Exam in DT075G, Multimedia and communication systems

Transkript

1 Mid Sweden University Dept. of IT and Media (ITM) Magnus Eriksson Tel May 2017 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: 30 out of 60 points. DT137G: 26 out of 52 points. Only write on one side of each sheet. You may answer in Swedish or English. THEORY PART 1. (4 p) State the names of the seven OSI model layers from top to bottom. Enumerate (L7 to L1). 2. (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) Standardization of radio frequency and transmission power b) Unreliable and stateless message transfer with indication of port number. c) 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 d) Host-to-host retransmission of collided frames e) Start bits and stop bits in asynchronous serial communication 3. (6 p) Illustrate the difference between the following three concepts with example time diagrams, including message signal och message data stream. Explain the aim of each concept. Use terms such as passband transmission, baseband transmission, sine carrier wave (sw. bärvåg), pulse wave, analog message signal, bit stream, etc. a) Analog modulation (such as FM) b) Digital modulation (such as FSK) c) Line coding (such as Manchester coding)

2 Exam in DT075G and DT137G 23 May 2017 Page 2 PROBLEM PART Show all calculcations. 4. (6 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. Börja med det största nätet.) 5. (3 p) Ethernet-ramars storlek måste vara minst 42 oktetter plus ett visst mellanrum. Syftet med en undre gräns är att kollisionshanteringen i alla stationer i ett bussnät eller hubnät ska hinna upptäcka om annan station började sända en ram exakt samtidigt innan ramarna tar slut. I annat fall skulle en mottagarstation mitt emellan två samtidigt sändande stationer kunna drabbas av kollisionen och inte kunna ta emot ramen, men ramen sänds aldrig om. Betrakta ett Ethernet-hubnätverk av typen 100Base-T, det vill säga med överföringshastigheten 100 Mbit/s. Beräkna hur stort ledningsavståndet som i teorin högst får vara mellan två stationer, så att hela nätet täcks in av en ram av minsta möjliga storlek innan sändningen avslutas. Ramens utbredningstid får alltså högsta vara lika med ramens transmissionstid. Du behöver endast ta hänsyn till signalens löptid i ledningen, övriga tidsfördröjningar kan försummas. Antag att vågutbredningshastigheten är 67% av ljusets hastighet. (I verkligheten får det högst vara 100 meter mellan dator och hub, dvs 200 meter mellan två datorer, på samma Ethernetsegment vid tvinnad parkabel.) 6. (4 p) (a) A 1.0 microwatt signal is detected at the receiver side of a 1 km long cable, which attenuates the signal 0.05 db/meter. What is the transmitted signal strength in milliwatt that is feeded into the cable? (b) The receiver side signal to noise ratio is 20 db. What is the receiver noise level in microwatt? (3 p) 7. (2 p) MIMO (multiple-input multiple-output) innebär många antenner. Syftet kan vara diversitet (mottagaren kan kombinea flera alternativa signaler med varierande kvalitet till en med god kvalitet) för att bekämpa fädning (dämpning av vissa frekvenser på vissa positioner) som orsakats av flervägsutbredning (ekon). MIMO kan också möjliggöra hög total överföringshastighet, genom överföring av flera dataströmmer samtidigt på samma frekvens. Man utnyttjar då att olika sändarantenner får olika ekoprofil i de olika mottagarantennerna. En besläktad teknologi är en phased antenna array som består av ett stort antal antennelement i en matris, där varje antennsignal fasvrids något, i syfte att skapa en riktad mottagning eller sändning. Avståndet mellan två antennelement bör vara minst halva våglängden, för att ekoprofil eller fädning ska bli tillräckligt olika. Vad bör avståndet vara mellan antennelementen vid den nya standarden IEEE802.11ad, som är tänkt att verka på 60GHz-bandet?

3 Exam in DT075G and DT137G 23 May 2017 Page 3 8. (3 p) The message is followed by the CRC 1001, generated by the polynomial x 4 + x 3 + x + 1. Is the message correct or erroneous? Motivate. Q 9. (9 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.) 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(2f c t) Q cos(2f ct) Acos(2f ct ) where the amplitude A of the signal follows from Pythagoras theorem: A 2 2 I Q Volts The phase follows from:

4 Exam in DT075G and DT137G 23 May 2017 Page 4 arg( I Q arctan, if I 0 jq) I Q arctan, if I 0 I 10. (5 p) En vanlig modell för mottagen effekt Prx från en radiosändare på avståndet d som sänder med effekten Ptx är Prx = PtxG/d 4, där G är en dämpningskoefficient som beror av sändar- och mottagarantennterna. Antag att vår radiomottagare befinner oss på avståndet d1 =2,0km från en radiosändare som sändare som sänder den signal vi vill lyssna på (nyttosignalen), och d2 =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 d2 måste den störande sändaren minst befinna sig för att signalstörförhållandet SIR ska vara minst 12dB? NB! Only the DT075G course: 11. (4 p) ENDAST KURSEN DT075G: En kompressionsmetod genererar en ström bestående av 8 olika symboler. Dessa symboler inträffar med sannolikheter (dvs frekvenser) enligt: P(S0) = 0,05 P(S1) = 0,15 P(S2) = 0,18 P(S3) = 0,18 P(S4) = 0,14 P(S5) = 0,15 P(S6) = 0,10 P(S7) = 0,05 a) Beräkna entropin för metoden, dvs. vad är medelinformationsmängden per symbol. b) Konstruera en Huffman-kod för metodens symboler och ange respektive symbols kodord. c) Beräkna kodens medeldatamängd per symbol. (4 p) 12. (4 p) ENDAST KURSEN DT075G: En digitaliserad videosekvens komprimeras enligt MPEG2-standarden. Beräkna vilken bithastighet som krävs om videosekvensen har följande egenskaper: 25 bilder presenteras per sekund.

5 Exam in DT075G and DT137G 23 May 2017 Page 5 Varje bild utgörs av 720x576 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. 4:2:0 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): IBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBIBBP Varje bildtyp komprimeras enligt kompressionsgrad I-bilder 10:1, P-bilder 25:1, och B-bilder 50:1.

6 Exam in DT075G and DT137G 23 May 2017 Page 6 Formelblad Nedan följer ett urval av de formler som behandlats under kursens gång. Ljusets hastighet: c = M-ary digital modulation: Gross bit rate fb fs log2 M S Shannon s formel: Useful information rate I B log 21 N Blockfelssannolikhet: P 1 (1 ) N Block Pe, där N är blockstorlek (paketstorlek) i bit, och P e är bitfelsannolikheten. Signal- till kvantiseringsbrusförhållande: 2 U RMS SQR U 2 /12 SQNRdB 6N i db, där N är AD/DA-omvandlarens upplösning i bit. Entropiformeln: Medelvärde av periodiska signaler: U 0 1 T u(t)dt Effektivvärde (RMS) av periodiska signaler: 2 Effektivvärde av sinusvågor: T T 1 U RMS ut ( ) T U RMS Relation mellan effektivvärde och effekt: P U 2 RMS / R Fourierserieutveckling av periodisk vågform: f t A A sin 2 ft A sin 4 ft A sin 2 nft Bruseffekt av vitt brus: N N0 B [W] där N0 är brustätheten i W/Hz 0 Û 2 0 dt och B är bandbredd. P Decibelmått: Effektförstärkning G 10 log ut db P Våglängd: U Spänningsförstärkning G 20 log ut db Uin Dämpning AdB GdB S Signal-brusförhållande SNRdB 10 log N c f n in n