1
Jacek Jarnicki - Politechnika Wrocławska 1
Transmisja cyfrowa
(wprowadzenie do tematu)
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 2
1. Systemy transmisji danych – ogólna charakterystyka
2. Zakłócenia jako źródło błędów w transmisji
3. Transmisja przewodowa
4. Transmisja bezprzewodowa
5. Przykład systemu transmisji danych – telewizja cyfrowa
Plan wykładu
2
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 3
Media służące do przesyłania danych:
• prąd elektryczny (przewód metalowy)
• fala elektromagnetyczna (powietrze, próżnia)
• światło (ośrodek przezroczysty)
1. Systemy transmisji danych cyfrowych –
ogólna charakterystyka
101… 001…
dane nadawane
101… 011…
dane odbierane
koder,
nadajnik
dekoder,
odbiornik
kanał
transmisyjny
losowe zakłócenia
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 4
Powstawanie zakłóceń w kanale transmisyjnym:
• transmisja przewodowa – pole elektromagnetyczne (przewód działa jak antena)
• transmisja bezprzewodowa - pole elekromagnetyczne (w kanale pojawiają się sygnały z innych źródeł )
2. Zakłócenia jako źródło błędów w transmisji
Podstawowe parametry kanału transmisyjnego:
• stosunek sygnału do szumu
• szerokość pasma
3
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska5
Stosunek sygnału do szumu (Signal-to-noise ratio) :
SNR=𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒[dB]
s(t)
t
s(t)
t
s(t)
t
sygnał bez zakłóceń
SNR - duży SNR - mały
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska6
Pasmo przenoszenia (Bandwidtch) :
sygnał przed przejściem przez kanał
Zakres częstotliwości, w którym tłumienie sygnału jest nie większe niż 3 dB.
Analiza widmowa
s(t)
t
s(t)
t
s(t)
t
sygnał po przejściu przez kanał (szerokie pasmo)
sygnał po przejściu przez kanał (wąskie pasmo)
W transmisji przewodowej pasmo wynika z konstrukcji przewodu. W transmisji radiowej pasmo jest przydzielane na podstawie odpowiedniego prawa (kanał)
4
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 7
Przewody służące do przesyłania sygnałów działająniestety jak anteny, w efekcie czego do transmitowanychsygnałów dodają się sygnały zakłócające, powstającew wyniku oddziaływania pola elektromagnetycznegowystępującego wokół przewodu.
3. Transmisja przewodowa
Stosuje się różne sposoby redukcji zakłóceń:
• skręcanie żył (skrętka)
• specjalne konstrukcje przewodów (przewód koncentryczny)
• ekranowanie
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 8
Przykład – transmisja różnicowa (differential transmission)
Wynalazca - Alexander Graham Bell (1881)
Skręcenie żył wywołuje silniejsze sprzężenie elektrycznei magnetyczne pomiędzy przewodami, co pozwala nasilniejsze powiązanie zakłóceń pojawiających sięw poszczególnych żyłach. Pomysł pozwala na zbudowaniesystemu transmisji różnicowej
skręcone cztery pary przewodów
5
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 9
Transmisja różnicowa – zasada działania
• zakłócenia są efektywnie usuwane
• zmniejszona jest jednak szerokość pasma
s(t)
+
-
s(t)
- s(t)
z(t)
s(t) + z(t)
- s(t) + z(t)
s(t) + z(t) – (-s(t) + z(t)) =
2s(t)
-
2s(t)
skrętka
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 10
Transmisja różnicowa – praktyczne rozwiązanie w systemietransmisji sygnału audio
• DRV134 - AUDIO BALANCED LINE DRIVER (BURR – BROWN), (TEXAS INSTRUMENTS)
• INA134 - AUDIO DIFFERENTIAL LINE RECIVER (BURR – BROWN), (TEXAS INSTRUMENTS)
6
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 11
Pole elektromagnetyczne - układ dwóch pól, elektrycznego
i magnetycznego
4. Transmisja bezprzewodowa
Przepływ prądu zmiennego w przewodzie powoduje
powstanie pola elektromagnetycznego i fali
elektromagnetycznej.
Fala elektromagnetyczne - rozchodzące się (z prędkością
światła) zaburzenie pola elektromagnetycznego
𝐹 = 𝑞 𝐸 + 𝑣 × 𝐵
Umieszczenie przewodu w zmiennym polu
elektromagnetycznym powoduje pojawienie się
w przewodzie prądu zmiennego
Równania Maxwella – 1861 (cztery równania)
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 12
Fale radiowe – fale elektromagnetyczne o częstotliwości od
3 kHz do 3 THz
Nazwa Częstotliwość Długość fali
Długie (LF) 30 - 300 kHz 10 - 1 km
Średnie (MF) 300 - 3000 kHz 1 km – 100 m
Krótkie (HF) 3 - 30 MHz 100 – 10 m
Ultrakrótkie (VHF) 30 - 300 MHz 10 – 1 m
Decymetrowe (UHF) 300 - 3000 MHz 1 m – 10 cm
Centymetrowe (SHF) 3 - 30 GHz 10 cm – 1 cm
Milimetrowe (EHF) 30 - 300 GHz 10 mm – 1 mm
Submilimetrowe (THF) 300 - 3000 GHz 1 mm – 1 μm
𝜆 =𝑐
𝑓𝜆[𝑚] =
300
𝑓[𝑀𝐻𝑧]
7
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 13
Zastosowanie fal radiowych
Nazwa Zastosowanie
Długie (LF) Radio, wzorce czasu
Średnie (MF) Radio, nawigacja, żegluga, lotnictwo
Krótkie (HF) Radio, łączność (duże odległości)
Ultrakrótkie (VHF) Radio, telewizja, łączność (małe odległości)
Decymetrowe (UHF) Telewizja, telefonia komórkowa, sieci Wi-fi
Centymetrowe (SHF) Radar, kuchenki mikrofalowe, komunikacja satelitarna
Milimetrowe (EHF) Badania naukowe, astronomia,obronność
Submilimetrowe (THF) Medycyna, obronność, przemysł
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 14
Transmisja radiowa – jak działa system transmisji ?
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑
amplituda częstotliwość faza
generatorfali
nośnej
wzmacniaczfiltr
pasmowywzmacniacz
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑
antena nadawcza antena odbiorcza
𝜔 = 2π𝑓
𝑓0 ≈ 𝑓
8
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 15
Anteny – konstrukcja i wielkość anteny zależy od częstotliwości
transmitowanego sygnału (duża częstotliwość – mała antena)
dwa przykłady konstrukcji anten:
telefon komórkowy zawiera kilka anten
antena krótkofalowa (Duga, Russian Woodpecker, 1976 - 1989), f = 7 do 19 MHz, P = 10 MW,wymiary anteny 150 x 500 m
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 16
Modulacja – nanoszenie transmitowanego sygnału s(t) na
falę nośną
𝑓 𝑡 = [𝐴 + 𝑠(𝑡)]𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋[𝑓 + 𝑠(𝑡)] ⋅ 𝑡 + 𝜑
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑[𝑠(𝑡)]
Modulacja amplitudy (AM)
Modulacja częstotliwości
(FM)
Modulacja fazy (PM)
generatorfali
nośnej
modulatorfiltr
pasmowydemodulator
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑
antena nadawcza antena odbiorcza
𝑠(𝑡) 𝑓0 ≈ 𝑓
𝑠(𝑡)
sygnałzmodulowany
9
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 17Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska
Wektor wiruje wokół środka
układu współrzędnych
z prędkością ω
(stan w chwili t = 0 )
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-1
-0.5
0
0.5
1
T = 1/ω
A
φ
U0
φω
Wykresy wskazowe – idea prezentacji przebiegów
harmonicznych
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓 ⋅ 𝑡 + 𝜑
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 18
Modulacja sygnałami cyfrowymi – stosuje się różne
sposoby modulacji
fala nośna - Acos(ωt)
modulator
PSK
antena
1 0 1… 0 0 1…
φPSK
dane
sygnał
zmodulowany
Modulacja PSK - Phase Shifting Keying
Modulacja PSK polega na modyfikowaniu fazy fali nośnej
w zależności od wartości transmitowanych bitów danych
10
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 19
Modulacja BSK
Najprostszy przypadek modulacji PSK - modulacja BSK
(Binary Phase-Shift Keying). Algorytm modulacji polega na
przesuwaniu fazy sygnału fali nośnej według reguły opisanej
wzorem:
0
1
0
0
jestkodowanegdytcosU
jestkodowanegdytcosU
BSK
Fala nośna zmodulowana sygnałem „1” Fala nośna zmodulowana sygnałem „0”
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 20
0 1
Wykres wskazowy ilustrujący ideę
modulacji BPSK
Demodulator (w odbiorniku) ustala dla
każdego kolejnego okresu odebranego
sygnału, przesunięcie fazowe i podejmuje
decyzję czy odebrano „0”, czy „1”.
Modulacja QPSK
Ideę modulacji fazy można rozszerzyć. W ten sposób
można zbudować system pozwalający na transmisję
większej liczby bitów (2, 3, 4, itd..) podczas przebiegu
jednego okresu fali nośnej. Zwiększa to szybkość
transmisji, lecz zmniejsza podatność na zakłócenia.
ω
11
(0,0) (1,0)
(0,1) (1,1)
Problemy:
• Ile bitów można skutecznie przesłać w trakcie jednego okresu fali
nośnej ?
• Czy przesyłaną informację można efektywniej zakodować
używając także innego parametru fali nośnej, na przykład
amplitudy A ?
Wykres wskazowy ilustrujący ideę modulacji
QPSK (jeden okres fali nośnej pozwala na
jedoczesną transmisję dwóch bitów).
• przesunięcie π/4 - (1,0)
• przesunięcie 3·π/4 - (0,0)
• przesunięcie 5·π/4 - (0,1)
• przesunięcie 7·π/4 - (1,1)
ω
Przykładowe systemy modulacji cyfrowej
64QAM 256QAM
12
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 23
5. Przykład systemu transmisji danych –
telewizja cyfrowa
Technologia kodowania, transmisji i odbioru sygnału
telewizyjnego w postaci cyfrowej.
Telewizja cyfrowa dzięki zastosowaniu algorytmów
kompresji obrazu i dźwięku (MPEG-2, MPEG-4) pozwala
przesłać od 4 do 10 razy więcej programów telewizyjnych
niż w przypadku telewizji analogowej dla pasma (kanału)
o podobnej szerokości.
Telewizja cyfrowa udostępnia użytkownikowi szereg
dodatkowych funkcji:
informację opisową o dostarczanych programach (EPG),
automatyczne wyszukiwanie programów,
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 24
możliwość wyboru wersji językowej (kilka kanałów
dźwiękowych)
wyświetlanie napisów,
kodowanie programów (telewizja płatna),
inne (interakcja, blokada kanałów).
Sygnał
videoKompresja
video
Kompresja
audio
Sygnał
audio
Dane Dane
Skompresowany
sygnał video
Skompresowany
sygnał audio
Telewizja cyfrowa mogła powstać dzięki opracowaniu
efektywnych algorytmów kompresji danych.
13
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 25
Telewizja analogowa a telewizja cyfrowa - porównanie
Telewizja
analogowa
Telewizja
cyfrowa
Standardy NTSC, PAL, SECAM DVB, ATSC, ISDB
Liczba
programów 1 program na kanał Do 10 programów na kanał
Jakość Zadowalająca Wysoka (HDTV, dźwięk
przestrzenny itd.)
Odporność
na zakłócenia
Niezbyt duża, sygnał
bardzo podatny na
różnego rodzaju
zakłócenia
Znaczna, sygnał w dużym
stopniu zabezpieczony przed
zakłóceniami powstającymi
w torze transmisyjnym
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 26
Kompresja
i kodowanie
Multiplekser
Sygnał
video
Kompresja
i kodowanie
Sygnał
audio
Dane sterujące
Dane dodatkowe
TransportKodowanie
kanałowe Modulacja
MPEG-2
DVB-S
DVB-T
3. Kodowanie dla potrzeb transmisji
DVB-C
14
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 27
DVB-S – standard nadawania sygnału satelitarnego telewizji
cyfrowej, (European Telecommunication Standard
Organization, ETS Document ETS 300 421 )
Ogólny schemat procesu kodowania sygnału w nadajniku
Dane
MPEG-2
Randomizacja
danych Kodowanie
zewnętrzne Przeplot
Kodowanie
wewnętrzne
Kształtowanie
sygnału Modulacja
QPSK
Kanał
transmisyjny
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 28
Blok 1: Randomizacja danych (scrambling)
Strumień danych z kodera MPEG-2 składa się z pakietów
o długości 188 bajtów. Pakiety poddaje się tzw. randomizacji
aby rozproszyć energię sygnału i zabezpieczyć przed
wysyłaniem pozornie niemodulowanej fali nośnej.
Algorytm randomizacji polega na sumowaniu modulo 2
kolejnych bitów strumienia wejściowego z bitami sekwencji
pseudolosowej o długości 1503 bajtów. Sekwencja losowa
tworzona jest przy pomocy zdefiniowanego w normie DVB
wielomianu.
15
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 29
Zasada działania układu randomizacji
01 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1
A V D T V D T V A
Pakiety MPEG-2 – ciąg zer i jedynek
exor
exor
Generator pseudolosowy
188 B
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 30
Blok 2: Kodowanie zewnętrzne (outer coding)
Dane uzyskane w wyniku procesu randomizacji koduje się
przy pomocy skróconego kodu Reeda-Solomona
(RS 204,188, 8). W efekcie z pakietu o długości 188 bajtów
powstaje pakiet składający się ze 204 bajtów.
Dodatkowa informacja dołączona w wyniku kodowania
zewnętrznego pozwala na poprawienia do 8 błędów
w pakiecie o długości 188 bajtów.
Zasada działania kodera Reeda-Solomona (przykład)
Przesyłane są trzy bajty: 02 11 13
Algorytm R-S uzupełnia ciąg o dwa bajty: 02 11 13 26 63
S1= 02+11+13 = 26
S2= 02*1+11*2+13*3 = 63
16
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 31
Podczas transmisji nastąpił błąd: 02 11 13 26 63
13
Oblicza się sumy: S1= 02+13+13 = 28
S2= 02*1+13*2+13*3 = 67
Następnie wyznaczane są:
Wartość błędu = 28 – 26 = +2
Pozycja błędu = (67 – 63)/2 = 2
Rezultat:
Liczbę na pozycji 2 (13) należy skorygować odejmując wartość błędu
(2), czyli po korekcji i usunięciu dodanych bajtów odbiornik zarejestruje
ciąg
02 11 13
Jest to dokładnie ten sam ciąg, jaki został wysłany z nadajnika.
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 32
Blok 3: Przeplot (interleaving)
Splotowy przeplot bajtów strumienia o głębokości I =12.
Realizacja algorytmu następuje w 12 gałęziach
stanowiących rejestry przesuwne FIFO o długości 17 bajtów
każdy. Razem długość rejestrów wynosi 17*12 = 204.
Kolejne rejestry różnią się opóźnieniem od 0 do 11*17.
Dane ze strumienia wejściowego podawane są za pomocą
przełącznika na kolejne gałęzie układu. Pierwszy bajt pakietu
jest zawsze podawany na gałąź o zerowym opóźnieniu.
Przeplot zwiększa podatność na korekcję błędów grupowych.
17
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 33
Po co wykonywać przeplot ?
AD N E - P R Z E S Y Ł A N E
Ciąg danych przewidziany do transmisji
Bez przeplotu:
Nadane: AD N E - P R Z E S Y Ł A N E
Błędy
AD N E - P R Z E S Y Ł A N E
Błędy
Odebrane: AD N E - P R Z E S Y Ł A N E
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 34
Z przeplotem:
Błędy
Nadane: ND P S N A Z Ł A E - E Y R E
Błędy
Dane po wykonaniu przeplotu
Błędne dane zostały rozłożone w czasie bardziej
równomiernie. Ułatwia to korekcję błędów.
AD N E - P R Z E S Y Ł A N EOdebrane:
Dane odtworzone (odwrócona operacja przeplotu)
18
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 35
Blok 4: Kodowanie wewnętrzne (inner coding)
Kodowanie splotowe. W zależności od wymagań
transmisyjnych istnieje możliwość użycia kodu o różnych
tzw. sprawnościach. → Literatura
Blok 5: Kształtowanie sygnału w paśmie podstawowym
(baseband pulse shaping)
Zakodowanie wejściowego strumienia danych kodem
Gray`a (poszczególne słowa kodu różnią się tylko na
jednym miejscu) i filtracja impulsów tak utworzonego
sygnału przy pomocy filtru o odpowiedniej charakterystyce.
W ten sposób są kształtowane zbocza impulsów sygnału
przed modulacją.
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 36
1,1x,xdla47tcosU
1,0x,xdla45tcosU
0,0x,xdla43tcosU
0,1x,xdla4tcosU
210
210
210
210
QPSK
Blok 6: Modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
Dla poszczególnych par bitów reprezentowanych przez
sygnały wytworzone w poprzednim bloku, następuje
modulacja fali nośnej. Sygnał na wyjściu modulatora
formowany jest według zależności:
19
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 37
0 1 2 3 4 5 6-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5 6-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5 6-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5 6-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
(1,0) (0,0) (0,1) (1,1)
I
Q
(0,0) (1,0)
(0,1) (1,1)
Q
(1,0)
zakłócenie
Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska 38
Konstelacja – obraz sygnału rzeczywistego zmodulowanego
QPSK
(1,0)(0,0)
(0,1) (1,1)