Fysiska lagret. Kanal. Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus)

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Fysiska lagret. Kanal. Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus)"

Rune Sundqvist
för 8 år sedan
Visningar:

1 Fysiska lagret Sändare Digital information Kanal Mottagare Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus) Kanalens kapacitet Det som är helt avgörande för en kanals kapacitet (överföringshastighet) är Bandbredden (t.ex. telefonkanal som ligger på Hz) Signal/brus-förhållandet

(av brus) Kanalens kapacitet Det som är helt avgörande för en kanals kapacitet

2 Två olika typer av kanaler Vi skiljer på: Basbandskanal. Basbandet är meddelandets (=datasignalens) frekvensomfång och en basbandskanal är alltså en kanal som tillåter att vi sänder meddelandet direkt ut på kanalen, t ex Ethernet Passbandskanal. Om kanalen inte tillåter att vi sänder datasignalen direkt på kanalen (t ex en radiokanal) så har vi en passbandskanal. Vi måste då omvandla datasignalen så att dess frekvensinnehåll förflyttas till frekvenser som passbandskanalen tillåter (genom modulering). Exempel på passbandskanal är W- LAN (2,4 GHz) eller telefonkanalen ( Hz)

på kanalen, t ex Ethernet Passbandskanal.

3 Basbandssignal Basbandet = meddelandets frekvensinnehåll. En fyrkantvåg kan skrivas som summan av grundtonen och de udda övertonerna (justerade med konstanter). 1 0 Datasignal = R (t ex 10 Mbit/s) Grundton f c = R/2 (5 MHz) 3:e överton = 3* f c (15 MHz) 5:e överton = 5* f c (25 MHz) osv..

4 Resultatet i frekvensplanet blir en signal med oändlig bandbredd amplitud DC f c 3f c 5f c 7f c 9f c 11f c f Om vi har en datasignal som inte är en ren fyrkantvåg utan varierar slumpmässigt mellan 0 och 1..så kommer frekvensinnehållet (frekvensspektrumet) principiellt att se ut så här: f c

inte är en ren fyrkantvåg utan varierar slumpmässigt mellan 0 och 1.

5 Nu kan vi inte hitta kanaler med oändlig bandbredd men ofta räcker det med en bandbredd som tillåter att åtminstone grundtoner släpps igenom. I vårt exempel på 10 Mbit/s och där grundtonen har frekvensen 5 MHz räcker det alltså om kanalbandbredden, H = 5 MHz. Kanalens kapacitet: Max överföringshastighet, C=2H [bit/s], där kanalbandbredden = H (och vi enbart använder symbolerna 0 och 1. Annars C=2H* 2 logv [bit/s]).

I vårt exempel på 10 Mbit/s och där grundtonen har frekvensen 5 MHz räcker det alltså om

6 Passbandssignal Om kanalen inte tillåter att vi sänder datasignalen direkt på kanalen (t ex en radiokanal) så har vi en passbandskanal. Vi måste då flytta meddelande (basbandet) till passbandet, dvs till frekvenser som kanalen tillåter. Det sker genom bärvågsmodulering. Vi präglar in meddelandet på en bärvåg vars frekvens är sådan att den ryms i passbandskanalen. Exempel på passbandskanal är W-LAN (2,4 GHz) eller telefonkanalen ( Hz) amplitud Förflyttning av meddelandet genom modulering f Basbandet Passbandet

Det sker genom bärvågsmodulering. Vi präglar in meddelandet på en bärvåg vars frekvens är sådan att den ryms i passbandskanalen.

7 Bärvågsmodulering En bärvåg används som bärare av information och kan tecknas: s(t) = A*sin(wt+q). Eftersom vi kan ändra antingen amplitud (A), frekvens (w ) eller fasläge (q ) kan vi tänka oss att prägla in vårt meddelande på tre olika sätt: Amplitudmodulering, ASK (Amplitude Shift Keying) Frekvensmodulering, FSK (Frequency Shift Keying) Fasmodulering, PSK (Phase Shift Keying)

Eftersom vi kan ändra antingen amplitud (A), frekvens (w ) eller fasläge (q ) kan vi tänka oss

8 Bärvågsmodulering forts Data ASK FSK PSK

9 Amplitudmodulering Vi präglar in meddelandet (0 eller 1) genom att ha två olika amplituder på bärvågen, t ex 0 och A Volt. S(t) = A*cos wt för logisk 1 0 för logisk 0

10 Frekvensmodulering Vi präglar in meddelandet (0 eller 1) genom att ha två olika frekvenser på bärvågen, w 1 och w 2 S(t) = A*cos w 1 t för logisk 1 A*cos w 2 t för logisk 0

11 Fasmodulering Vi präglar in meddelandet (0 eller 1) genom att ha två olika faslägen på bärvågen, t ex 0 och p radianer. S(t) = A*cos (wt+p) för logisk 1 A*cos (wt+0) för logisk 0

12 Signal/Brus-förhållande och bitfelssannolikhet Signal/brus-förhållande definieras som förhållandet mellan mottagen signaleffekt och brusets effekt. SNR = S N = Signaleffekt Bruseffekt Alltför lågt SNR innebär bitfel i överföringen. Sannolikheten för bitfel kallas BER (Bit Error Rate) Antalet felaktiga bitar BER = Totaltantal överförda bitar Shannons formel: Maximal överföringshastighet, C, över en kanal: C=H* 2 log( S +1), H= Kanalens bandbredd i Hz. Notera: N 2log(X) = 10log(X) 10log 2

Sannolikheten för bitfel kallas BER (Bit Error Rate) Antalet felaktiga bitar BER = Totaltantal överförda bitar Shannons

13 Exempel: Telefonkanal: Hz H = 3100 Hz = 3400Hz -300Hz SNR = 50 db = 10 5 ggr. Max teoretisk överföringshastighet på telefonkanalen: C=H* 2 log(s/n +1) = log( ) = 3100 log( log(X) +1)/log2 [ 2log(X) = ] 3100 log log 2 /log2 = 3100*5/log2 3100*5/0,3 51,7 kbit/s

14 Informationsteori Skilj på: informationshastighet = datahastighet, R [bit/s] symbolhastighet, R s [symboler/s] eller [Baud] Betrakta en signal med två symboler, V=2. Logisk 0 representeras av 0 volt och logisk 1 av 5 volt. (V=antal symboler eller amplitudnivåer) Symbol för logisk 1 Symbol för logisk 0 5V 0V Antal bitar/symbol, m, kan definieras som m= 2 logv V=2; m= 2 log2=1 [bit/symbol] Om vi väljer fyra olika symboler, dvs V=4 får vi: V=4; m= 2 log4=2 [bit/symbol] För att fördubbla bithastigheten med bibehållen symbolhastighet (och bandbredd) måste antalet symboler (=nivåer) öka kvadratiskt. T ex från 1 bit/symbol till 2 bitar/symbol måste antalet symboler öka från 2 till 4, dvs V=m 2 = 2 2 = 4. Generellt får vi: R=R s * 2 logv [bit/s] respektive C=2H* 2 logv [bit/s]

(V=antal symboler eller amplitudnivåer) Symbol för logisk 1 Symbol för logisk 0 5V 0V Antal bitar/symbol, m, kan definieras som m= 2 logv V=2; m= 2 log2=1 [bit/symbol] Om vi väljer fyra olika

15 Samma principer gäller även för bärvågsmodulering. Genom att använda en kombination av ASK och PSK, kan man få fler än 2 bitar/symbol. Det kallas ofta för QAM. 16-QAM innebär att man använder 16 symboler, V=16; m= 2 log16=4 [bit/symbol] (a) QPSK. Fyra olika symboler (V=4) ger 2 [bit/symbol] (b) 16-QAM. 16 olika symboler (V=16) ger 4 [bit/symbol] (c) 64-QAM. 64 olika symboler (V=64) ger 6 [bit/symbol]

16 Överföringsmedia Vi har tre typer av medier som används i datakommunikation: Metalliska medier Fiber Radio Jämförelse mellan olika medier med avseende på viktiga egenskaper (ungefärliga värden) Överföringsmedia Hastighet Räckvidd BER Pris Kopparkabel (Tp) 256 kbit/s - 1 Gbit/s 100m - 5 km 10-6 Låg Optisk fiber > 10 Gbit/s < 15 mil Hög (fallande) Radio 10 kbit/s Mbit/s 10m - 3 mil 10-3 Medel

Överföringsmedia Hastighet Räckvidd BER Pris Kopparkabel (Tp) 256 kbit/s - 1 Gbit/s 100m - 5 km 10-6

17 Metalliska kablar (oftast koppar) Tvinnad parkabel tp-kabel Koaxialkabel Tvinnad parkabel Ingen ledare är jordad Utsignalen är skillnadsspänningen mellan ledarna. Störningar på kablarna kommer att ta ut varandra när kablarna är tvinnade. Ju bättre tvinning, minde störningar. Detta tack vare symmetrin. Tvinnad partråd kan vara Oskärmad, kallas UTP (Unshielded Twisted Pair) Kategori 3 (CAT3) klarar 10Mbit/s Kategori 5 (CAT5) klarar 100Mbit/s Kategori 6 (CAT6) klarar 1 Gbit/s Skärmad, kallas STP (Shielded Twisted Pair)

Ju bättre tvinning, minde störningar. Detta tack vare symmetrin.

18 Koaxialkabel Består av en innerledare och en skärm utanpå. Skärmen fungerar både som skärm och som återledare. Karaktäristisk impedans 50 ohm (används till radio och data) Karaktäristisk impedans 75 ohm (används till kabel-tv) Bandbredd är vanligen runt 500 MHz

Karaktäristisk impedans 50 ohm (används till radio och data)

19 Optisk kabel Tekniken bygger på att ljus passerar genom ett medium och studsar mot ett tjockare medium. Ljuset måste dock ha en viss infallsvinkel för att kunna reflekteras varför infallsvinkel inta får vara för brant. Ljusets hastighet genom kärnan, v, i förhållande till ljusets hastighet i vakuum, c, kallas brytningsindex, n. c n = v Mantel; n 1 Kärna; n 2 En av ljusets strålvägar = mode Problem: Eftersom vi har flera olika möjliga vägar för ljuset att ta (olika moder) kallas fibertypen för Multi mode-fiber. Problemet är att ljuset kan ha gått olika lång väg när det når mottagaren och det ljus som gått längsta vägen kommer fram senare varför vi får en pulsbreddning (dispersion). pulstid pulsbreddning Fibertyper Multimode. Pulsbreddningen minskar maximal hastighet. Används vid relativt korta avstånd. Räckvidd ca. 500m Singelmode. Genom att bara tillåta en utbredningsväg för ljuset (en mode) kan vi minimera pulsbreddningen. Främst använder man singelmode vid långa distanser och höga datahastigheter.

Ljusets hastighet genom kärnan, v, i förhållande till ljusets hastighet i vakuum, c, kallas brytningsindex, n.

20 Radio Radiovågor är elektromagnetiska vågor inom området 10 khz GHz. För datakommunikation används i stort sett bara frekvenser över 1 GHz. Detta för att få tillräcklig bandbredd och därmed tillräckligt hög datahastighet. Hög frekvens medför kortare räckvidd men i gengäld högre datahastighet. Låg frekvens medför längre räckvidd men lägre datahastighet.

Detta för att få tillräcklig bandbredd och därmed tillräckligt hög datahastighet.

21 W-LAN Trådlösa LAN (W-LAN) använder två olika frekvensband, 2,4 GHz och ca 5 GHz. W-LAN banden (ISM) i USA. OBS! W-LAN banden skiljer sig lite mellan USA och Europa. Ett W-LAN som använder 2,4 GHz ( se figur nedan) täcker ett avsevärt större område än ett som använder 5 GHz. Det innebär att man får använda betydligt fler accesspunkter för att täcka samma område. Det får man väga mot den större bandbredden som kan erhållas. 5 GHz 2,4 GHz

Relevanta dokument

Kommunikation. 2015-10-05 Jan-Åke Olofsson

Kommunikation. 2015-10-05 Jan-Åke Olofsson Kommunikation 2015-10-05 Jan-Åke Olofsson Några årtal (1800-talet) Telegrafen https://www.youtube.com/watch?v=drlxz GMWnfI https://www.youtube.com/watch?v=jt9zm _-2S6g 1972 försvinner all manuell