Multimedia och kommunikationssystem lektion 1 Frelsningsmaterialet r frfattat

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

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

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

Data- och telenät

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

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

FIgure 5. 2 a) Evolution of the TCP/IP reference model

Figure 5. 14: Common protocols

Figure 5. 2 b) Application of the TCP/IP reference model

Figure 5. 3 a) Protocol layer interactions

Figure 5. 2 b) End-to-end communications

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

Krets- och paketförmedling Kretskoppling Paketförmedling q Exempel: m Telefonnätet. m ISDN=Integrated Service Digital Network, m Ursprunglig GSM. m m m q Förbindelseorienterat. q 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. Internet (IP) X. 25 ATM LAN, WLAN Mobilsystemens GPRS-tjänst. q Förbindelsefritt (IP) eller förbindelseorienterat (X. 25, frame relay och ATM) q 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-tillpunkt-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. Datorer, terminaler, skrivare, etc. Router=vägväljare, kopplar ihop LAN. (Brygga och Repeater kopplar ihop LAN-segment. )

Datakommunikationstjänster Klassiska LAN-tjänster q Fjärrinloggning q Skrivardelning q Fildelning q Databasservrar och andra applikationsservrar q Säkerhet (inloggning, mm) q Central övervakning och drift. WAN-tjänster q E-post q Filöverföring q Www q 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 T. ex. ATM, telefoni. Datagram T. ex. IP och UDP

Synkron och asynkron seriekommunikation q 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 RS 232 = EIE 232 = V. 24. + Fördel: Enkel teknik. - Nackdel: Bandbredd ”slösas” på start- och stoppbitar. q 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 q N bit kan representera 2 N alternativa värden eller koder. Ex: ASCII-kodens 7 bitar kan representera 27 = 2· 2 · 2 · 2 = 128 tecken. q En kod som kan anta M alternativa värden har informationsmängden Ex: ISO-latinkodens 256 tecken kräver 2 log 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. 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 q Vanliga filformat för stillbilder: (Vårt exempel: 50 kbyte. ) m BMP = Bitmapp. m GIF = Graphical Interchange Format –(Vårt exempel: 28 k. Byte. ) m JPEG = Joint Photographics Expert Group. 8, 3 k. Byte vid 25% distorsion 2, 0 k. Byte vid 95% distorsion

Växelspänning Periodtid T = t 2 - t 1. 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.

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 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 q Den högsta frekvens som kan samplas är halva samplingsfrekvensen. q Om man samplar högre frekvens än fs/2 så byter signalen frekvens, dvs det uppstår vikningsdistorsion (aliasing). q För att undvika vikningsdistorsion så har man ett anti-vikningsfilter innan samplingen, som tar bort frekvenser över halva samplingsfrekvensen. q Interpolationsfiltret används vid rekonstruktion av den digitala signalen för att ”gissa” värden mellan samplen. q Ett ideal interpolationsfilter skulle kunna återskapa den samplade signalen perfekt om den uppfyller samplingsteoremet. I verkligheten finns inga ideala filter. q 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.

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

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

Kabeltyper för Ethernet VIKTIGT! q 10 BASE 5=Tjock Ethernet, 10 Mbps, 500 m avstånd, koaxial. q 10 BASE 2=Tunn Ethernet, 10 Mbps, 200 m, koaxial. q 10 BASE-T, 10 Mbps, 100 m, TP=Tvinnad parkabel, hubnät. q 100 BASE-T=Fast Ethernet, 100 Mbps, 100 m, TP, hubnät. q 1000 BASE-T, 1000 Mbps, TP, hubnät.

Kontaktdon för Ethernet

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

Exempel 1: Till höger visas fyra symboler som används av ett s. k. 4 PSKmodem (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? 1 0 -1 1 Svar: 1/1 ms = 1000 symber per sekund = 1 kbaud. c) Vad är bithastigheten i bit per sekund (bps)? Svar: 2000 bps. 0 0. 5 1 time [milliseconds] 01 0 -1 Svar: 11 00 10 10. b) Tidsaxeln är graderad i tusendels sekunder. Vad är symbolhastigheten i baud eller symboler/sekund? 00 1 0 0. 5 1 time [milliseconds] 11 0 -1 1 0 0. 5 1 time [milliseconds] 10 0 -1 0 0. 5 1 time [milliseconds]

Exempel 2: Nedan visas åtta symboler som används av ett s. k. 8 QAM-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 Max antal bit per sekund vid bästa möjliga modulationsteknik och felrättande kodning: B 2 log(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.