Datorntverk A lektion 4 Fortsttning Kapitel 4 Datatransmission

  • Slides: 32
Download presentation
Datornätverk A – lektion 4 • Fortsättning: Kapitel 4: Datatransmission. • Kapitel 5: Modulation.

Datornätverk A – lektion 4 • Fortsättning: Kapitel 4: Datatransmission. • Kapitel 5: Modulation.

4. 3 Sampling Pulse Amplitude Modulation Pulse Code Modulation Sampling Rate: Nyquist Theorem How

4. 3 Sampling Pulse Amplitude Modulation Pulse Code Modulation Sampling Rate: Nyquist Theorem How Many Bits per Sample? Bit Rate

PCM = Pulse Code Modulation = Digitalisering av analoga signaler och seriell överföring Sifferexempel

PCM = Pulse Code Modulation = Digitalisering av analoga signaler och seriell överföring Sifferexempel från PSTN = publika telefonnätet: 011011010001. . . 1 0 Antivikningsfilter Sampler AD-omvandlare med seriell utsignal DAomvandlare Interpolationsfilter Högtalare Mikrofon 34004000 Hz filter 8000 sampels per sek 8 bit per sampel dvs 64000 bps per tfnsamtal 28 = 256 spänningsnivåer

Exempel En 6 sekunder lång ljudinspelning digitaliseras. Hur stor är inspelningens informationsmängd? a) 22000

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

Samplingsteoremet • • • f < fs/2 Den högsta frekvens som kan samplas är

Samplingsteoremet • • • f < fs/2 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 = 2 B 2 log M, där M är antal nivåer, och B är signalens bandbredd, oftast lika med signalens övre gränsfrekvens.

Figure 4. 18 PAM

Figure 4. 18 PAM

Note: Pulse amplitude modulation has some applications, but it is not used by itself

Note: Pulse amplitude modulation has some applications, but it is not used by itself in data communication. However, it is the first step in another very popular conversion method called pulse code modulation.

Figure 4. 19 Quantized PAM signal

Figure 4. 19 Quantized PAM signal

Figure 4. 20 Quantizing by using sign and magnitude

Figure 4. 20 Quantizing by using sign and magnitude

Note: According to the Nyquist theorem, the sampling rate must be at least 2

Note: According to the Nyquist theorem, the sampling rate must be at least 2 times the highest frequency.

Example 4 What sampling rate is needed for a signal with a bandwidth of

Example 4 What sampling rate is needed for a signal with a bandwidth of 10, 000 Hz (1000 to 11, 000 Hz)? Solution The sampling rate must be twice the highest frequency in the signal: Sampling rate = 2 x (11, 000) = 22, 000 samples/s

Example 5 A signal is sampled. Each sample requires at least 12 levels of

Example 5 A signal is sampled. Each sample requires at least 12 levels of precision (+0 to +5 and -0 to -5). How many bits should be sent for each sample? Solution We need 4 bits; 1 bit for the sign and 3 bits for the value. A 3 -bit value can represent 23 = 8 levels (000 to 111), which is more than what we need. A 2 -bit value is not enough since 22 = 4. A 4 -bit value is too much because 24 = 16.

Example 6 We want to digitize the human voice. What is the bit rate,

Example 6 We want to digitize the human voice. What is the bit rate, assuming 8 bits per sample? Solution The human voice normally contains frequencies from 0 to 4000 Hz. Sampling rate = 4000 x 2 = 8000 samples/s Bit rate = sampling rate x number of bits per sample = 8000 x 8 = 64, 000 bps = 64 Kbps

Distorsion till följd av digitalisering • Vikningsdistorsion ○ Inträffar om man inte filtrerar bort

Distorsion till följd av digitalisering • Vikningsdistorsion ○ Inträffar om man inte filtrerar bort frekvenser som är högre än halva samplingsfrekvensen. • Kvantiseringsdistorsion (kvantiseringsbrus) ○ Avrundningsfelet låter ofta som ett brus. ○ Varje extra bit upplösning ger dubbelt så många spänningsnivåer, vilket ger en minskning av kvantiseringsdistorsionen med 6 d. B. 16 bit upplösning ger ett signal-brus-förhållande på ca 16*6 = 96 d. B (beroende på hur man mäter detta förhållande. ) ○ Svaga ljud avrundas bort, eller dränks i kvantiseringsbruset.

Informationsmängd • N bit kan representera 2 N alternativa värden eller koder. Ex: ASCII-kodens

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

Att digitalisera bilder Exempel: Rastergrafikrepresentation, dvs. bitmappade bilder. 2 nyanser kräver 1 bit per

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. 13 x 15 pixels och 256 färger 206 x 233 pixels

Exempel: Beräkna informationsmängden. 13 x 15 pixels och 256 färger 206 x 233 pixels och 16 färger 13 x 15 x 8 bit = 1560 bit bitmappad bild 206 x 233 x 4 bit = 192000 bit bitmappad bild 206 x 233 pixels och 256 färger 206 x 233 x 8 bit = 384000 bit bitmappad bild

Att komprimera bilder • Vanliga filformat för stillbilder: (Vårt exempel: 50 kbyte. ) ○

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

Transforming Pictures • Pictures are splitted into small squres called pixels and each of

Transforming Pictures • Pictures are splitted into small squres called pixels and each of them is coded with a string of bits. In a simple picture having only black and white spots, it is enough to have a single bit for encoding pixels. 5 x 5 = 25 bits are required

Exempel: Beräkna informationsmängden. 13 x 15 pixels och 256 färger 206 x 233 pixels

Exempel: Beräkna informationsmängden. 13 x 15 pixels och 256 färger 206 x 233 pixels och 16 färger 13 x 15 x 8 bit = 1560 bit bitmappad bild 206 x 233 x 4 bit = 192000 bit bitmappad bild 206 x 233 pixels och 256 färger 206 x 233 x 8 bit = 384000 bit bitmappad bild

Example with different number of pixels 13 x 15 pixels och 256 färger 206

Example with different number of pixels 13 x 15 pixels och 256 färger 206 x 233 pixels och 16 färger 206 x 233 pixels och 256 färger 13 x 15 x 8 bit = 1560 bit bitmappad bild 206 x 233 x 4 bit = 192000 bit bitmappad bild 206 x 233 x 8 bit = 384000 bit bitmappad bild

Att komprimera bilder • Vanliga filformat för stillbilder: ○ BMP = Bitmapp. ○ GIF

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

Figure 4. 24 Data transmission

Figure 4. 24 Data transmission

Figure 4. 25 Parallel transmission

Figure 4. 25 Parallel transmission

Figure 4. 26 Serial transmission

Figure 4. 26 Serial transmission

Note: In asynchronous transmission, we send 1 start bit (0) at the beginning and

Note: In asynchronous transmission, we send 1 start bit (0) at the beginning and 1 or more stop bits (1 s) at the end of each byte. There may be a gap between each byte.

Note: Asynchronous here means “asynchronous at the byte level, ” but the bits are

Note: Asynchronous here means “asynchronous at the byte level, ” but the bits are still synchronized; their durations are the same.

Figure 4. 27 Asynchronous transmission

Figure 4. 27 Asynchronous transmission

Exempel på asynkron seriekommunikation: RS 232 C (”comporten”)

Exempel på asynkron seriekommunikation: RS 232 C (”comporten”)

Note: In synchronous transmission, we send bits one after another without start/stop bits or

Note: In synchronous transmission, we send bits one after another without start/stop bits or gaps. It is the responsibility of the receiver to group the bits.

Figure 4. 28 Synchronous transmission

Figure 4. 28 Synchronous transmission

Duplex och simplex • Simplex = enkelriktad kommunikation. • Halv duplex = dubbelriktad kommunikation,

Duplex och simplex • Simplex = enkelriktad kommunikation. • Halv duplex = dubbelriktad kommunikation, en riktning i taget. Exempel: ○ Komradio. ○ 2 -trådig Ethernet. ○ Radio-LAN. • Full duplex = dubbelriktad kommunikation, t. ex. över seriell 4 trådsförbindelse. Exempel: ○ Mobiltelefoner. En kanalfrekvens i upplänk, en annan i nedlänk. ○ 4 -trådig Ethernet. ○ Telefonnätets modem. (Trots att telefonnätet bara är 2 -trådigt. Modemen innehåller en s. k. gaffelkoppling som omvandlar mellan 4 -trådig och 2 -trådig kommunikation. Denna innehåller transformator och adaptiva filter som undertrycker reflektioner. )