Multimedia- och kommunikations-system, lektion 1 Föreläsningsmaterialet är författat av Magnus Eriksson, Nayeb Maleki och Iskra Popova. Bilder är även hämtade från läroböcker av Halsall och Forouzan.

Kursuppläggning Kurslitteratur: Fred Halsall, ”Multimedia Communications – Applications, Networks, Protocols and Standards” Kurswebbplats: webct.miun.se. Prioritera räkneuppgifter Tre laborationstillfällen Tre hemuppgifter som förberedelse inför labbarna Tentamen: Ta med miniräknare och handskriven formelsamling – eller lär er utantill.

Aktuella multimediala kommunikationstjänster Broadcastingtjänster: Analog och digital radio och TV, IP-TV, bredbands-TV Video-on-demand, Movie-on-demand Interaktiv TV Peer-to-peer-tjänster Interaktiva multimediala presentationer. Hypermedia, www. IP-telefoni Voice-over-IP Videokonferenser Messenger-tjänster Computer-telephony-integration (CTI)

Data- och telenät

Punkt-till-punkt-förbindelser Nivå 6 2 1 7 Mikrofon Högtalare Källkodning Källavkodning Digitalisering, komprimering 0110 Felhantering Lägger till fel- rättande eller felupptäckande kod, t.ex. checksumma. Felupptäckt och omsändning, eller felrättning 0100010 Bitfel 0110010 NACK Flödesstyrning Buffert Handskakning 0110010 ACK Modulation Demodulation Elektrisk representation

OSI:s referensmodell Exempel: SMTP, HTTP TCP IP Ethernet

FIgure 5.2a) Evolution of the TCP/IP reference model

Figure 5.14: Common protocols

Figure 5.2b) Application of the TCP/IP reference model

Figure 5.3a) Protocol layer interactions

Figure 5.2 b) End-to-end communications

Multiplex-metoder Flera logiska kanaler på samma medium FDM = Frequency Division Multiplex = frekvens- delning (Flera frekvenskanaler) TDM = Time Division Multiplex = Tidsdelning. (Cykliskt återkommande tidluckor i en ram) Statistisk multiplex. (Paket- förmedling.)

Krets- och paketförmedling Kretskoppling Exempel: Telefonnätet. ISDN=Integrated Service Digital Network, Ursprunglig GSM. Förbindelseorienterat. Frekvensdelnings- (FDMA) eller tidsdelningsmultiplex (TDMA). + Bra för realtidskommunikation dvs synkrona tjänster, t.ex. telefonsamtal och videokonferenser. + Konstant tidsfördröjning. .- Låg datahastighet (bit per sekund) för varje användare. - Begränsat antal samtidiga användare (kanaler). Övriga får upptaget eller spärr. - Det tar tid att koppla upp. - Oanvänd kapacitet mellan dataöverföringar. Paketförmedling Exempel: Internet (IP) X.25 ATM LAN, WLAN Mobilsystemens GPRS-tjänst. Förbindelsefritt (IP) eller förbindelseorienterat (X.25, frame relay och ATM) Statistisk multiplex. + Bra för asynkrona tjänster, t.ex. för filöverföring och e-post. + Hög maximal datahastighet + Effektivt utnyttjande av kapaciteten. + Det blir aldrig upptaget. - Tidsfördröjningen blir lång och datahastigheten låg vid många användare.

Figure 1.18 a) Unicast communication modes

Figure 1.18 b) Broadcasting c) Multicasting

LAN-topologier 1. Stjärnnät, t.ex. ATM (Växlat nät, dvs flera punkt-till-punkt-länkar). 2. Bussnät, t.ex. Ethernet. (Broadcastnät.) Se animeringar. 3. Ringnät, t.ex. Token Ring och FDDI. (Broadcastnät). Se animering. 4. Hubnät = Fysiskt stjärnnät men logiskt buss- eller ringnät, fysiskt stjärnnät (dvs broadcastnät). Hub=nätnav.

LAN, MAN och WAN

Nättopologier för WAN Växlat WAN (stjärnnät) T.ex. X.25 eller ATM Hopkopplade LAN och WAN = internetwork T.ex. Internet. Nätnoder: Växel. Kopplar ihop punkt-till-punkt-länkar. Router=vägväljare, kopplar ihop LAN. (Brygga och Repeater kopplar ihop LAN-segment.) Datorer, terminaler, skrivare, etc.

Datakommunikationstjänster Klassiska LAN-tjänster Fjärrinloggning Skrivardelning Fildelning Databasservrar och andra applikationsservrar Säkerhet (inloggning, mm) Central övervakning och drift. WAN-tjänster E-post Filöverföring Www Konferenssystem

Kategorisering av tjänster och protokoll Connection oriented = uppkopplade eller fasta Connectionless = förbindelsefria Reliable = tillförlitliga Kvitterade T.ex. TCP, Telnet, FTP T.ex. E-post. Unreliable Okvitterade Datagram T.ex. IP och UDP T.ex. ATM, telefoni.

Synkron och asynkron seriekommunikation Asynkron kommunikation: Startbitar och stoppbitar och eventuell paus mellan varje ord. Ordlängden är vanligen 7 eller 8 bitar. Ofta har man en udda eller jämn paritetsbit efter varje ord. Exempel är RS232 = EIE232 = V.24. + Fördel: Enkel teknik. - Nackdel: Bandbredd ”slösas” på start- och stoppbitar. Synkron seriekommunikation: Antingen separat ledning med bitsynkroniseringssignal, eller så sänder man långa block eller ramar av bitar, som innehåller ramsynkronisering och bitsynkronisering.

Figure 1.17: Multimedia technology classification

Informationsmängd N bit kan representera 2N alternativa värden eller koder. Ex: ASCII-kodens 7 bitar kan representera 27 = 2·2 ·2 ·2 ·2 ·2 ·2 = 128 tecken. En kod som kan anta M alternativa värden har informationsmängden Ex: ISO-latinkodens 256 tecken kräver 2log 256 = 8 bit per tecken.

TCP/IP-modellen TCP IP Ethernet

Att digitalisera bilder Exempel: Rastergrafikrepresentation, dvs. bitmappade bilder. 2 nyanser kräver 1 bit per pixel. Totalt krävs 5 ·5 pixels ·1 bit per pixel = 25 bit per bild.

Exempel: Beräkna informationsmängden. 13x15 pixels och 256 färger 206x233 pixels och 16 färger 206x233 pixels och 256 färger 13x15x8bit = 1560bit bitmappad bild 206x233x4bit = 192000bit bitmappad bild 206x233x8bit = 384000bit bitmappad bild

Att komprimera bilder Vanliga filformat för stillbilder: 8,3kByte vid BMP = Bitmapp. GIF = Graphical Interchange Format JPEG = Joint Photographics Expert Group. (Vårt exempel: 50kbyte.) (Vårt exempel: 28kByte.) 8,3kByte vid 25% distorsion 2,0kByte vid 95% distorsion

Växelspänning Periodtid T = t2 - t1. Enhet: s. Frekvens f = 1/T. Enhet: 1/s=Hz. T=1/f. Amplitud Û. Enhet: Volt. Fasläge: 0 i ovanstående exempel. Enhet: Grader eller radianer.

Att digitalisera ljud Nästan sinusformat ljud med periodtid T = Microfon- membranets läge Tid Viloläge 3 mm bakom 2 mm framför T = 0,4ms 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms Ts = 0,1ms Nästan sinusformat ljud med periodtid T = 0.4ms och frekvens f = 1/T = 2500 Hz = 2,5kHz. Samplingsperiod T s = 0.1ms , dvs samplingsfrekvens f = 1/T = 10000 sampels/sek = 10kHz . Kvantisering (=avrundning) till 8 värden. Digitalisering ger 3 bit per värde: 101 000 010 110 000.

Sifferexempel från PSTN = publika telefonnätet: PCM = Pulse Code Modulation = Digitalisering av analoga signaler och seriell överföring Sifferexempel från PSTN = publika telefonnätet: 011011010001... 1 AD-omvand- lare med seriell utsignal DA- omvandlare Antiviknings- filter Sampler Interpola- tionsfilter Högtalare Mikrofon 8 bit per sampel dvs 64000 bps per tfnsamtal 28 = 256 spänningsnivåer 3400- 4000Hz filter 8000 sampels per sek

Exempel En 6 sekunder lång ljudinspelning digitaliseras. Hur stor är inspelningens informationsmängd? a) 22000 sampels/sekund, 256 kvantiseringsnivåer. b) 22000 sampels/sekund, 16 kvantiseringsnivåer. c) 5500 sampels/sekund, 256 kvantiseringsnivåer. 22000sampels * 6 s * 8 bit = 1056000bit. 22000sampels * 6 s * 4 bit = 528000bit. 5500sampels * 6 s * 8 bit = 264000bit.

f < fs/2 Samplingsteoremet Den högsta frekvens som kan samplas är halva samplingsfrekvensen. Om man samplar högre frekvens än fs/2 så byter signalen frekvens, dvs det uppstår vikningsdistorsion (aliasing). För att undvika vikningsdistorsion så har man ett anti-vikningsfilter innan samplingen, som tar bort frekvenser över halva samplingsfrekvensen. Interpolationsfiltret används vid rekonstruktion av den digitala signalen för att ”gissa” värden mellan samplen. Ett ideal interpolationsfilter skulle kunna återskapa den samplade signalen perfekt om den uppfyller samplingsteoremet. I verkligheten finns inga ideala filter. Följdregel: Nyqvist’s sats säger att max datahastighet = 2B2log M, där M är antal nivåer, och B är signalens bandbredd, oftast lika med signalens övre gränsfrekvens.

Distorsion i ledningar Ledningens övre och undre gränsfrekvens fmax resp fmin. Ledningens kapacitet = max datahastighet är proportionell mot dess bandbredd B = fmax - fmin. Ofta är fmin nära noll, och därför B = fmax. Brus p.g.a. överhörning, termiskt brus, störningar från radiosändare, motorer, mm. Ledningsreflektion. Se animering! Distorsion kan motverkas med basbandsmodulation eller modulation, samt med kodning.

Duplex och simplex Simplex = enkelriktad kommunikation. Full duplex = dubbelriktad kommunikation, t.ex. över seriell 4-trådsförbindelse. (Kan vara möjligt över 2-trådsförbindelser utan reflektion.) Halv duplex = en riktning i taget.

Kabeltyper för Ethernet VIKTIGT! 10BASE5=Tjock Ethernet, 10Mbps, 500m avstånd, koaxial. 10BASE2=Tunn Ethernet, 10Mbps, 200m, koaxial. 10BASE-T, 10Mbps, 100m, TP=Tvinnad parkabel, hubnät. 100BASE-T=Fast Ethernet, 100Mbps, 100m, TP, hubnät. 1000BASE-T, 1000Mbps, TP, hubnät.

Kontaktdon för Ethernet

Modulation och demodulation Baudrate = antal symboler per sekund. Enhet: baud eller symboler/sekund. Bitrate = datahastighet. Enhet: bps eller bit/s. Modem = modulator + demodulator + gaffelkoppling (dvs omvandling mellan 2-tråds- och 4-trådskommunikation). Vid många modulationsformer t.ex. s.k. PSK eller QAM är signalens bandbredd = symbolhastigheten.

c) Vad är bithastigheten i bit per sekund (bps)? 0.5 1 -1 time [milliseconds] 00 01 11 10 Exempel 1: Till höger visas fyra symboler som används av ett s.k. 4PSK-modem (PSK=Phase Shift Keying). De fyra symbolerna representerar bitföljderna 00, 01, 11 resp 10. a) Nedan visas utsignalen från det sändande modemet. Vilket meddelande, dvs vilken bitsekvens, överförs? b) Tidsaxeln är graderad i tusendels sekunder. Vad är symbolhastigheten i baud eller symboler/sekund? c) Vad är bithastigheten i bit per sekund (bps)? Svar : 11 00 10 10. Svar: 1/1ms = 1000 symber per sekund = 1kbaud. Svar: 2000bps.

Exempel 2: Nedan visas åtta symboler som används av ett s.k. 8QAM-modem (QAM=Quadrature Amplitude Modulation). Symbolerna i övre raden representerar bitföljderna 000, 001, 011 resp 010 (från vänster till höger). Undre raden representerar 100, 101, 111 resp 110.

Forts exempel 2:

Shannons regel B 2log(1+S/N), Max antal bit per sekund vid bästa möjliga modulationsteknik och felrättande kodning: B 2log(1+S/N), där B är ledningens bandbredd i Hertz (oftast ungefär lika med övre gränsfrekvensen), S är nyttosignalens medeleffekt i Watt och N (noice) är bruseffekten i Watt.