Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 5 Kap 6: Digital transmission. Fysiskt medium. Modulation. Nyquists och Shannons kapacitetsgränser.

En presentation över ämnet: "Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 5 Kap 6: Digital transmission. Fysiskt medium. Modulation. Nyquists och Shannons kapacitetsgränser."— Presentationens avskrift:

1 Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 5 Kap 6: Digital transmission. Fysiskt medium. Modulation. Nyquists och Shannons kapacitetsgränser.

2 Figure 6.7 Sources of signal impairment.

3 Example 6.3

4

5 Asynchronous transmission

6 Example 6.6: Clock rate deviation

7

8 Figure 5.26 Analogue amplitude modulation

9 Figure 5.29 Analogue frequency modulation

10 Digitala modulationsmetoder Binär signal ASK = Amplitude Shift Keying (AM) FSK = Frequency Shift Keying (FM) PSK = Phase Shift Keying (PSK)

11 Digital modulation qFör att överföra N bit/symbol krävs M=2 N qVid M symboler överförs N=log 2 M bit/symbol. qBaudrate f s = antal symboler per sekund. Enhet: baud eller symboler/sekund. qSymbollängd T s = 1/f s. f s = 1/T s qBitrate R = datahastighet. Enhet: bps eller bit/s. qR= f s log 2 M

12 Exempel: 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.

13 Forts exempel:

14 Table 5.1 Bit and baud rate comparison ModulationUnitsBits/Symbol Baud rate Bit Rate ASK, FSK, 2-PSK Bit1NN 4-PSK, 4-QAM Dibit2N2N 8-PSK, 8-QAM Tribit3N3N 16-QAMQuadbit4N4N 32-QAMPentabit5N5N 64-QAMHexabit6N6N 128-QAMSeptabit7N7N 256-QAMOctabit8N8N

15 Figure 5.13 Relationship between baud rate and bandwidth in ASK, PSK, QAM (not FSK) without pulse shaping Vid många modulationsformer t.ex. s.k. ASK, PSK, och QAM är signalens bandbredd = symbolhastigheten. Vid FSK är bandbredden vanligen större. Bandbredden kan minskas genom s.k. pulsformning.

16 Maximal kanalkapacitet enligt Nyquist

17 Example 6.4: Nyquist maximum data rate

18 Shannons regel Kanalkapaciteten C är max antal bit per sekund vid bästa möjliga modulationsteknik och felrättande kodning: C = B log 2 (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.

19 Example 6.5: Shannon information capacity

20 Trådlös transmission

21 Nästa generations mobilsystem? Samverkan mellan olika system

22 Spektrum RadiovågorMikrovågorIRUVRöntgen kHzMHzGHzTHzPHzEHzZHz Mobiltelefoni Synligt ljus mGråmarkerade frekvenser är i huvudsak upptagna mHögre frekvenser ger dyr utrustning/kort räckvidd

23 Våglängd och frekvens Ju högre frekvens desto kortare våglängd.

24 Vågutbredning av radio- och mikrovågor qExempel: Radio-LAN använder ofta frekvensen 2.4GHz, dvs våglängden 300/2400 =0.125m. qRadioskugga kan uppstå bakom föremål med storlek några våglängder (några dm i vårt exempel). qRadiovågor dämpas kraftigt av metallnät, t.ex. armeringsjärn, med mindre hål än en halv våglängd (ca 6 cm i vårt fall). Metallnätet utgör då Faradays bur. qAvståndsberoende dämpning. I vakuum avtar signalen kvadratiskt med avståndet, dvs 6 dB dämpning per dubblering av avståndet. I stadsbebyggelse är dämpningen ca 9 – 12 dB per dubblering av avståndet.

25 Förenklad modell av dämpningen

26 Mobiltelefoni qCell = täckningsområde för en basstationsantenn. qEn basstationssite har ofta tre antennriktningar, dvs tre celler. qHandover = byte av cell eller kanal under samtalet qRoaming = byte av trafikområde i väntan på samtal. qPaging = sökning av mobil över hela trafikområdet vid inkommande samtal.

27 Radio resource management Traditional static handover Example: Channel reuse factor 4 Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4

28 22 33 1 Återanvändning av kanaler mDämpningen möjliggör återanvändning av kanaler mFler celler som täcker samma yta ger högre ytkapacitet [Mobiler / km 2 ] Celler med samma siffra använder samma kanaler. I figuren är antalet kanalgrupper tre. 1 2 22 333 11 1

29 Fixed Channel Allocation with static handover Channel 1 Channel 2 Channel 3Handover map Cellerna definieras av handovergränserna, och är (i teorin) hexagonala.

30 Mobiltelesystemens generationer q1G: Analog modulation – FDMA. T.ex. NMT. 80-talet. q2G: Digital modulation, TDMA + FDMA. T.ex. GSM. 90- talet. q2.5G: GPRS, dvs paketförmedling. q3G: Edge (8PSK) eller WCDMA (spread spectrum). 2000- talet. q3.5G: All-IP-infrastructure, inkl IP-telefoni istället för kretskopplad telefoni? Asymmetrisk. HSDPA. q4G: Hybrid av många system? Heterogen täckning? COFDM-modulation? Dynamisk kanalallokering? 2010- talet?

31 Störningar vid trådlös kommunikation qBrus och elektriska störningar: m”Gaussiskt vitt brus”, innebär att en gaussiskt fördelad (dvs normalfördelad) slumpmässig spänning som innehåller läggs till signalen. Dess spektrum har lika stark energi vid alla frekvenser. qSamkanalsstörningar (co-channel interference) qLångsam skuggfädning: mLog-normal fördelning av dämpningen. qFlervägsutbredning ger upphov till: mEkon och tidsspridning av signalen, vilket ger inter-symbol-interferens (ISI) mSnabb fädning. Denna kan vara flat eller frekvensselektiv dämpning. Vid frekvensselektiv dämpning blir symbolen distorderad. Rayleigh-fördelad om direktvåg saknas Rician-fördelad dämpning vid line-of-sight. mFasvridning. mSkurfel qDopplerskift qM.m

32 Diversitet qTidsdiversitet genom bit-interleaving (omkastning av bitarna i tid, så att inte skurfel drabbar samma paket) qRumsdiversitet (flera antenner) qFrekvensdiversitet (frekvenshopp, spread spectrum eller COFDM dvs många smalbandiga bärvågor)

33 Spread spectrum DS-CDMA = Direct Sequence Code Division Multiple Access Chip sequencies

34 Figure 13.15 Encoding rules

35 Figure 13.16 CDMA multiplexer

36 Figure 13.17 CDMA demultiplexer

37 TV-distribution

38 Analoga TV-system qEuropa: 25 bilder per sekund (50 halvbilder), 625 linjer. Färginformation enligt PAL-systemet (de flesta europeiska länder). qUSA: 30 bilder per sekund (60 halvbilder), 625 linjer. Färginformation entligt NTSC-systemet.

39 Figure 11:2: Analog TV-signal Luminance = svartvit information och synksignaler. Chrominance = färginformation. Audio = ljudsignal.

40 TV band frequency division multiplex

41 Figure 11.20: The terestrial digital video broadcasting system (DVB-T)

42 Example 11.1: FEC in the digital TV system

43

44 COFDM modulation (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) Flera tusen långsamma modulatorer på var sin underbärvåg istället för en snabb.

45 COFDM spectrum Ortogonal modulation innebär oberoende bärvågor. Spektrum av en bärvåg påverkar inte mottagnning av en annan bärvåg om frekvensavståndet är 1 didividerat med symboltiden. Därmed behövs inte filter.

46 The OFDM modulation scheme Example: 4 sub-carriers 8 PSK

47 Syfte med COFDM qLånga symboler gör att vi har råd med ”guard-interval” emellan så att ISI (Inter-symbol interference) kan undvikas. qDen frekvensselektiva fädningen blir flat inom varje underbärvåg, och kan därmed motverkas genom felrättande kod, utan avancerad equalizer. COFDM är viktig inom ett stort antal trådlösa system, och förväntas användas inom 4G.

48 Single Frequency Networks (SFN) = Transmitter Macro Diversity

49 Example 11.2: Number of COFDM subcarriers in the DVB-T system

50 Technical data for DAB and DVB-T

51 Figure 11.21: DVB-T 2K/8K frame format.

52 Telefon- nätet

53 Figure 6.19 T-1 line for multiplexing telephone lines

54 E line rates E Line Rate (Mbps) Voice Channels E-1 2.048 2.048 30 30 E-2 8.448 8.448 120 120 E-3 34.368 34.368 480 480 E-4139.2641920 Den europeiska PCM-hierarkin

55 Figure 7.17 Plesiochronous digital hierarchies: (b) 2.048Mbps derived multiplex hierarchy.

56 Optical TDM Hierarchies qThe old PCM hierarchy was non-synchronous mDifferent multiplexors may have slightly different clock frequency. mThe whole hierarchy had to be unpacked in view to access or monitor a single telephone call, which was expensive. qSDH and SONET use synchronous communication mClocked by a central master clock. qSDH (Synchronous Digital Hierarchy) mA standard for TDM in Europe qSONET (Synchronious Optical NETwork) mA standard for TDM used in United States qIP-over-SDH/SONET or packet-over-SDH/SONET allows several ISP:s to share the same fiber cable independently.

57 Telephone network – Local Switch qThe telephone network uses switches mEvery subscriber ( telephone jack in a house) has a twisted-pair wire connected to the closest telephone exchange. They are called local switches or local exchanges. subscriber    switch          qThis cannot provide connection to subscribers connected to another local switch.

58 A Circuit Switch qDevice with a number of inputs and outputs qCreates temporary physical connection between an input and output link   Subscribers connected to the same swich qThe local switch can connect each telephone with each other

59 Figure 8.2 A circuit switch

60 Circuit Switching qThree phases of the connection: mCircuit establishment mData transfer mCircuit disconnect qThe bandwidth is guaranteed during the connection mThe bandwidth cannot be used by anyone else, even if it is not needed at certain moment (no flexibility)

61 Figure 8.4 Space switching by means of crossbar switch

62 Figure 8.6 Switching path in multi-stage switch

63 Figure 8.7 Time-division multiplexing, without and with a time-slot interchange

64 Figure 8.8 Time-slot interchange

65 Figure 8.10 TST switch (Time-Space-Time)

66 Characteristics of the Switches qSpace switches mThe advantage is that if a cross point is available, the connection is almost instantaneous mThe disadvantage is the need for many cross points which is expensive qTime switches mAdvantage is that it does not need cross points mLimited by the maximum data rate of one line. mIntroduces a fixed delay. qCombined switches combine the advantages of both types

67 Example 7.2: Time switching

68 Example 7.3: Space switching

69 Figure 8.11 A telephone system Accessnät (Spridningsnät)

70 Hierarchy of the Telephone Network subscriber lines (local loops) local exchanges (toll offices) International gateway exchange National tandem exchanges regional tandem exchanges local tandem exchanges local network International network trunk network Tandem offices

71 Chapter 9 Bredbands- accesstekniker

72 Bredbands- infrastruktur Ethernet-LAN används ofta som bredbands- accessteknik i flerfamiljshus

73 Figure 11:23: ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line

74 Figure 9.1 DMT Dicrete Multi-tone Modulation (DMT) -Likhet med COFDM: Många långsamma modulatorer, var och en på olika bärvågsfrekvens. - Skillnad: DMT har adaptiv bit-loading, dvs vid störningar på vissa bärvågsfrekvenser kan antal bit per symbol minskas endast på dessa bärvågor, och vissa bärvågor kan stängas av.

75 Figure 11.24 Example ADSL Discrete Multi-Tone (DMT) frequency usage: (a) bits per carrier allocation, (b) duplex frequency usage.

76 ADSL Frequency Spectrum qDivides the bandwidth into 256 x 4.3K channels q1 (ch 0) POTS, 5 (ch 1-5) not used, 1 upstream control, 1 downstream control qTypical 6-30 for upstream, rest for downstream qEach 4.3K channel 4K baud sample, V.34 QAM modulation, up to 15 bits per baud 4K * 15 = 60 Kbps per channel

77 Other DSL (or xDSL) Technologies qSDSL (Symmetric DSL) divides frequencies evenly qHDSL (High-rate DSL) provides DS1 bit rate in both directions  Short distances  Four wires qVDSL (Very high bit rate DSL) provides up to 52 Mbps  Very short distance  Requires Optical Network Unit (ONU) as a relay

78 Figure 9.8 Cable modem

79 Figure 9.7 Coaxial cable bands

80 Chapter 15 Wireless LANs

81 Figure 15.1 BSSs

82 Figure 15.2 ESS

83 Figure 15.3 Physical layer specifications

84 Figure 15.4 FHSS

85 Figure 15.5 DSSS

86 Figure 15.6 MAC layers in IEEE 802.11 standard

87 15.2 Bluetooth Architecture Radio Layer Baseband Layer Other Upper Layers L2CAP Layer

88 Figure 15.15 Piconet

89 Figure 15.16 Scatternet

90 Figure 15.17 Bluetooth layers

91 Figure 15.18 Single-slave communication

92 Figure 15.19 Multiple-slave communication

93 Figure 15.20 Frame format types

94 Figure 15.21 L2CAP data packet format