Transmisja cyfrowa, czyli jak urodziła się TELEINFORMATYKA - www.gimnazjalisty.info(rmator) - Portal Gimnazjalistów

WyszukiwanieSzukaj
Szukane wyrażenie:

Przeszukaj:

 
AnkietyAnkiety
Sugestie dotyczące strony:

Sugestie dotyczące informatorów:

Jak oceniasz naszą stronę:
Jest Super!!
Całkiem całkiem :)
Może być
Wymaga dopracowania
Nie podoba mi się :(
Zdejmijcie ją!!

Ankiety są anonimowe

 
LicznikLicznik

Odwiedzin łącznie: 2854364
W tym dzisiaj: 1377

Unikalnych odwiedzin: 396271
W tym dzisiaj: 123

W naszej bazie znajduje się:
507 uczelni wyższych
656 wydziałów

 

gimnazjalisty.info » Transmisja cyfrowa, czyli jak urodziła się TELEINFORMATYKA

 

Transmisja cyfrowa, czyli jak urodziła się TELEINFORMATYKA

Transmisja cyfrowa, czyli jak urodziła się TELEINFORMATYKA

Spojrzenie z lotu ptaka. Wyobraźmy sobie morze, dwa kraje leżące po jego obu stronach i fale płynące od jednego brzegu do drugiego. Ale pogoda się zmienia i nasila się wiatr. Fale są teraz zdecydowanie wyższe i dłuższe. Załóżmy także, że tuż przed drugim brzegiem jest łacha piachu, która powoduje zmianę charakteru fal − stają się one wyższe.


W bardzo dużym przybliżeniu tak można sobie przybliżyć model wielu współczesnych systemów telekomunikacyjnych. Nadajnik nadaje fale (oscylacje) elektryczne (w przewodach), elektromagnetyczne (w powietrzu) lub świetlne (w światłowodach). Odbiornik je odbiera i mierzy: długość fali (jej okres lub jej odwrotność, czyli częstotliwość), wysokość (amplitudę oscylacji) i opóźnienie/przesunięcie względem jakiejś chwili odniesienia.

 

Nadajnik ma do wyboru skończony zbiór różnych fal o określonej częstotliwości, amplitudzie i przesunięciu w czasie (fazie), które może wygenerować - są one ponumerowane. Przychodzi do niego strumień bitów, który ma przesłać. Dzieli ten strumień na bloki (np. sekwencję bitów 100110101011010(b) na paczki 3-bitowe: 100(b), 110(b), 101(b), 011(b), 010(b)), odczytuje jaką liczbę reprezentuje każdy blok bitów w kodzie dwójkowym pozycyjnym bez znaku (u nas 4, 6, 5, 3, 2, ponieważ 100(b) = 1*4+0*2+0*1 = 4, 101(b) = 1*4+0*2+1*1 = 5, itd.), a następnie wysyła kolejno fale o numerach równym otrzymanym liczbom (u nas 4, 6, 5, 3, 2, …)

 

Odbiornik ma zadanie o wiele trudniejsze. Ponieważ nadajnik wysyła różne fale jedna za drugą, odbiornik musi podzielić otrzymaną, zmieniającą się oscylację na fragmenty dokładnie równe odcinkom fal nadanych, czyli musi się zsynchronizować z nadajnikiem - wykryć chwile przełączeń. Następnie musi on dokonać pomiaru każdej, pojedynczej oscylacji, czyli tak jak detektyw Sherlock Holmes znaleźć jej poprawną częstotliwość, amplitudę i fazę. Mając te wartości, odbiornik sprawdza w tabeli dozwolonych stanów wszystkich fal jaki numer ma fala, która jest najbliższa do zmierzonej. Następnie zapisuje zdekodowane numery (u nas 4, 6, 5, 3, 2, …) w postaci binarnej (u nas: 100(b), 110(b), 101(b), 011(b), 010(b)) i odtwarza w ten sposób przesłaną sekwencję bitów (100110101011010(b)).

 

Ale kanał! Powszechnie znane prawo Murphy’ego mówi, że jeśli jakieś zagadnienie wygląda trywialnie, to pewnie czegoś nie zauważyliśmy. Rzeczywiście. Łacha piachu na morzu! Przysyłane fale mogą być zniekształcane przez kanał transmisyjny: zmieniane w amplitudzie, najczęściej tłumione, i opóźniane. Co gorsza, fale o różnej długości (okresie, częstotliwości) mogą być modyfikowane w różny sposób. Dlatego zanim rozpoczniemy transmisję musimy poznać z jakim „morzem” mamy do czynienia, czyli dokonać identyfikacji kanału przesyłu danych – poznać co zrobi kanał transmisyjny z każdą falą o konkretnej częstotliwości. Dlatego odbiornik co jakiś czas wysyła jedną testową (uczącą) falę, zwaną pilotem (sygnałem referencyjnym), składającą się z oscylacji o wszystkich dopuszczalnych częstotliwościach, a odbiornik, wiedząc co zostało nadane, patrzy co otrzymał i na tej podstawie uczy się jak należy korygować docierający do niego sygnał. Po pomiarze częstotliwości, odbiornik eliminuje zmianę wprowadzoną przez kanał, tzn. wzmacnia stłumioną amplitudę każdej odebranej oscylacji oraz usuwa jej opóźnienie. Podczas bezprzewodowych rozmów telefonicznych, realizowanych w technologii LTE, taka procedura „poznawania” zgubnego wpływu kanału jest dokonywana ponad tysiąc razy na sekundę, ponieważ osoba rozmawiająca może jechać w samochodzie poruszającym się z dużą prędkością i warunki transmisji panujące pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem zmieniają się bardzo szybko. Z kolei podczas transmisji przewodowej w sieci telefonicznej (technologia ADSL, przykładowo usługa Neostrada) taka identyfikacja kanału jest przeprowadzana tylko jeden raz po każdym włączeniu modemu, gdyż zakładamy, że konfiguracja przewodów telefonicznych będzie niezmienna podczas połączenia.

 

Kupą mości Panowie! Wyobraźmy teraz sobie, że więcej krajów chce korzystać z naszego morza i wytwarzać fale transmisyjne. Fale te będą sobie wzajemnie przeszkadzać (zakłócać się, wzajemnie „przenikać” do siebie). Nieoczekiwane, zmienne podmuchy wiatru także będą deformowały kształty fal, podobnie jak pływające po morzu statki. Dlatego nawet po korekcie zniekształceń „kanału”, wyznaczonych uprzednio przy pomocy sygnału pilota, nie otrzymamy w odbiorniku dokładnie tego samego, co zostało nadane. Parametry oscylacji odebranych będą się różnić od nadanych! Słabe fale transmisyjne o małych amplitudach, zostaną całkowicie „zagłuszone” przez zakłócenia, natomiast najsilniejsze − przejdą z niewielkimi zmianami. W warunkach zakłóceń trzeba nadawać rzadziej i „głośniej”, tak, aby „przekrzyczeć” zakłócenia. W odbiorniku odczytany, zmieniający się stan fali o konkretnej częstotliwości (jej amplituda i przesunięcie) powinien występować tylko w pobliżu punktów dozwolonych, tych transmitowanych. Niedopuszczalna jest sytuacja, kiedy nadany stan X fali w odbiorniku jest odczytany jako stan Y (leży najbliżej stanu Y), gdyż wówczas otrzymamy niepoprawne bity. Z tego powodu najkorzystniej jest, aby fale o sąsiednich stanach (podobnych amplitudach i przesunięciach) miały numery mało różniące się w zapisie binarnym, np. tylko jednym bitem. W przypadku słabego połączenia i silnych zakłóceń, aby przeciwdziałać występowaniu błędów transmisji, specjalnie zmniejszamy liczbę dozwolonych stanów fal i rozsuwamy je na płaszczyźnie (amplituda, przesunięcie). Oznacza to, że przyjmujemy większą różnicę amplitud i przesunięć tak, aby trudniej je było popsuć i się pomylić. Przykładowo, w standardzie ADSL liczba stanów przyjmowanych przez pojedynczą falkę może się zmieniać, w zależności od poziomu zakłóceń, od 4 (2^2) aż do 32768 (2^15), czyli zdekodowanie jej numeru jest równoznaczne z odebraniem od 2 do 15 bitów naraz! Pamiętacie, stare modemy telefoniczne pracujące w paśmie do 4 kiloherców po włączeniu „bulgotały” jak faksy, ponieważ nadajnik nadawał do odbiornika sekwencje trenujące, które pozwalały temu drugiemu przyjąć właściwy rozmiar konstelacji stanów, minimalizujący liczbę błędnych decyzji. Jednak przyjęcie większej odległości pomiędzy punktami konstelacji stanów oscylacji zmniejszało liczbę tych oscylacji i liczbę bitów przesyłanych na sekundę.

 

Matrix. Na koniec bardzo ważna kwestia. A jakby tak równocześnie przysyłać kilka fal o różnej częstotliwości i transportować bity za pomocą każdej z nich! Zysk byłby olbrzymi i natychmiastowy! I tak się robi, przykładowo w modemach ADSL (VDSL) i cyfrowej telewizji naziemnej wykorzystuje się wiele fal i przesyła nie tysiące bitów tylko „grube” miliony bitów na sekundę. Dlaczego jest to możliwe? Ponieważ fale te wzajemnie się nie zakłócają, gdyż są do siebie „prostopadłe” (ortogonalne), tak jak punkty (1,0,0), (0,1,0) i (0,0,1) w przestrzeni 3D. Załóżmy, że mamy następujące dwie fale trójkątne („góra-dół”) o różnych częstotliwościach powtarzania się:

 

- pierwszą: fala1 = { 0, 1, 2, 1, 0, -1, -2, -1 }

 

- drugą: fala2 = { 0, 2, 0, -2, 0, 2, 0, -2 }

 

Wymnóżmy ich odpowiadające sobie elementy i wszystko dajmy. Cóż otrzymamy:

 

suma(fala1*fala2) = 0*0 + 1*2 + 2*0 + 1*(-2)+0*0+(-1)*2+(-2)*0+(-1)*(-2) = 2-2-2+2 = 0!

 

Jak widać wektory wartości („próbek”) obu fal spełniają warunek ortogonalności („prostopadłości” - wzajemnej niezależności)! Jeśli więc w nadajniku dodalibyśmy do siebie kilka fal „prostopadłych” do siebie (SUMA), a w odbiorniku przeprowadzilibyśmy porównanie otrzymanego, wieloskładnikowego sygnału z wzorcem każdej fali z osobna, tak jak w równaniu powyżej:

 

suma( SUMA(wielu odebranych fal) * wzorzec k-ty )

 

= suma( odebrana fala k-ta * wzorzec k-ty)

 

to wynik takiej operacji będzie wyłącznie zależał od stanu k-tej fali występującej w SUMIE sygnałów odebranych (a dokładniej od jej amplitudy i opóźnienia), gdyż pozostałe fale nie pasują (są „prostopadłe”) do k-tego wzorca. W ten sposób z „tłumu” wielu sygnałów wyłowimy każdy z nich oddzielnie i zdekodujemy jego numer w przestrzeni możliwych stanów.

 

Witamy w Bitolandzie!

 

 

 

Tomasz P. Zieliński

 

 

 

Artykuł został dodany przez: Akademia Górniczo-Hutnicza » Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji » Katedra Telekomunikacji

05/03/2014 15:49:20
 
Komentarze

Brak komentarzy

Aby dodać komentarz musisz się najpierw zalogować!