Kommunikci adattvitel 2 Kommunikci bevezet alapsvi kdolsok tviteli

Kommunikáció, adatátvitel 2. Kommunikáció bevezető; alapsávi kódolások, átviteli módszerek utolsó verzió: 2020. 4. 3.

Kommunikációs módszerek kategorizálása Átviteli közeg (médium) szerint n Kódolás szerint n Moduláció szerint n Szimbólumok száma szerint n Spektrum kihasználása szerint n Jel-zaj viszony, hibajavítás, órajelvisszaállítás stb. lehetőségei szerint n

Közeg szerint n Vezetékes ¨ „egyszerű” vezetékek ¨ koaxiális vezetékek ¨ csőtápvonalak (vezetett hullám) ¨ optikai szálak n Szabadtéri hullámterjedés ¨ rádiófrekvenciás ¨ optikai

Szimbólumok száma szerint Bináris: két szimbólum (0; 1) n Nem-bináris: n Előfordul az is, hogy többszintű kódolást használnak, de valójában bináris információt kódolnak (ld. pl. AMI, MLT-3).

Szimbólumok száma szerint Az alapsávi átvitel jellemzően bináris amplitúdómodulált n A nembináris átvitelt a nagyfrekvenciás modulációknál használják, pl. QPSK / n. PSK, QAM, n. FSK n ¨ pl. digitális televízió jel átvitel (ahol fontosabb a nagy sebesség, mint az esetleges bithibák)

Szimbólumok száma szerint Nagyobb M előnye: nagyobb maximális adatátviteli sebesség per egységnyi sávszélesség (ld. később) n Nagyobb M hátránya: kisebb távolság az egyes szintek között (pl. feszültség, fázis), ezért kisebb zajteljesítmény is elég a szimbólumhibához n Adott max. szintek mellett a bináris kódolás a leginkább hibatűrő n

Kommunikáció iránya szerint Simplex: egyirányú Pl. broadcast (műsorszórás), GPS jelek n Half-duplex: egyszerre egyirányú (de válthat) Pl. PMR, walkie-talkie, amatőr rádió, I 2 C, USB n Duplex (full-duplex): egyszerre kétirányú Pl. telefon (de illemből azt is half-duplexben használjuk. . . ), RS 232, SPI n Duplex megoldási módszerek: n Két vezeték (plusz föld) (egyik irány, másik irány) n Időosztás (Time Division Multiplexing, TDM) (pl. telefon) n Frekvenciaosztás (Frequency Division Multiplexing, FDM) (pl. rádió) n Kódosztás (Code Division Multiplexing, CDM) (pl. UMTS) n Egy vezetékpáron (mágia) pl. Ethernet 1000 Base-T

Résztvevők szerepe szerint Mester (master, host): aki tud adást kezdeményezni (adatot küld vagy kér) n Szolga (slave, client): ő fogadja a mester üzenetét vagy válaszol a mesternek n Bizonyos rendszerekben az eszközök választhatnak a szerepek között n

Résztvevők száma szerint n Pont<->pont (csak két eszköz közvetlen összekötve) ¨ mester-szolga (Master-Slave), vagy egyenrangú (pl. telefon) n Pont->multipont ¨ egy n Multipont->pont ¨ egy n mester, sok szolga (pl. műsorszórás, broadcast) mester, sok szolga (pl. adatgyűjtés) Multipont<->multipont ¨ sok M – sok S lehetséges vagy egyenrangúak vagy időben váltakozik (pl. számítógépes hálózat)

Résztvevők száma szerint Multipont összekötési megoldások: n Egy mester, sok szolga: a mesteren külön fizikai kapu (kivezetés) mindegyik szolga felé (nagy kivezetésszámú IC kell) ¨ egy vezeték (vagy kettő, ha duplex) a mesterről, amire párhuzamosan csatlakoznak a szolgák; ilyenkor a szolgák kimeneti portja (ha van) open-drain vagy tri-state ¨ n Több mester: Központi elosztón (hub, router, switch, gateway) keresztül vannak összekötve, hub-nak külön portja mindegyik mesterhez (pl. modern Ethernet UTP-n (LAN)) ¨ Egy vezetékre párhuzamosan (pl. régebbi Ethernet koaxon), open-drain vagy tri-state kimenetekkel vagy egyéb hasonló megoldással ¨

Topológiák Lehet fizikai és logikai is n Pont-pont n Sín (busz) n Gyűrű n Csillag, többszintű csillag n Fa n

Spektrum alapján n Alapsávi jel (baseband signal): nincs vivőjelre ültetve (moduláció), a spektrumban a nulla közeli részt foglalja el, maximális frekvenciája az információ sebességével arányos ¨ vezetékes átvitelnél, ill. áramkörökön belül használatos (pl. PC alaplap, mikrovezérlős rendszerek)

Spektrum alapján A legegyszerűbb alapsávi időbeli jelalak a bináris négyszögjel (NRZ) n Többnyire ilyesmi az, amit a digitális technikai áramkörök alapesetben használnak (mikroprocesszor, mikrovezérlő, logikai kapuk stb. ) n Gyakran először ezt állítjuk elő és alakítjuk át bonyolultabb alapsávi kódokra, vagy ezzel modulálunk egy vivőt. n

Spektrum alapján Moduláció: Optikai vagy rádiós átvitel esetén az alapsávi jelet egy ("nagyfrekvenciás") vivőre "ültetik", avagy transzponálják, felkeverik n Ennek okai: n ¨ kisfrekvenciás jelek rosszul vagy egyáltalán nem továbbíthatóak EM hullámként ¨ FDM: több csatorna (adatfolyam) elfér "egymás mellett" (ezt vezetéken is lehet)

Spektrálisan Alapsávi jel Transzponált (RF) jel

Alapsávi jelek

Feszültségátvitel n Aszimmetrikus feszültségű (unipoláris) jel n Szimmetrikus feszültségű (bipoláris) jel ¨ tápellátás lehetséges vele (egyenirányítva), persze korlátozott árammal

Áramátvitel "Áramtávadó" leggyakoribb formája: n logikai 0: 4 m. A n logikai 1: 20 m. A n szakadás: 0 m. A n nagy távolságra (vezetékbeni feszültségcsökkenést kompenzálandó) n eszköz tápellátását is biztosítja (mindig van áram) n analóg is lehet (4. . 20 m. A)

Négyszögjel spektruma Ideális, végtelen, periodikus négyszögjel abszolútérték spektruma: • Vonalas; n*1/(2 T) körfrekvenciájú komponensek, páratlan n • f=0 komponens pl. akkor van, ha aszimmetrikus a jel (pl. 0. . 5 V) Ha a jel nem periodikus (információtartalom nem szabályos 0 -1 sorozat), ill. nem végtelen: • Jelalak módosul • Spektrum kiterjed (köv. ábrán szaggatott vonallal jelölt, DC tartalom esetén)

Négyszögjel spektruma

Négyszögjel spektruma n n Ha a jel unipoláris, vagy bipoláris esetben nem egyenlő számú 0 és 1 van benne, akkor DC tartalma lesz (spektrumban az f=0 komponens megjelenik) Ha nincs DC komponens, az gyakran előnyös: Átvihető kapacitív vagy induktív (transzformátor) csatoláson ¨ Felkeverés esetén szabadon hagyja a vivőfreki közvetlen környezetét (így oda betehető és jól detektálható a vivő (pilot)) ¨ Külön betehetünk DC komponenst tápellátás céljaira, amit aztán a vevő előtt leválaszthatunk ¨

Időzítés A vevőnek tudnia kell, hol vegyen mintát a jelből. Erre szolgál az órajel. (Ez nem ugyanaz, mint a vezérlőegységek, processzorok saját órajele!) n Aszinkron Vevőnek saját oszcillátora van, amit előre be kell állítani (vagy automatikus felismerés). ¨ Oszcillátort rá kell hangolni a vett jelre (nincs két egyenlő frekvenciájú független oszcillátor!) => Órajel visszaállítás (clock recovery) ¨ n Szinkron ¨ Átvisszük az órajelet külön vezetéken. Vevőben nem szükséges külön oszcillátor erre a célra. Nagy sebességű átvitelnél használják. Nem vezetékes átvitelnél érthetően problémás.

Órajel visszaállítás n n Az órajelvisszaállító áramkör a soros jel élváltásaira szinkronizál, ezért NRZ és hasonló jeleknél ha sok azonos bit jön egymás után, elveszhet a szinkron. Megoldások: ¨ Üzenet n n ¨ Új n módosítása plusz bitek betevése (bit stuffing) plusz bitek és újrakódolás (pl. 4 B 5 B) jelalakkal kódolás bipoláris RZ, Manchester: minden bitnél van élváltás

Órajel visszaállítás n n n Bit stuffing: n darab azonos bit után betesz egy ellenkezőt, hogy órajel visszaállítás könnyebb legyen (ne csússzon el az infó). Vevő automatikusan lenyeli a plusz bitet. Pl. USB (NRZ-Space) n=6; CAN (NRZ) n=5 4 B 5 B : kódtábla alapján minden 4 bites kódot egy 5 bitessel helyettesít (100 Base-TX Fast Ethernet) (ezt utána MLT-3 mal kódolja tovább) Bipolar with 8 zeros substitution (ld. AMI)

Órajel visszaállítás: 4 b/5 b n n 4 bites szimbólumokat 5 biten kódolja, úgy, hogy mindig legyen élváltás. A fennmaradó (nem használt) 5 bites szimbólumok jelezhetik az átviteli hibát. Változat: 8 b/10 b Mindkettő használja Ethernet

Alapsávi kódolások (Line coding) n NRZ Non return to zero Pl. RS-232, CAN n Differenciális kódolású verziói: ¨ NRZ-Space (0: vált, 1: nem vált) ¨ NRZ-Mark v. NRZ-Inverted (NRZI) (1: vált, 0: nem vált) (mark=1, space=0, régi vezetékes távközlési zsargon) Differenciális kódok polaritásfüggetlenek (pl. vezetékek felcserélhetőek, ill. könnyebb átvinni transzformátoron stb. )

Alapsávi kódolások n RZ (Return to zero) Kétszer akkora sávszélesség, mint NRZ (ugyanakkora átviteli sebesség mellett), azaz rosszabb a spektrális hatásfok. ¨ Bipoláris esetben minden bitidőben van átmenet, így könnyű szinkronizálni / órajelet visszaállítani. ¨

Alapsávi kódolások n Manchester-kód (Phase encoding) Pl. Ethernet 10 Base-T (10 Mbps), RFID Könnyű órajel-visszaállítás, nincs DC szint, kétszeres sávszélesség (kb. 5. . 20 MHz között a 10 Mbps ethernetnél)

Alapsávi kódolások n Differenciális Manchester / Biphase Mark Code /FM 1 0: bitidő elején vált, 1: bitidő elején nem vált (BMC fordítva) Polaritás-független 802. 5 Token ring LAN, mágneses és optikai tárolás, AES 3, S/PDIF

Alapsávi kódolások n Alternate Mark Inversion (bipolar) 0: 0 ; 1: váltakozva + vagy – impulzust ad (mark) bipolar violation: ha két egymást követő mark impulzus azonos polaritású => ebből tudja, hogy hiba történt, vagy: => modified AMI: B 8 ZS (Bipolar with 8 zeros substitution) : 8 darab nullát helyettesít 000 VB sorozattal (V: violation, B: balance), a V impulzus az előző mark impulzussal azonos polaritású (B meg ellentétes), ebből tudja vevő, hogy helyettesítés történt

Alapsávi kódolások n MLT-3 (Multi-Level Transmit) 0: változatlan 1: -1; 0; +1; 0 sorozat szerint csökkentett sávszélesség (pl. 1111 ¼ alapharmonikus eredményez!) (megszegjük az R/B<2 N szabályt? ) Pl. 100 BASE-TX Fast Ethernet (100 Mbps). Ez előtte egy 4 b/5 b kódolást futtat (órajelvisszaállítás!). (A Manchester-kód már nem bírta a 100 Mbps-et)

Spektrumok

Spektrumok

Kódosztás / szórt spektrumú moduláció / impulzuskompresszió Azonos időrésben, azonos frekvenciasávban több felhasználó adatát átvihetjük. Átviteli idő megnövekszik. n Olyan kódolás, aminek használatával akár több szimbólum (+zaj) összegéből is kivehetjük a keresett szimbólumot, ha ismerjük a szükséges szűrő függvényt. n Titkosításként is működik. n

Kódosztás / szórt spektrumú moduláció / impulzuskompresszió A biteket egy bitsorozattal kódoljuk n A (digitális) vevő szűrő lényegében maga a kód -> n A bejövő jelet korreláltatjuk a keresett szimbólummal (bitsorozattal) n Ha maga a kívánt szimbólum érkezett be, zajmentes esetben az autokorrelációs függvényt kapjuk n

Kódosztás / szórt spektrumú moduláció / impulzuskompresszió A kódot úgy választjuk meg, hogy az autokorrelációs függvények „melléknyalábjai” minél kisebbek legyenek, (a főnyalábja a kódhosszal arányos) és keresztkorrelációs függvények maximuma minél kisebb legyen. n Tehát ha másik kód jön be, mint amit keresünk, a kimenet zajszerű lesz, míg ha a keresett kód, akkor egy kiugró jelet. n

Kódosztás / szórt spektrumú moduláció / impulzuskompresszió Példa. Barker-3 kód: +1 +1 -1 n Autokorrelációs fgv számolás n

Kódosztás / szórt spektrumú moduláció / impulzuskompresszió n Barker-7 autokorrelációs fgv: Ha Tb az eredeti bitidő, akkor az n=7 hosszúságú kód 7 Tb idejű kiküldött impulzussorozatot jelent, de a korrelációs szűrő kimenetén megjelenő jelnek a „kiugró” része („főnyaláb”) már csak 1 Tb szélességű.

Kódosztás / szórt spektrumú moduláció / impulzuskompresszió n DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum (szórt spektrum) ¨ CDMA: Code Division Multiple Access: (kódosztás), pl. mobiltelefon hálózatokban n Pulse Compression (impulzuskompresszió): pl. radaroknál (BPSK, QPSK stb modulációkkal)