Kurssin perustiedot. ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet. Tämän viikon aiheet. Tiedonsiirron perusteita. Tiedonsiirron rakenneosat

Transkriptio

1 Kurssin perustiedot ELEC-C7 Informaatioteknologian perusteet Kalevi Kilkki Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos siirto 5.. & 7..6» Kalevi Kilkki: Luennot ja kurssin sisältö Jari Lietzen: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset Ohjelma. Johdanto ma.. & ke 3... Tietoliikennealan palvelut ma 8.. & ke.. 3. siirto ma 5.. & ke Kommunikaatioakustiikka ma.. & ke 3.. (Ville Pulkki) 5. Puheteknologia ma 8.. & ke.. (Kalle Palomäki) 6. Kiinteät verkot ma 5.. & ke Matkaviestintä ma.. & ke Tietojenkäsittely ma 9.. & ke Internet ma 7.3. & ke 9.3. Tämän viikon aiheet siirron perusteita» Maanantain oppimistavoitteet. Siirtojärjestelmien perusrakenneosat. vs. digitaalinen, erot ja muunnokset» Keskiviikon oppimistavoitteet. Desibelit. Kaapelit ja kuidut Laskuharjoitus. Desibelit ja Shannonin kaava ELEC-C7 3 siirto vaihe O: Optinen lennätin siirron rakenneosat Kuningas Ajatus Tietoisuus Mielen automatiikka Ilmaus (puhe, ele, kirjoitus) Vastaanottajan haku Käyttöliittymä Informaation käsittely Lähetin Kanava Kanavakoodaus A/Dmuunnos Kanavakoodaus Kooditaulukko Häiriö Ymmärrys Tietoisuus Havaitseminen Mielen automatiikka Käyttöliittymä Vastaanotin Informaation käsittely Sotapäällikkö ELEC-C7 5 ELEC-C7 6

2 / digitaalinen Digitaalisen tiedonsiirron ensiaskelia» on jatkuva Kaikki arvot (periaatteessa) mahdollisia» on diskreetti Rajallinen määrä arvoja A 4» tiedonsiirto Tieto pitää muuttaa siirrettäviksi biteiksi Ja? Edelcrantz + 4 = 6 + = = 6 ELEC-C7 7 ELEC-C7 8 Digitaalisuuden edut : Ääni» Kohinan ja häiriöiden sieto paranee Jos lähetetään + ja -, ja vastaanotetaan +.7 on todennäköistä että lähetettiin + (pelkän vahvistamisen sijaan) voidaan tunnistaa ja luoda uudestaan toistimet» tekniikka on luotettavampaa, edullisempaa ja vähemmän energiaa kuluttavaa, mahdollistaa kehittyneet kanavointitekniikat enemmän kapasiteettia» Aaltoliikkeeseen perustuvaa tiedon siirtoa Mekaanisena värähtelynä» Etenemisnopeus (v) riippuu väliaineesta Ilma 33 m/s, vesi 5 m/s, teräs 5 m/s Valo etenee kuidussa n. km/s Signaali vaimenee matkalla» Ihminen aistii mm. Voimakkuuden Äänen korkeuden» Yhteys voi olla epäsymmetrinen ELEC-C7 9 ELEC-C7 Luentotehtävä Termit» Oletetaan että kiertää optista kaapelia pitkin maapallon ympäri. Käytä maapallon ympärysmittaa pituutena. Kuinka pitkälle ääniaalto etenee samassa ajassa kuin optinen kiertää maapallon?. Kuinka kauan valolla kestää kulkea se matka jonka ääniaalto oli edennyt valon kiertäessä maapallon? Teho a Taajuus f = v/ [Hz] Amplitudi (a) v = aallon etenemisnopeus Aallonpituus ( ) a matka Kaistanleveys = ylimmän ja alimman taajuuden erotus ELEC-C7 ELEC-C7

3 Taajuudet tiedonsiirto - - s» Siirrettävä tieto on digitaalista (eli bittejä) Joko kvantisoitu (ääni, kuva) tai alun perin digitaalista (data)» Siirtotiellä käytetään rajallista joukkoa aaltomuotoja Yksi bitti voi olla kaksi eri tehotasoa, kaksi taajuutta, jne. Vastaanottaja tietää, mitä on voitu lähettää 5 5 MHz 5 5 MHz ELEC-C7 3 ELEC-C7 4 Signaalin digitalisointi (yksinkertaisin menetelmä) Ja analogiseksi... Amplitudi aika... Amplitudi aika ms,, , , -, Näyttää melko hyvältä mutta kuulo on hyvin herkkä virheille [ puheteknologia, kommunikaatioakustiikka] ELEC-C7 5 ELEC-C7 6 Digitalisoinnin aiheuttamat n vääristymät Kvantisointi.. Kvantisointikohina. Signaalin huippuarvojen leikkaantuminen 3. Näytteenottotaajuuden riittämättömyys laskostuminen ELEC-C7 7 ELEC-C7 8 3

4 Puheen digitalisointi Huippuarvojen leikkaantuminen» Muutetaan mekaaninen värähtely sähköiseksi» Otetaan sta näyte tasavälein» Muutetaan näytteet biteiksi Epälineaarinen asteikko» Siirretään vastaanottajalle ELEC-C7 9 ELEC-C7 Riittämätön näytteenottotaajuus Nyquistin näytteenottoteoreema,,, -, -,,,, -, -, Taajuus = khz Näytteenottotaajuus = 6,66 khz Laskostuminen,,, -, -,,,, -, -, Suurin taajuus = khz Näytteenottotaajuus = khz» H. Nyquist esitti (98) Näytteitä pitää ottaa vähintään kaksinkertaisella taajuudella verrattuna n suurimpaan taajuuteen» Puhelinverkko Taajuusalue 3 34 khz näytteenottotaajuus vähintään 68 Hz Käytännössä tarvitaan enemmän Standardeissa sovittu 8 Hz Jos näyte koodataan 8 bitillä nopeus = 64 kbit/s ELEC-C7 ELEC-C7 pakkaaminen Varhainen esimerkki» Häviöllistä ja häviötöntä Riippuen siitä voidaanko alkuperäinen informaatio palauttaa alkuperäiseen muotoon» Häviötön perustuu redundanssiin Teksti voidaan pakata suhteellisen helposti 4 prosenttiin alkuperäisestä, tehokkaalla koodauksella jopa alle 5 %:iin» Videokuvan siirto lähes aina häviöllistä HD-video pakkaamattomana >. Gbit/s Tyypillinen pakattu (häviöllinen) HD-video 5 Mbit/s» Kuninkaan käsky: hyökkäys kello 6 Voi mahtua vastaanottajan ja lähettäjätiedon kanssa 6 symboliin (á 9 bittiä) eli 54 bittiin! Perustuu ennalta valikoituihin, eniten käytettyihin sanoihin Kaikki kirjainyhdistelmät eivät ole yhtä todennäköisiä Jos jokainen kirjain koodattaisiin erikseen tarvittaisiin huomattavasti enemmän bittejä Chappen erikoissignaaleja: High priority - a signal from Paris Lower priority - a signal from a Provincial director Message received and understood End of transmissions for the day You did not copy my last signal correctly I cannot see (because of fog, or snow) Temporary breakdown, which I will repair Serious breakdown, which I cannot repair An intermediate station is blocking or slowing transmission Please continue transmission My last signal was incorrect Please repeat your last signal ELEC-C7 3 ELEC-C7 4 4

5 Keskustelu pari minuuttia» Voidaanko kohinaa pakata?» koskee (vain) digitaalisen datan siirtämistä siirtotien, esimerkiksi kaapelin yli, mahdollisimman yksinkertaisesti Esimerkiksi kun tietokone liitetään lähiverkkoon Monimutkaisemmissa siirtojärjestelmissä käytetään kanavakoodausta ja erilaisia kanavointi- ja modulointimenetelmiä Chappen ja Edelcrantzin ero on (tavallaan) johtokoodauksessa + Edelcrantzilla bitit on selkeästi rinnakkain! ELEC-C7 5 ELEC-C7 6 Asynkroninen informaatio data (tyhjää) Yksinkertaisin malli: kaksi amplituditasoa (tässä + / -) Data Amplitudi aloitusbitti b b b3 b4 b5 b6 b7 lopetusbitit pariteettibitti - - s ELEC-C7 7 ELEC-C7 8 Esimerkkejä johtokoodauksesta n (analogiset!) taajuudet NRZ Teho ( a tässä teho P = ).3.3 RZ 5%. Kaistanpäästösuodatus MHz. (P =.88) Manchester MHz MHz ELEC-C7 9 ELEC-C7 3 5

6 Signaalin muuttuminen taajuuskaistan mukaan Kanavakoodaus 3 MHz» Tavoitteena on sovittaa informaatio kanavan ominaisuuksiin siten, että informaatio saadaan siirrettyä tehokkaasti ja luotettavasti MHz 3 MHz» Ratkaistaan samoja ongelmia kuin tiedontallennuksessa, kuten virheiden havaitseminen ja korjaaminen käsitellään lisää tietojenkäsittelyosuudessa ELEC-C7 3 5 ELEC-C7 3 Taajuusjakoinen kanavointi» Eli multipleksointi» Tapa siirtää samalla yhteydellä (johto, radioaalto) useita hyötysignaaleja Taajuuskanavointi (FDM) Aallonpituusjakoinen kanavointi (WDM) Aikajakoinen kanavointi (TDM) Koodijakoinen kanavointi (CDM) + Yhdistelmät» Taajuusalue jaetaan useaan viipaleeseen eli kanavaan» Kanavalla on oma moduloitava kantoaalto» Esimerkki matkapuhelinverkossa GSM: 85, 9, 8, 9 MHz kaistat Lähettäjä Lähettäjä Jaettu siirtokanava Vastaanottaja Vastaanottaja Lähettäjä N Vastaanottaja N ELEC-C7 33 ELEC-C7 34 Aikajakoinen kanavointi Aallonpituusjakoinen kanavointi» Lähetetään useista signaaleista otettuja näytteitä vuorotellen (samalla taajuudella)» Yksi kanava = tietyin väliajoin vastaanotetut bitit» Vastaa periaatteessa taajuusjakoista kanavointia» Käytetään optisessa viestinnässä, eli valokuiduissa Kanava = valon aallonpituus Moninkertaistaa valokuitujen kapasiteetin ELEC-C7 35 ELEC-C7 36 6

7 Koodijakoinen kanavointi Kevennys ja opetus» Samaa taajuuskaistaa käyttävät t koodataan omilla koodeillaan» Koodin haltija pystyy erottelemaan vastaanottamastaan sta oman tietonsa mutta ei muita ilman tarvittavaa koodia» Käytetään 3. sukupolven (3G) matkapuhelinverkoissa» Analogia: samanaikainen eri kielillä puhuminen cocktail-tilaisuudessa Jos muut kielet ovat riittävän erilaisia, ne ovat kohinaa» Monikansallisessa yhtiössä on sihteerin paikka avoinna. Kultainen noutaja hakee paikkaa ja pääsee haastatteluun. Henkilöstöpäällikkö kysyy; Osaatko vieraita kieliä? Kultainen noutaja vastaa: Miau. (Platon ja vesinokkaeläin menivät kapakkaan)» Pointti Tästä voi muistaa koodijakoisen kanavoinnin periaatteen miten eri eläinlajit viestivät viidakossa samanaikaisesti ELEC-C7 37 ELEC-C7 38 Tämän viikon aiheet Maanantain keskustelu» Maanantain oppimistavoitteet. Siirtojärjestelmien perusrakenneosat. vs. digitaalinen, erot ja muunnokset» Keskiviikon oppimistavoitteet. Desibelit. Kaapelit ja kuidut Laskuharjoitus. Shannonin kaava» Voidaanko kohinaa pakata? (Sakke Jussmäki) Kohinasta kuvioita ELEC-C7 4 siirron rakenneosat A/Dmuunnos Kanavakoodaus Kanavakoodaus 4 ELEC-C7 4 7

8 AM eli amplitudimodulaatio» Jotain kantoaallon ominaisuutta (tai ominaisuuksia) muokataan siten että sen (niiden) avulla voidaan välittää haluttu informaatio Kantoaalto» periaatteet Amplitudi Taajuus Vaihe Moduloiva Moduloitu 5 ELEC-C7 43 ELEC-C7 44 amplitudimodulointi (ASK) Amplitudimoduloitu Kantoaalto Moduloiva.. (P =.976). Moduloitu. 3 MHz MHz ELEC-C7 ELEC-C7 46 FM eli taajuusmodulointi taajuusmodulointi (FSK) Kantoaalto Moduloiva ULA = FM radio (-lähetys) on edelleen analoginen! Kantoaalto Moduloiva Moduloitu Miksi? Moduloitu ELEC-C7 47 ELEC-C7 48 8

9 Taajuusmoduloidun n taajuudet vaihemodulaatio (PSK).3 Kantoaalto.3. (P =.85).. Moduloiva. MHz Moduloitu MHz ELEC-C7 49 ELEC-C7 5 Vaihemoduloidun n taajuudet Desibeli... (P =.93)» Logaritminen asteikko Kuvaa suureiden suhteita Tehojen suhde (ellei muuta mainita)» Yksikkö = beli (Bell in mukaan)» Yleensä desibeli, eli kymmenesosa. P P [db] = log P P [db] 3 MHz MHz» Tehoa kuvataan usein suhteessa milliwattiin P [dbm] = log P mw 5..4 ELEC-C7 5 ELEC-C7 5 Desibeli esimerkkejä Häiriöt ja kohina» Tehon kaksinkertaistaminen +3 db : = - db : = -3 db : = + db 5: = +37 db» Koska teho on suhteessa amplitudin neliöön, jännitteelle ja virralle desibelit lasketaan log U U ja log I I [db]» Lämpö on hiukkasten satunnaista liikettä Aiheuttaa komponenteissa satunnaisuutta kohinaa Häiritsee kaikkea tietoliikennettä herkkiä vastaanottimia voidaan jäähdyttää kohinan minimoimiseksi» Muita lähteitä (riippuen käytetystä mediasta) Ylikuuluminen Melu Vesisade, sumu ELEC-C7 53 ELEC-C7 54 9

10 Signaalikohinasuhde Esimerkki: S/N = = 3dB» Hyötyn ja taustahäiriön suhde S/N (signal-to-noise ratio) S = vastaanotetun hyötyn teho N = häiriöteho» Signaalin laatu riippuu järjestelmästä GSM-verkossa S/N db: yhteys heikko tai olematon S/N db: kelvollinen yhteys S/N db: erinomainen yhteys.5 Amplitudi Amplitudi ELEC-C7 55 ELEC-C7 56 Aikaisempi A/D + D/A muunnosten tuotos siirron määrä,,, -, -,, Erotus, -,» Signaalikohinasuhde luonnehtii yksittäisen tiedonsiirtolinkin laatua» Informaatioteoria määrittelee suurimman mahdollisen tiedonsiirron määrän annetulla linkin laadulla» Bitti = tiedon määrä, joka voidaan ilmaista valitsemalla toinen kahdesta vaihtoehdosta Aakkosissa yhteensä 8 kirjainta Viiden kirjaimen sanoja on 8 5 = erilaista vaihtoehtoa Yhden viisikirjaimisen sanan tiedon määrä = log bittiä Signaalin ja erotuksen ( häiriön ) tehojen suhde =,5 /,34 = 5,7 db ELEC-C7 57 ELEC-C7 58 Shannonin lause Siirtomediat» Informaatioteorian yläraja tietoliikenteelle C = B log + S N B = kaistanleveys [Hz = /s] S = vastaanotetun n teho N = kohinateho Pohdittavaa: [bit/s] Jos kohinasuhde on +3 db ja kaistaleveys on MHz, niin mikä on teoreettinen kapasiteetti? Huomaa -kantainen logaritmi! Tehot (S ja N) tässä watteina, ei desibeleinä!» Avojohto Ensimmäiset puhelinyhteydet: yksijohtiminen teräslanka Avojohdinpari kupari välivahvistimet» Kierretty parikaapeli» Koaksiaalikaapeli» Valokuitu» (Ilmatie myöhemmin tällä kurssilla) ELEC-C ELEC-C7 6

11 Jo ennen puhelinkaapeleita Kierretty parikaapeli Pätkä kaapelia joka yhdisti Pohjois-Amerikan ja Euroopan » Johtimien kiertäminen vähentää olennaisesti häiriöitä Aluksi epätasalaatuisia ja häiriöherkkiä» Suurilla nopeuksilla tarvitaan lisäksi suojausta jottei kaapelista tule antennia» Kaistanleveys Cat 6 (yleisin): 5 MHz, G Ethernet Cat 8 :.6 - GHz (kehitteillä) B I Suojaamaton kat6 Sivut/tuotetietosivu.aspx?partno=6465 ELEC-C7 6 ELEC-C7 6 USB: Universal Serial Bus USA/B - kevennys» Sarjamuotoinen väylä Type A: 4 johdinta: kaksi datalle, käyttöjännite (+5V) ja maa» NRZI-koodaus (Non-Return-to-Zero Inverted) -bitti esitetään tilamuutoksella ja -bitti ilman tilamuutosta» Standardit USB. Mbit/s USB. 48 Mbit/s USB 3. 4,8 Gbit/s USB 3. Gbit/s ELEC-C7 63 ELEC-C7 64 Koaksiaalikaapeli Valokuitu Muovinen suoja» Käytettiin lähinnä Ulkojohdin koska kierretystä parikaapelista ei osattu tehdä tarpeeksi tasalaatuista koaksiaalikaapeli taas oli tässä suhteessa helpompi!» Koaksiaalikaapelin sisä- ja ulkojohtimien välillä on suuri kapasitanssi vaimenee koaksiaalikaapelissa enemmän kuin parikaapelissa Sisäjohdin Dielektrinen eriste» 966:. toimivat laitteet» 976:. kaupalliset järjestelmät (45 Mbit/s)» 988: Atlantin ali 4 kanavaa» : Atlantin ali 3, Tbit/s» 6: yhdellä kuidulla 4 Tbit/s Esim: jokaiselle suomalaiselle,6 Mbit/s» Ilman välivahvistimia jopa 7-5 km» Kuitua tuotetaan miljoonaa km vuodessa advantages-fibre-optic-cables-kenyans/ 5 ELEC-C ELEC-C7 66

12 Valokuitu - heijastukset Valokuitujen tyypit» Monimuoto taitekerroin n n > n kokonaisheijastus Askeltaitekertoiminen vain lyhyillä matkoilla, koska eri tulokulmista tulevat säteet kulkevat eri matkan Asteittaistaitekertominen parempi sillä pitemmän matkan kulkevat säteet kulkevat suuremmalla nopeudella» Yksimuoto Kuidun ytimen paksuus vain muutama aallonpituus, ei dispersio-ongelmaa 5 m Paksu hius 8 m Mahdollistaa erittäin suuret nopeudet ja pitkät siirtovälit ELEC-C ELEC-C7 68 Kurssin ohjelma. Johdanto ma.. & ke 3... Tietoliikennealan palvelut ma 8.. & ke.. 3. siirto ma 5.. & ke Kommunikaatioakustiikka ma.. & ke 3.. (Ville Pulkki) 5. Puheteknologia ma 8.. & ke.. (Kalle Palomäki) 6. Kiinteät verkot ma 5.. & ke Matkaviestintä ma.. & ke Tietojenkäsittely ma 9.. & ke Internet ma 7.3. & ke 9.3.