabel światłowodowy – NY - Waszyngton 1983 – Ameryka – Europa 1988 (40000 rozmów) - obecnie - ok.30 mln. rozmów równocześnie

5. Rozwój możliwy dzięki: • nowe media(kable miedziane, światłowody, media bezprzewodowe) • zwielokrotnianie multiplexing ( w dziedzinie czasu i częstotliwości - także WDM – w dziedzinie długości fali dla światłowodów) – całość to tzw. techniki multipleksacji

6. Zwiększanie przepustowości WDM (wave density multiplexing) W jednym medium fizycznymod kilku do kilkuset kanałów logicznych – różne długości fali. Wielolaser - wiele fal świetlnych o określonych długościach (całe pasmo nie przekracza 35 nm). Wysłany sygnał dociera do przełacznika WDM, gdzie za pomocą filtrów optycznych fale są rozdzielane na niezależne kanały i trafiają do właściwych odbiorców. Odstępy międzyfalowe od 0,4 do 6 nm

7. Kanały Kanały fizyczne - media miedziane - media optyczne (światłowody) Radiowy kanał łączności ruchomej Kanał satelitarny

8. Radiowy kanał łączności ruchomej (tu m.in. telefonia komórkowa) • nadajnik lub odbiornik jest przenośny • zjawisko odbioru wielodrożnego – rozchodzenie się fali z wielokrotnym odbiciem, z różnych kierunków i z różnym opóźnieniem czasowym – propagacja fal

9. Kanał satelitarny • zapewnia szeroki obszar pokrycia, niezawodność połączeń, szerokie pasma • satelity na orbitach geostacjonarnych • – wysokość 36 881 km • nieruchomy względem obserwatora, • częstotliwość – zwykle 6 GHz ziemia-satelita, 4 GHz satelita-ziemia Pasmo 500 MHz – rozdzielone tzw. transpondery

10. Kanały - cechy • liniowe i nieliniowe – telefoniczny jest liniowy, satelitarny zwykle nieliniowy (niejednorodność środowiska) • stacjonarny i niestacjonarny – miedziany i światłowodowy jest stacjonarny, kanał radiowy łączności ruchomej jest niestacjonarny • Kanał o ograniczonym paśmie lub o ograniczonej mocy - kanał telefoniczny ma ograniczone pasmo, kanał satelitarny ograniczonąmoc (np. nadajnika)

11. Sygnały Sygnał wiadomości – źródło informacji - dolnopasmowy – dolny zakres częstotliwości - analogowy (czas i amplituda są ciągłe) lub cyfrowy(czas i amplituda mają wartości dyskretne, ze zbioru przeliczalnego)

12. sygnał analogowy sygnał cyfrowy

13. Sygnał w kanale telekomunikacyjnym – w trakcie przesyłu - analogowy (ciągły) - dolnopasmowy lub środkowopasmowy - cyfrowy

14. Reprezentacja sygnałów Podział: • sygnały okresowe i nieokresowe • okresowy: g(t)=g(t+T0) T0– okres • sygnały deterministyczne (nie istnieje niepewność co do wartości) i stochastyczne (pewien stopień niepewności)

15. Reprezentacja sygnałów szeregiem Fouriera Przewyższa wszystkie inne metody Rozkład sygnału okresowego na składowe sinusoidalne: f(t)= + a1sint + b1cost +... + a2sin2t + b2cos2t +... + a3sin3t + b3cos3t +...

16. Definicje współczynników szeregu Fouriera

17. f(t) 1 t 1 2 Przykład transformacji Fouriera okres T=2

18. ...obliczamy kolejne współczynniki: itd., ostatecznie

19. superpozycja składowych

20. Użyteczność analizy Fouriera opiera się na zasadzie, że odpowiedź systemu na wymuszenie sinusoidalne jest także sinusoidalna, pod warunkami: • System jest liniowy – spełnia zasadę superpozycji - jeżeli na wymuszenia x1(t) i x2(t) układ odpowiada sygnałami y1(t) i y2(t) to system jest liniowy jeśli na wymuszenie a1x1(t)+a2x2(t) odpowie sygnałem a1y1(t)+a2y2(t) • System jest stacjonarny • jeżeli na wymuszenie x(t) układ odpowiada sygnałem y(t) to system jest stacjonarny jeśli na wymuszenie x1(t – t0) odpowie sygnałem y1(t – t0)

21. f(t) t t Także sygnały ciągłe można próbkować – dzielić na przedziały i w każdym wyznaczać widmo Fouriera Zwykle przybliżenie – do n-tej składowej

22. Układ (system) – urządzenie generujące sygnał wyjściowy w odpowiedzi na sygnał wejściowy wymuszenie - odpowiedź x(t) y(t) Układ

23. System jest liniowy – spełnia zasadę superpozycji • jeżeli na wymuszenia x1(t) i x2(t) układ odpowiada sygnałami y1(t) i y2(t) to system jest liniowy jeśli na wymuszenie a1x1(t)+a2x2(t) odpowie sygnałem a1y1(t)+a2y2(t) x1(t) y1(t) y (t) t t x2(t) y2(t) t t t

24. x1(t) y1(t) t t x1(t-t0) y1(t- t0) t t • System jest stacjonarny • jeżeli na wymuszenie x(t) układ odpowiada sygnałem y(t) to system jest stacjonarny jeśli na wymuszenie x1(t – t0) odpowie sygnałem y1(t – t0)

25. (t) t delta Diraca Systemy liniowe opisuje się w dziedzinie czasu przez tzw. odpowiedź impulsową h(t) – odpowiedź na wymuszenie delta Diraca. • zerowa amplituda z wyjątkiem t=0 gdzie osiąga nieskończoność • powierzchnia pod funkcją jest równa 1

26. Delta Diraca wywodzi się z funkcji Gaussa

27. dc (f) t f Wykorzystanie funkcji Diraca widmo częstotliwościowe sygnału stałoprądowego

28. x(t) y(t) h(t) Odpowiedź impulsowa układu h(t) (t) wymuszenie odpowiedź t t 0 (t) h(t)

29. f Zwielokrotnienie w dziedzinie czasu - TDM – Time Division Multiplexing "szczeliny czasowe" t t f Zwielokrotnienie w dziedzinie częstotliwości - FDM f t

30. Modulacja Cel:dostarczenie wiadomości modulacja - przekształcenie sygnałuw nadajniku dla transmisji przez kanał demodulacja – odtworzenie przez odbiornik – zazwyczaj w gorszej jakości – szumy i zniekształcenia Modulacją nazywamy proces przemieszczania informacji (rodzaj kodowania informacji). Demodulacją nazywamy proces dekodowania, czyli przywracania sygnałowi jego pierwotnego kształtu.

31. Modulacją w technice nazywa się celowy proces zmiany parametrów fali umożliwiający przesyłanie informacji (komunikację), aby sygnał nadawał się do transmisji przez sieć telekomunikacyjną - medium: przewody miedziane, światłowody, powietrze i próżnia. Cel: Ograniczenie szumów, zniekształceń – informacja po przesłaniu musi być na tyle poprawna, aby można z niej uzyskać użyteczne dane. Jeżeli komunikacja ma charakter dwustronny, to jedno urządzenie dokonuje równocześnie modulacji nadawanych sygnałów i demodulacji tych, które odbiera (modulator-demodulator w skrócie modem).

32. Podstawowe typy modulacji • analogowa (zwana też ciągłą)(zamiana sygnału na analogowy) • impulsowa (zamiana sygnału na cyfrowy) • cyfrowa (kluczowanie)

33. phase frequency

34. Modulacja analogowa • Sinusoida jako fala nośna: a sin (t +0) •  =f – częstotliwość •  - częstość • a- amplituda • modulacja amplitudy (np. AM) – zmiana amplitudy w takt sygnału informacyjnego • modulacja kąta - zmiana argumentu • częstotliwości - f – FM • fazy – 0 - PM

35. ! AM FM PM

36. Można też modulować amplitudowo sygnał analogowy Modulacja amplitudy jest nieekonomiczna ze względu na moc. Strata mocy przy przesyle fali nośnej. Modulacja amplitudy jest nieekonomiczna ze względu na szerokość pasma.

37. Podtypy modulacji amplitudowej • DSB-LC (inaczej AM) (ang. Double-Sideband Large Carrier) - modulacja dwuwstęgowaznośną • DSB-SC (ang. Double-Sideband Suppressed Carrier) - modulacja dwuwstęgowaz wytłumioną nośną • SSB (ang. single-sideband modulation) - modulacja jednowstęgowa (może to być wstęga górna lub dolna) • VSB lub VSB-AM (ang. vestigial-sideband modulation) - modulacja amplitudy z częściowo tłumioną wstęgą boczną

38. Dla różnych częstotliwości fali nośnej - Multipleksacja FDM 1 4 kHz f gęstość mocy 2 4 kHz f multiplekser 4 kHz 4 kHz 4 kHz 4 kHz f 1 2 3 4 3 każdy z 4 sygnałów akustycznych ma swoją częstotliwość nośną 4 kHz f 4 f 4 kHz

39. Modulacja impulsowa • analogowa • modulacja amplitudy impulsów – PAM • modulacja gęstości impulsów – PDM • modulacja położenia impulsów – PPM • cyfrowa • modulacja impulsowo-kodowa - PCM

40. Modulacja impulsowa (sygnału analogowego) sygnał analogowy czas PAM amplituda (próbkowanie) – zbiór amplitud ciągły pulse amplitude czas PWM szerokość pulse width czas PDM gęstość impulsów pulse density czas

41. 01010110111101111111111111111111110111111011011010101001001000000100000000000000000000010000100101010101011011110111111111111111111111011111101101101010100100100000010000000000000000000001000010010101 PDM – 1 okres funkcji sinusoidalnej opisany 100 bitami

42. PWM (szerokość) dla sygnału cyfrowego zegar 0 1 2 3 4 5 2 0 1 2 0 4 dane wyjście

43. 1 2 multiplekser 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 itd 3 4 Multipleksacja PAM próbka t

44. czas 3 2 1 0 01 10 11 11 10 10 01 01 01 10 10 10 01 00 Modulacja impulsowo-kodowaPCM "pulse – code modulation" Reeves –1937 - podobna do modulacji amplitudy PAM,leczamplituda jest „skwantowana” – zaokrąglona do najbliższej wartości ze skończonego zbioru wartości - przybliżenie! sygnał PCM 2 bity „paczka”

45. 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 0 PCM - 4 bity (16 poziomów)

46. Im większa liczba poziomów kwantowania – tym lepiej odwzorowany sygnał Modulacja impulsowo-kodowa PCM preferowana z powodów: • odporność na szumy • elastyczne działanie • różne rodzaje informacji – tekst, mowa, obraz • możliwość zabezpieczenia - szyfrowanie

47. Jeszcze modulacja cyfrowa – kluczowanie • najstarsza (np. kodowanie Morse'a) • QAM • FSK • PSK • ASK Dzięki separacji sygnałów w częstotliwości lub w czasie (a w najnowszych systemach także w przestrzeni) przez jeden kanał możliwa jest jednoczesna transmisja wielu sygnałów.

48. PCM – zawiera 4 procesy • filtrowanie • próbkowanie • kwantyzacja • kodowanie standard G.711

49. 1 etap FILTROWANIE • Izolacja częstotliwości, którymi jesteśmy zainteresowani • Głos - pasmo 3100Hzpomiędzy 300Hz a 3400 Hz • niska częstotliwość – bas • wysoka częstotliwość – sopran • Filtrowanie – wyłączenie częstotliwości poniżej 300 i powyżej 3400 Hz Dla wyliczeń częstotliwości próbkowania przyjmuje się 4 kHz

50. 2 etap PRÓBKOWANIE Nyquist – dyskretyzacja głosu - 1928 Próbkowanie – pomiar amplitudy analogowego kształtu fali w regularnych (równych) odstępach czasu. Obliczenie kiedy próbkować – twierdzenie Nyquista-Shannona (Kotielnikowa?) .... Sygnał ciągły może być ponownie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od najwyższej granicznej częstotliwości swego widma. czyli...Próbkować trzeba z co najmniej 2-krotną częstotliwością niż najwyższa częstotliwość podlegająca transmisji – w przypadku częstotliwości akustycznej (VF – Voice frequency) – więc 4kHz x 2= 8000 razy na sekundę= 8kHz