Exam in DT075G, Multimedia and communication systems and DT137G, Industrial Data Communications

Transkript

1 Mid Sweden University Dept. of IT and Media (ITM) Magnus Eriksson Tel , Jan 018 Page 1 of 6 Exam in DT075G, Multimedia and communication systems and DT137G, Industrial Data Communications Time: 8:00-13:00 Permitted tools: Arbitrary pocket calculator. An English-Swedish dictionary. Preliminary requirement for approval: DT075G: 33 out of 66 points. DT137G: 8 out of 56 points. Only write on one side of each sheet. You may answer in Swedish or English. THEORY PART 1. (10 p) For each of the following five functions or duties, (i) state which protocol layer in the five-layer TCP/IP model that may handle the function, and (ii) give an example of a specific protocol or a standard that provides the given function. a) Line coding or carrier-wave modulation b) Collision avoidance c) Transformation of binary data to ascii characters. d) End-to-end retransmission of incorrect or lost segments, indication of port number and sequence number, connection establishment, congestion avoidance by slow-start and window management e) Frame synchronization. (5 p) What factors and mechanisms may affect the packet throughput measurements when Internet bandwidth capacity measurement utilities such as bredbandskollen.se are used? Why don t you always get the maximum bit rate offered by the internet service provider, or the peak net bit rate that is possible in the network access technology? (Hint: The communication may involve a user computer, a measurement server, routers, switches, wires, Ethernet hub/bus networks, xdsl modems or PSTN modems using the analog telephone access network, wireless or mobile communication with varying signalto-noise ratio, etc.) 3. (6 p) Explain the aim of each of the following three concepts. State a standard or a technology as example of each concept. a) Half duplex b) Multiplexing c) Multiple access (also known as channel-access or media access control)

2 Exam in DT075G and DT137G 8 Jan 018 Page PROBLEM PART Show all calculcations. 4. (5 p) Ditt företag har IP-adresser i området till a) Vad är den ursprungliga subnetmasken? b) Dela in adressområdet i 3 subnät. Subnät A ska ha utrymme för 14 värddatorer, subnät B för 510, och subnät C för så många som möjligt. Vilka subnätadresser, broadcastadresser och subnätmaskar väljer du? Hur många värdar får plats i C? (Tips: Kontrollera att prefixet blir konstant inom ett subnät.) 5. (5 p) Consider the structure of a frame for CANbus as showed in figure. All the lengths except for the Data Field are expressed in bits. a) Calculate the Overhead (number of bits per frame that are not payload) in the transmission of a CAN frame. (Do not consider the bit stuffing mechanism. ) b) Consider a gross bitrate of 1 Mbit/s and a Data Field of 8 bytes payload. Calculate the useful bit rate for the data transmission. (Do not consider the bit stuffing mechanism) 6. (5 p) The definition of m is the relationship in between the signal power and the reference power 1 milliwatt. 0 m is consequently 1 milliwatt. (a) A -40 m signal is detected in the receiver side of a network interface card. What is the received signal strength in microwatt? (b) The signal was transmitted over a 0 km long cable, which attenuates the signal /meter, and amplified by a 30 amplifier before it reached the receiver. What transmitted signal strength level in m was fed into the cable? (c) The receiver side signal-to-noise ratio is 40. What is the receiver noise level in m?

3 Exam in DT075G and DT137G 8 Jan 018 Page 3 7. (5 p) Antag att du sänder följande bitsekvens: , men mottagaren utsätts för brus och därför tar emot följande: (a) Vad är bit-error rate BER under denna period? (Detta är egentligen en väldigt kort mätperiod, men låt oss ändå anta att ditt BER-värde är en god skattning av bitfelssannolikheten pe som du behöver veta på resten av uppgiften.) (b) Vårt system lägger till en felupptäckande kod med kodtakt c = 0,95, dvs informationstakten I (net bit rate) är 95% av rådatatakten (gross bit rate) R. Den felupptäckande koden används för automatic repeat request (ARQ). Antag att rådatatakten R är 1,6 Mbit/s, och vi behöver överföra en fil på 570 kbyte inom en minut. Hur stor packet error rate PER packet error probability pp kan vi acceptera utan för många omsändningar, dvs utan att goodput G blir för låg? Man kan visa att goodput G vid ARQ är G = I (1-pp). c) Hur stor paketlängd kan vi högst ha för att inte få ett högre värde på paketfelssannolikheten pp? (Du kan försumma att ARQ-protokollet lägger till overhead till varje paket, inklusive minst en bit för sekvensnummer i headern.) Q 8. (10 p) A modem is using symbols according to this constellation diagram. The amplitudes are in Volts. The gross bitrate is fb =50 kbit/s. The carrier frequency is fc = 300 khz. a) What modulation form is this? QAM, FSK, PSK or ASK? I b) How many bits are transferred per symbol? c) What is the symbol rate fs in baud or symbols/second? d) Assume an error correcting code of code rate ¾, resulting in that the net bitrate (information rate or useful bit rate) is 75% of the gross bitrate (the line rate or transmission bit rate). What signal-to-noise ratio in decibel is required to achieve this bit rate without errors? (Assume that the bandwidth is equal to the baud rate.)

4 Exam in DT075G and DT137G 8 Jan 018 Page 4 e) We want to use an ideal bandpass filter in the transmitter and the same filter in the receiver in view to reduce the noise, and increase the signal-to-noise ratio. What bandwidth B in Hertz, and what upper and lower cut-off frequencies fmax and fmin should the filter have? (Hint: B = fmax - fmin is approximately equal to the symbol rate. fmax and fmin are equally spaced around the carrier frequency fc, which is the center frequency of the spectrum.) f) Assume that the horizontal axis corresponds to the amplitude I of a sine wave (the inphase signal), and the vertical axis to the amplitude Q of a cosine wave (the quadrature phase signal), and that these to signals are sumarized. Calculate the amplitude and the phase of the signal. Find an expression for the time signal of the message , and plot this time signal. Hint: The modulated voltage signal can be expressed as: u( t) I sin( fc t) Qcos( fct) Acos( fct ) where the amplitude A of the signal follows from Pythagoras theorem: A I Q Volts The phase follows from: arg( I Q arctan, if I 0 jq) I Q arctan, if I 0 I 9. (5 p) En vanlig modell för mottagen effekt Prx från en radiosändare på avståndet D som sänder med effekten Prx är Prx = PrxG/d 4, där G är en dämpningskoefficient som beror av sändar- och mottagarantennterna. Antag att vår radiomottagare befinner oss på avståndet d1 =,0km från en radiosändare som sändare som sänder den signal vi vill lyssna på (nyttosignalen), och d =8,0km från en störande radiosändare. Sändarna sänder på samma kanalfrekvens, med samma sändareffekt Ptx och samma antenndämpning G. a) Beräkna signal-störförhållandet S/I i ggr, där S är den mottagna nyttosignalens effekt, och I är den mottagna störande signalens effekt. b) På hur stort avstånd d måste den störande sändaren minst befinna sig för att signalstörförhållandet SIR ska vara minst 1?

5 Exam in DT075G and DT137G 8 Jan 018 Page 5 NB! Only the DT075G course: 10. (5 p) ENDAST KURSEN DT075G: En kompressionsmetod genererar en ström bestående av 8 olika symboler. Dessa symboler inträffar med sannolikheter (dvs frekvenser) enligt: P(S0) = 0,5 P(S1) = 0,15 P(S) = 0,065 P(S3) = 0,065 P(S4) = 0,5 P(S5) = 0,15 P(S6) = 0,065 P(S7) = 0,065 a) Beräkna entropin för metoden, dvs. vad är medelinformationsmängden per symbol. b) Konstruera en Huffman-kod för metodens symboler och ange respektive symbols kodord. 11. (5 p) ENDAST KURSEN DT075G: En digitaliserad videosekvens komprimeras med en MPEG-liknande teknik. Beräkna vilken bithastighet som krävs om videosekvensen har följande egenskaper: 5 helbilder eller fields presenteras per sekund. (Egentligen 50 interlaced frames.) Full HDTV används, dvs varje helbild utgörs av pixlar, var och en med 8 bit Y-komponent (svartvit signal = luminanssignal), 8 bit Cb- kombonent och 8 bit Cr-kompontent (krominanssignaler), som erhålls efter konvertering från RGB till YCbCr. 4::0 färgnedsampling används, dvs.upplösningen på de två färgdifferenskomponenterna Cb och Cr har minskats med häften både horisontellt och vertikalt. GOP-struktur (dvs ordningsföljd mellan I- B- och P-bilder): IBBPBBPBBPBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBPBBPBBPBB Varje bildtyp komprimeras enligt kompressionsgrad I-bilder 10:1, P-bilder 5:1, och B-bilder 50:1.

6 Exam in DT075G and DT137G 8 Jan 018 Page 6 Formelblad Nedan följer ett urval av de formler som behandlats under kursens gång. Ljusets hastighet: c = M-ary digital modulation: fb fs log M Shannon s formel: R B log 1 S N Blockfelssannolikhet: P 1 (1 P) N, där N är blockstorlek (paketstorlek) Signal- till kvantiseringsbrusförhållande: Block i bit, och e P e är bitfelsannolikheten. U RMS SQR U /1 SQNR upplösning i bit. 6N i, där N är AD/DA-omvandlarens Entropiformeln: Medelvärde av periodiska signaler: U 0 1 T u(t)dt Effektivvärde (RMS) av periodiska signaler: Effektivvärde av sinusvågor: Relation mellan effektivvärde och effekt: Fourierserieutveckling av periodisk vågform: T 1 U RMS u( t) T U RMS 0 Û P U RMS / R sin sin 4 sin f t A A ft A ft A nft Bruseffekt av vitt brus: N N0B [W] där N0 är brustätheten i W/Hz och B är bandbredd. P Decibelmått: Effektförstärkning G 10 log ut P T 0 U Spänningsförstärkning G 0 log ut U dt Dämpning A G Signal-brusförhållande n SNR in in S 10 log N n