Komunikacijske tehnologije

Kodiranje podataka Data Encoding

Tehnike kodiranja

 Digitalni podaci, digitalni signal  Analogni podaci, digitalni signal  Digitalni podaci, analogni signal  Analogni podaci, analogni signal

Digitalni podaci, digitalni signali

 Digitalni signal  Diskretnu, nekontinuirani pulsevi napona  Svaki puls je element signala  Binarni podaci se enkodiraju u elemente signala

Termini (1)

 Unipolar  Svi elementi signala imaju isti predznak  Polar  Jedno logičko stanje se predstavlja pozitivnim a drugo negativnim naponom  Brzina prijenosa  Brzina prijenosa podataka u bitovima u sekundi bps  Trajanje ili dužina jednog bita  Vrijeme potrebno odašiljaču da pošalje jedan bit

Termini (2)

 Brzina modulacije  Brzina kojom se mijenjaju nivoi signala  Mjeri se u baud = signalni elementi u sekundi  Oznaka i razmak  Binarna 1 i binarna 0

Interpretacija signala

 Potrebno je znati  Kada počinju a kada staju bitovi  Nivoi signala  Faktori koji utječu na uspješnu interpretaciju signala  Odnos signal-šum  Brzina prijenosa  Bandwidth

Usporedba shema za enkodiranje (1)

 Spektar signala  Manje viših frekvencija smanjuje potrebni bandwidth  Bez istosmjerne komponente može se povezati preko transformatora – izolacija  Koncentracija snage signala u sredini bandwith-a  Clocking  Sinkroniziranje odašiljača i prijemnika  Vanjski sat  Sinkronizacijski mehanizam u signalu

Usporedba shema za enkodiranje(2)

 Detekcija greški  Može biti ugrađena u enkodiranje signala  Otpornost na interferenciju i šum  Neki kodovi su bolji od drugih  Cijena i složenost  Veća brzina signala (-> veća brzina podataka)vodi ka višim troškovima  Neki kodovi traže veću brzinu signala od brzine podataka

Sheme za kodiranje

 Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)  Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)  Bipolar -AMI  Pseudoternary  Manchester  Differential Manchester  B8ZS  HDB3

Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

 Dva različita napona za 0 i 1  Napon je konstatan za vrijeme jednog bita  Nema promjena, tj. nema vraćanja na nulu  Np. Nema napona – nula, pozitivni napon 1  Češće, negativni napon za jednu vrijednost a pozitivni za drugu  Ovo je NRZ-L

Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

 Koristi se kod sporih sinkronih i asinkronih veza  Problem kod sinkronizacije (kod nizova istih vrijednosti)  Bandwith od 0Hz sa samo 1 ili 0, do pola brzine prijenosa kod 010101010

Nonreturn to Zero Inverted

 Nonreturn to zero invertiran na jedinicama  Napon je konstantan za vrijem trajanja bita  Podaci se kodiraju kao postojanje ili ne promjene na početku bita  Promjena (low na high ili high na low) označava binarnu jedinicu  Bez promjene označavao 0  FDDI, USB  Primjer:

NRZ

Diferencijalno kodiranje

 Podaci se predstavljaju promjenama a ne nivoima  Puno je pouzdanija detekcija promjene od detekcije nivoa  Kod kompleksnih prijenosnih sustava lako se izgubi osjećaj za polaritet

NRZ prednosti i mane

 Prednosti  Lako za izvesti  Dobro iskorištava bandwith  Mane  Istosmjerna komponenta  Sinkronizacija  Upotrebljava se za magnetske zapise  Rijetko se koristi za prijenos signala

Binarni sa više nivoa

 Upotrjebljava više od dva nivoa  Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)  Nula se predstavlja izostankom signala  Jedinica se predstavlja negativnim ili pozitivnim pulsom  Pulsovi alterniraju u polaritetu  Sinkronizacija lagana kod niza jedinca (nule su i dalje problem)  Nema DC komponente  Niži bandwith  Lakša detekcija greški

Pseudoternary

 Jedan se predstavlja izostankom signala  Nula se predstavlja alternirajućim negativnim ili pozitivnim  Nema prednosti ili mana u odnosu an bipolar AMI  komplement

Bipolar-AMI and Pseudoternary

Nedostaci kod binarnog sa više nivoa

 Nije toliko efikasan kao NRZ  Svaki signalni element predstavlja samo jedan bit  U sistemu sa 3 nivoa mogao bi log 2 3 = 1.58 bits  Prijemnik mora razlikovati tri nivoa signala (+A, -A, 0)  Traži približno 3dB više snage signala za istu vjerojatnost bit error-a

Dvofazno - Biphase

 Manchester  Promjena u sredini trajanja bita  Promjena nam služi i kao sat i kao podatak  Visoko na nisko predstavlja 1  Nisko na visoko predstavlja 0  IEEE 802.3

 diferencijalni Manchester  Promjena u sredini je samo radi sata  Promjena na početku bita predstavlja 0  Bez promjene na početku - 1  IEEE 802.5

Prednosti i mane

 Mane  Barem jedan promjena po bitu, moguće i dvije  Dupla brzina modulacije u odnosu na NRZ  Traži veći bandwith  Prednost  Samo sinkronizacija  Nema istosmjerne komponente  Detekcija greške  Izostanak očekivane transmisije

Modulation Rate

Scrambling

 scrambling - zamjenjuju se sekvence koji daju konstantan napon  S čime?

 Mora biti dovoljno promjena radi sinkronizacije  Mora biti prepoznato od strane prijemnika i zamijenjeno originalom  Iste dužine kao i original  Bez istosmjerne komponente  Bez dužih sekvenci bez signala  Bez opadanja brzine prijenosa podataka  Sposobnost detekcije greški

B8ZS

 Bipolar With 8 Zeros Substitution  Zasnovan na bipolar-AMI  Ako ide niz od 8 nula a prethodni puls je bio pozitivan kodiraj kao: 000+-0-+  Ako ide niz od 8 nula a prethodni puls je bio negativan kodiraj kao: 000-+0+  Dva kršenja AMI koda  Malo vjerojatno da se desi zbog šuma  Prijemnik to detektira i interpretira kao sekvencu sastavljenu od nula

HDB3

 High Density Bipolar 3 Zeros  Baziran bipolar-AMI  1 0 0 0 0 1 1 0 postaje + 0 0 0 V - + 0  1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0  + 0 - 0 0 0 - 0 + - + 0 0 + - + - 0 0 - 0 0  E1

B8ZS and HDB3

Digitalni podaci, analogni Signal

 Javni telefonski sustav  300Hz - 3400Hz  Modem (modulator-demodulator)  Amplitude shift keying (ASK)  Frequency shift keying (FSK)  Phase shift keying (PK)

Tehnike modulacije

Amplitude Shift Keying

 Vrijednosti se predstavljaju različitim vrijednostima amplitude nosioca  Uobičajeno, jedan amplituda je nula  prisustvo odnosno odsustvo nosioca  Osjetljivo na nagli rast signala  Neefikasno  Do 1200bps na telefonskim paricama  Koristi se na optičkim nitima

Frequency Shift Keying

 Vrijednosti se predstavljaju različitim vrijednostima frekvencije (blizu nosioca)  Manje osjetljiv na greške od ASK  Do 1200bps na telefonskim linijama  HF radio  I više frekvencije u LAN-ovi korištenjem koaksijalnog kabela

FSK na telefonskim linijama

Phase Shift Keying

 Faza nosioca se mijenja i prikazuje podatke  Diferencijalni PSK  Faza se mijenja u odnosu na prethodno slanje

Quadrature PSK

 Efikasniji – svaki signalni element predstavlja više od jednog bita  np. promjena od  /2 (90 o )  Svaki element predstavlja 2 bita  Može koristiti 8 faznih kutova i može imati više od jedne amplitude  9600bps koristi 12 kutova , od kojih 4 ima dvije amplitude

Performanse Digital u Analog modulacije

 Bandwidth  ASK i PSK bandwidth direktno vezani uz brzinu  FSK bandwidth vezan u brzinu na nižim frekvencijama, ali manje ovisan na višim frekvencijama  U prisustvu šuma, bit error razina kod PSK i QPSK je ok 3dB bolja od ASK i FSK

Analogni podaci, Digitalni signal

 Digitalizacija  Konverzija analognih podataka u digitalne podatke  Digitalni podaci mogu onda biti slani korištenjem NRZ-L  Digitalni podaci mogu onda biti slani korištenjem drugih kodova osim NRZ-L  Digitalni podaci mogu biti prebačeni u analogni signal  Analogno – digitalna konverzija se obavlja codec-om  Pulse code modulation  Delta modulation

Pulse Code Modulation(PCM) (1)

 Ako se signal uzorkuje brzinom dvaput većom od najviše frekvencije u signalu, u uzorku će biti sačuvana sva informacija originalnog signala  Glas do 4000Hz  8000 uzoraka u sekundi  Analogni uzorci (Pulse Amplitude Modulation, PAM)  Svakom uzorku se dodjeljuje digitalna vrijednost

Pulse Code Modulation(PCM) (2)

 4 bit sistem daje 16 nivoa  Quantized  Quantizing error or noise  Aproksimacija znači da je nemoguće postići original egzaktno  8 bit sistem daje 256 nivoa  Kvaliteta je usporediva s analognom transmisijom  8000 uzoraka u sekundi po 8 bita daje 64kbps

Nelinearno kodiranje

 Kvantizacijski nivou nisu ravnomjerno raspoređeni  Smanjuje distorziju

Delta modulacija

 Analogni ulaz se aproksimira sa stepeničastom funkcijom  Ide gore ili dole (  ) u svakom intervalu uzorkovanja  Binarno ponašanje  Funkcija ide gore ili dole u svakom intervalu

Delta Modulation - example

Delta Modulation - Operation

Delta modulacija

 Dobra reprodukcija glasa  PCM - 128 nivoa (7 bit)  bandwidth za glas 4khz  8000 x 7 = 56kbps PCM US  8000 x 8 = 64kbps PCM EU  Kompresija podataka može popraviti performanse  np. Interframe coding tehnike za video

Analogni podaci, analogni signali

 Zašto modulirati analogni signal?

 Više frekvencije omogućava efikasniju transmisiju  Omogućava frekvencijski multipleks  Vrste modulacije  Amplitudna  Frekvencijska  Fazna

Analog Modulation

Spread Spectrum

 Analogni ili digitalni podaci  Analogni signal  Raspršuje podatke preko šireg bandwidth-a  Otežava ometanje i prisuškivanje  Frequency hoping  Signal se emitira na pseudo slučajnom nizu frekvencija  Direct Sequence  Svaki bit je predstavljen nizom bitova u poslanom signalu  Chipping code