Föreläsning 3. Datakodning (Data encoding) T Introduktion till modern telekommunikation Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 1

Transkript

1 Föreläsning 3 Sändare Länk Mottagare Mål Behandla procedurer som behövs för överföring på en länk Förstå linjekodningens grundprinciper Känna till allmänna linjekodningar Känna till faktorer som påverkar val av linjekodning Förstå hur modulering fungerar Känna till allmänna moduleringsförfaranden Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 1 Mål (fortsättning) Förstå orsaken till inramning av information Känna till olika inramningsätt Förstå betydelsen och behovet av kontrolldata och nyttolast Adressering Förstå orsakerna till användning av felkontroll Förstå olika felkontrollssystem Förstå iden med flödeskontroll Känna till flödeskontrollförfaranden Förstå behovet av bittatktsreglering Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 2 Datakodning (Data encoding) analog ~ kontinuerlig diskret ~ digital data propageras med elektriska signaler analog signal: kontinuerlig variabel elektromagnetisk signal digital signal: en serie spänningspulser Fyra möjligheter: analog data, analog signal analog data, digital signal (digitalisering, codec) digital data, analog signal (modulering, modem) digital data, digital signal Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 3 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 1

2 Terminologi signalelement vågform som representerar ett visst bitvärde eller värdena på ett block av bitar bittakt antalet bitar som överförs per sekund b/s B/s = byte/s signaleringstakt signalelement per sekund, enheten kallas baud linjekodning processen att representera bitar med hjälp av amplituddiskreta pulser modulering kontinuerliga vågformer används för att representera bitarna Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 4 Linjekodning (1/8) Enklaste sättet vore att repesentera en etta med en hög spänningspuls och en nolla med nollnivån? Linjekodning tar ställning till: synkronisering (mottagaren måste veta när en bit börjar och slutar) representerar signalnivån en etta eller en nolla brus man måste känna till brusets påverkan för att kunna bestämma passliga signalnivåer dämpning att känna till dämpningen påverkar hur signalen tolkas hos mottagaren Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 5 Linjekodning (2/8) Faktorer som påverkar val av linjekodning signalens spektrum klockningsinformation feldetektering känslighet för störningar kostnad och komplexitet Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 6 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 2

3 Linjekodning (3/8) RZ en etta representeras av en puls NRZ (NRZ-L) representera det ena binära värdet med en negativ puls, den andra med en positiv NRZ-I en etta representeras med en ändring i signalnivån (hög till låg eller låg till hög) Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 7 Linjekodning (4/8) Bipolar AMI ingen signal representerar 0 en alternerande negativ eller positiv puls representerar en 1 användning, t. ex telefoni Pseudoternary invers till Bipolar AMI Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 8 Linjekodning (5/8) RZ NRZ Bipolar AMI Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 9 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 3

4 Linjekodning (6/8) Manchester en övergång i mitten av tidsintervallet låg till hög = 1 hög till låg = 0 förser samtidigt klockningsinformation Differential Manchester övergång i början av tidsintervallet = 0 avsaknad av övergång i början av tidsintervallet = 1 övergången i mitten av intervallet förser klockningsinformation Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 10 Linjekodning (7/8) Manchester Differential Manchester Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 11 Linjekodning (8/8) Övriga format B8ZS samma som bipolar AMI, utom att varje sträng av åtta nollor ersätts med en sträng innehållande två kodfel HDB3 samma som bipolar AMI, utom att varje sträng av fyra nollor ersätts av ett eller två kodfel Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 12 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 4

5 Modulering (1/2) Bärvåg en kontinuerlig signal med konstant frekvens bärvågen moduleras för att representera data Amplitudmodulering två amplitudnivåer (en av amplituderna ofta 0) Frekvensmodulering två olika frekvenser används Fasmodulering ändra fasen då en etta skickas Om man har fasskiften med 90 grader varje signal representerar två bitar Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 13 Modulering (2/2) Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 14 Transmissionsinramning Visat hur bitar kan överföras när källan är på. Hur visar man att källan är av? RZ, NRZ och AMI använder avsaknad av signal för att representera bitvärdet 0. Lösning: rama in bitarna i meddelandet teckenbaserad inramning bitbaserad inramning En transmissionsram består av meddelande styrdata data för feldetektering Ramarna kan ha konstant eller variabel längd Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 15 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 5

6 Teckenbaserad inramning Kräver specialtecken för överföringen SYN synkroniseringssymbol, skickas mellan meddelanden STX början på texten ETX slut på texten CRC cyklisk redundans check, för feldetektering SYN SYN STX Styrdata Meddelande ETX CRC Transmissionsram SYN Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 16 Bitbaserad inramning Början och slutet av ramen markeras med en sk flagga till exempel (7E hexadecimalt) flaggan får ej förekomma inuti ramen: använd bitfyllnad efter fem 1:or i följd läggs en 0 in, blir mottagaren kan unikt detektera ramens två flaggor och sedan ta bort en 0:a efter varje sträng med fem 1:or i följd Ytterligare användningar 7E kan skickas oavbrutet då sändaren är inaktiv för att bibehålla synkronisering (klockning) på länken (7F) indikerar avbruten sändning 7FF+ visar att länken är inaktiv Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 17 Asynkron transmission sändarens och mottagarens klockor är oberoende (asynkrona) samplingen sker alltså enligt mottagarens klocka en startbit, en fast antal bitar (oftast fem till åtta), möjligen en paritetsbit, och en stopbit mottagaren kan synkronisera till startbiten Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 18 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 6

7 Synkron transmission sändarens och mottagarens klockor synkroniseras man bör kunna bestämma början och slutet på datablocket teckenbaserad och bitbaserad inramning jämförelse av synkron och asynkron transmission effektiviteten låg för asynkron (många kontrollbitar för varje överfört tecken) synkron transmission mera effektiv och därför mera attraktiv Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 19 Flödeskontroll Teknik för att garantera att sändaren inte överväldigar mottagaren med information stop-and-wait flow control sändaren måste vänta på en bekräftelse innan nästa ram kan sändas sliding window flow control sändarfönster sändaren kan sända ett visst antal ramar utan att vänta på bekräftelse om bekräftelse kommer, flyttas fönstret framåt Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 20 Felkontroll Det kan uppstå fel under överföringen pga av störningar Mekanismer för att detektera och korrigera fel behövs Om inte korrigering används, kombineras feldetektering med omsändning Omsändning (automatic repeat request, ARQ) sker vid negativ bekräftelse mottagaren begär omsändning av förlorade eller felaktiga paket avsaknad positiv bekräftelse paket som inte bekräftats före en given tidsfrist antas ha kommit bort Forward Error Correction Felkorrigering Backward Error Correction feldetektering och omsändning Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 21 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 7

8 Felkorrigering (1/2) Inkludera tillräckligt med kontrollinformation för att kunna detektera och korrigera felen Hammingkodning t. ex (7,4): 4 bitar skyddas av tre bitars felkorrigeringskod korrigerings- och detekteringsförmågan beror på Hammingkodningens matematiska egenskaper Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 22 Felkorrigering (2/2) Andra korrigeringsmetoder Reed-Solomonkodning faltningskodning (convolutional codes) Problem: kontrollinformationen ökar den överförda informationen acceptabel korrigering reduserar den effektiva bittakten med ca 50 % feldetektering har ansetts vara mera effektivt Trådlös kommunikation inte motståndskraftig mot störningar Även sändning till många kräver FEC Nya effektivare felkorrigeringsmetoder har utvecklats T ex turbo coding Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 23 Feldetektering När en ram tagits emot, brukar man verifiera att den är korrekt Enklaste kontrollen: en paritetsbit (jämnt antal 1:or i ramen) Cyklisk redundans check lägg L bitar till meddelandet så att det blir jämnt delbart med ett givet tal talet kallas generator och skrivs ofta som ett polynom med koefficienterna 0 och 1: g(x) = x L +g L-1 x L -1 + g 1 x +1 L:te och 0:te termerna finns alltid med (koefficienter 1) sannolikheten att en slumpvis sträng av bitar ska uppfattas som en korrekt ram är 2 -L Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 24 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 8

9 Feldetektering, exempel Exempel meddelande M = m(x) = x 11 +x 10 +x 8 +x 5 +x 3 +x 1 = 0x 12 +1x 11 +1x 10 +0x 9 +1x 8 +0x 7 +0x 6 +1x 5 +0x 4 +1x 3 +0x 2 +1x 1 +0x 0 generator g(x)= x 3 + x (3 bitar CRC) CRC = rest {m(x) x L / g(x) } = rest {x 14 +x 13 +x 11 +x 8 +x 6 +x 4 / x 3 + x 2 + 1} = x skicka M CRC = Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 25 Omsändning (1/3) Tre vanliga strategier Stop and wait skicka ett paket vänta på bekräftelse vid negativ bekräftelse (eller avsaknad), skicka paketet igen Go back N skicka upp till ett sändfönster med paket vid förlust, skicka om det bortkomna paketet samt alla senare paket Selective repeat skicka upp till ett sändfönster med paket vid förlust, skicka enbart om det förkomna paketet Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 26 Omsänding (2/3) Jämförelse Stop and wait låg genomströmning: ett paket per rundreseperiod (RTT) sändordning och mottagarordning bibehållen omsändning enbart av tappade paket mottagarbuffert för ett paket Go back N mottagordningen bibehållen, men inte sändordningen stort antal paket kan omsändas vid enstaka förluster Selective repeat Varken mottagordningen eller sändordningen bibehållen omsändning enbart av tappade paket Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 27 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 9

10 Omsänding (3/3) Omsändning inte alltid möjlig för video och audio fördröjningar längre än vad som är acceptabelt för interaktiv kommunikation absolut leverans av alla data inte heller nödvändig Korrigering av förlust felkorrigerande koder övertäckning för ljud kan man tänja ut signalen så att luckan försvinner för video kan omgivande delar av en bild användas och tidigare bild Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 28 Sändarkaraktäristik (1/2) Överföring av information kräver transmissionskapacitet i nätet godtyckligt låg felfrekvens endast möjlig då inkommande trafik understiger nätets kapacitet; en dimensioneringsfråga Karaktärisering av sändarna för att dimensionera kapaciteten när, hur länge och hur ofta kommunicerar en sändare hur beter den sig under aktivitetsperioderna Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 29 Sändarkarakteristik (2/2) Tidsberoende informationstyper bittakten känd genom digitaliseringen, men kodning ger varierande antal bitar per tidsenhet Tidsoberoende data meddelandestorleken varierar, både från källan och genom datakomprimering sändtakten kan variera (behöver inte ens vara väl definierad) beror på operativsystem, och transportprotokoll Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 30 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 10

11 Bittaktsreglering Genom att modulera kodningen kan bittakten regleras Lämpliga gränsvärden: högsta bittakt, medeltakt, skurstorlek Gränsvärdena väljs så att moduleringen av bittakten inte stör kvaliteten otillbörligt Ljudeller videosignal Källkodning E.K.. KV D.K.. Fritt varierande bittakt bt ( ) Buffert µ ( t ) Återkoppling bt ( ) µ ( t ) = µ Betjäning som reglerar utgående bittakt t Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 31 Datalänk Protokoll Exempel på datalänk protokoll: HDLC (High-level data link control) Q.921 ~ (LAP-D) Link Access Procedure, D channel del av ISDN Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 32 Gunnar Karlsson, Bengt Sahlin 11