Multimedie- och kommunikationssystem lektion 5 Kap 6 Digital

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

Figure 6. 7 Sources of signal impairment.

Example 6. 3

Asynchronous transmission

Example 6. 6: Clock rate deviation

Figure 5. 26 Analogue amplitude modulation

Figure 5. 29 Analogue frequency modulation

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

Digital modulation q För att överföra N bit/symbol krävs M=2 N q Vid M symboler överförs N=log 2 M bit/symbol. q Baudrate fs= antal symboler per sekund. Enhet: baud eller symboler/sekund. q Symbollängd Ts= 1/fs. fs= 1/Ts q Bitrate R = datahastighet. Enhet: bps eller bit/s. q R= fslog 2 M

Exempel: 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:

Table 5. 1 Bit and baud rate comparison Modulation Units Bits/Symbol Baud rate Bit Rate Bit 1 N N 4 -PSK, 4 -QAM Dibit 2 N 2 N 8 -PSK, 8 -QAM Tribit 3 N 3 N 16 -QAM Quadbit 4 N 4 N 32 -QAM Pentabit 5 N 5 N 64 -QAM Hexabit 6 N 6 N 128 -QAM Septabit 7 N 7 N 256 -QAM Octabit 8 N 8 N ASK, FSK, 2 -PSK

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.

Maximal kanalkapacitet enligt Nyquist

Example 6. 4: Nyquist maximum data rate

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.

Example 6. 5: Shannon information capacity

Trådlös transmission

Nästa generations mobilsystem? Samverkan mellan olika system

Spektrum k. Hz MHz GHz Radiovågor THz Mikrovågor Mobiltelefoni PHz IR EHz UV Synligt ljus m Gråmarkerade frekvenser är i huvudsak upptagna m Högre frekvenser ger dyr utrustning/kort räckvidd ZHz Röntgen

Våglängd och frekvens Ju högre frekvens desto kortare våglängd.

Vågutbredning av radio- och mikrovågor q Exempel: Radio-LAN använder ofta frekvensen 2. 4 GHz, dvs våglängden 300/2400 =0. 125 m. q Radioskugga kan uppstå bakom föremål med storlek några våglängder (några dm i vårt exempel). q Radiovågor 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. q Avståndsberoende dämpning. I vakuum avtar signalen kvadratiskt med avståndet, dvs 6 d. B dämpning per dubblering av avståndet. I stadsbebyggelse är dämpningen ca 9 – 12 d. B per dubblering av avståndet.

Förenklad modell av dämpningen

Mobiltelefoni q Cell = täckningsområde för en basstationsantenn. q En basstationssite har ofta tre antennriktningar, dvs tre celler. q Handover = byte av cell eller kanal under samtalet q Roaming = byte av trafikområde i väntan på samtal. q Paging = sökning av mobil över hela trafikområdet vid inkommande samtal.

Radio resource management Traditional static handover Example: Channel reuse factor 4 Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Dynamic resource management with channel reuse factor 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4

Återanvändning av kanaler m Dämpningen möjliggör återanvändning av kanaler m Fler celler som täcker samma yta ger högre ytkapacitet [Mobiler / km 2] 3 3 2 1 3 1 3 2 2 1 Celler med samma siffra använder samma kanaler. I figuren är antalet kanalgrupper tre.

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

Mobiltelesystemens generationer q 1 G: Analog modulation – FDMA. T. ex. NMT. 80 -talet. q 2 G: Digital modulation, TDMA + FDMA. T. ex. GSM. 90 talet. q 2. 5 G: GPRS, dvs paketförmedling. q 3 G: Edge (8 PSK) eller WCDMA (spread spectrum). 2000 talet. q 3. 5 G: All-IP-infrastructure, inkl IP-telefoni istället för kretskopplad telefoni? Asymmetrisk. HSDPA. q 4 G: Hybrid av många system? Heterogen täckning? COFDM-modulation? Dynamisk kanalallokering? 2010 talet?

Störningar vid trådlös kommunikation q Brus 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. q Samkanalsstörningar (co-channel interference) q Långsam skuggfädning: m Log-normal fördelning av dämpningen. q Flervägsutbredning ger upphov till: m Ekon och tidsspridning av signalen, vilket ger inter-symbol-interferens (ISI) m Snabb 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. m Fasvridning. m Skurfel q Dopplerskift q M. m

Diversitet q Tidsdiversitet genom bit-interleaving (omkastning av bitarna i tid, så att inte skurfel drabbar samma paket) q Rumsdiversitet (flera antenner) q Frekvensdiversitet (frekvenshopp, spread spectrum eller COFDM dvs många smalbandiga bärvågor)

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

Figure 13. 15 Encoding rules

Figure 13. 16 CDMA multiplexer

Figure 13. 17 CDMA demultiplexer

TV-distribution

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

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

TV band frequency division multiplex

Figure 11. 20: The terestrial digital video broadcasting system (DVB-T)

Example 11. 1: FEC in the digital TV system

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

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.

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

Syfte med COFDM q Långa symboler gör att vi har råd med ”guard-interval” emellan så att ISI (Inter-symbol interference) kan undvikas. q Den 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 4 G.

Single Frequency Networks (SFN) = Transmitter Macro Diversity

Example 11. 2: Number of COFDM subcarriers in the DVB-T system

Technical data for DAB and DVB-T

Figure 11. 21: DVB-T 2 K/8 K frame format.

Telefonnätet

Figure 6. 19 T-1 line for multiplexing telephone lines

Den europeiska PCM-hierarkin E line rates E Line Rate (Mbps) Voice Channels E-1 2. 048 30 E-2 8. 448 120 E-3 34. 368 480 E-4 139. 264 1920

Figure 7. 17 Plesiochronous digital hierarchies: (b) 2. 048 Mbps derived multiplex hierarchy.

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

Telephone network – Local Switch q The telephone network uses switches m Every 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. q This cannot provide connection to subscribers connected to another local switch. subscriber switch

A Circuit Switch q Device with a number of inputs and outputs q Creates temporary physical connection between an input and output link q The local switch can connect each telephone with each other Subscribers connected to the same swich

Figure 8. 2 A circuit switch

Circuit Switching q Three phases of the connection: m Circuit establishment m Data transfer m Circuit disconnect q The bandwidth is guaranteed during the connection m The bandwidth cannot be used by anyone else, even if it is not needed at certain moment (no flexibility)

Figure 8. 4 Space switching by means of crossbar switch

Figure 8. 6 Switching path in multi-stage switch

Figure 8. 7 Time-division multiplexing, without and with a time-slot interchange

Figure 8. 8 Time-slot interchange

Figure 8. 10 TST switch (Time-Space-Time)

Characteristics of the Switches q Space switches m The advantage is that if a cross point is available, the connection is almost instantaneous m The disadvantage is the need for many cross points which is expensive q Time switches m Advantage is that it does not need cross points m Limited by the maximum data rate of one line. m Introduces a fixed delay. q Combined switches combine the advantages of both types

Example 7. 2: Time switching

Example 7. 3: Space switching

Figure 8. 11 A telephone system Accessnät (Spridningsnät)

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

Chapter 9 Bredbandsaccesstekniker

Bredbandsinfrastruktur Ethernet-LAN används ofta som bredbandsaccessteknik i flerfamiljshus

Figure 11: 23: ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line

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.

Figure 11. 24 Example ADSL Discrete Multi-Tone (DMT) frequency usage: (a) bits per carrier allocation, (b) duplex frequency usage.

ADSL Frequency Spectrum q q Divides the bandwidth into 256 x 4. 3 K channels 1 (ch 0) POTS, 5 (ch 1 -5) not used, 1 upstream control, 1 downstream control Typical 6 -30 for upstream, rest for downstream Each 4. 3 K channel 4 K baud sample, V. 34 QAM modulation, up to 15 bits per baud 4 K * 15 = 60 Kbps per channel

Other DSL (or x. DSL) Technologies q SDSL (Symmetric DSL) divides frequencies evenly q HDSL (High-rate DSL) provides DS 1 bit rate in both directions · Short distances · Four wires q VDSL (Very high bit rate DSL) provides up to 52 Mbps · Very short distance · Requires Optical Network Unit (ONU) as a relay

Figure 9. 8 Cable modem

Figure 9. 7 Coaxial cable bands

Chapter 15 Wireless LANs

Figure 15. 1 BSSs

Figure 15. 2 ESS

Figure 15. 3 Physical layer specifications

Figure 15. 4 FHSS

Figure 15. 5 DSSS

Figure 15. 6 MAC layers in IEEE 802. 11 standard

15. 2 Bluetooth Architecture Radio Layer Baseband Layer L 2 CAP Layer Other Upper Layers

Figure 15. 15 Piconet

Figure 15. 16 Scatternet

Figure 15. 17 Bluetooth layers

Figure 15. 18 Single-slave communication

Figure 15. 19 Multiple-slave communication

Figure 15. 20 Frame format types

Figure 15. 21 L 2 CAP data packet format