tehnike za prenos podatakaes.elfak.ni.ac.rs/multimediatechnology/materijal/sredjeno...prenosni put...

Prenos podatka – Tehnike za prenos podataka

40

3. Tehnike za prenos podataka

Verovatno najfundamentalniji aspekt sistema za prenos podataka odnosi se na tehniku koja se

koristi za predaju podataka izmedju dve tačke (predajnika/prijemnika).

Prenos podataka izmedju predajnika i prijemnika vrši se preko prenosnog medijuma. Prenosni medijum može biti:

a) trasiran (guided) ili

b) netrasiran (unguided).

U oba slučaja komunikacija se ostvaruje zahvaljujući prostiranju elektromagnetnih talasa. Kod trasiranog prenosa prostiranje talasa (adekvatniji termin u ovom slučaju je električni signal) se usmerava duž fizičkih puteva kakvi su upredeni kablovi, koaksijalni kablovi, optička vlakna, itd. Kod netrasiranog prenosa prostiranje elektromagnetnih talasa se vrši kroz vazduh, vakum, tečnost.

Prenosni put izmedju dve tačke naziva se veza (link), a deo veze koji je namenjen prenosu podataka zovemo kanal. Termin direktna veza (direct link) se odnosi na prenosni put izmedju dva uredjaja duž koga se prostiranje signala izmedju predajnika i prijemnika ostvaruje bez posrednika. U ovom slučaju kao posrednici na prenosnom putu ne smatraju se uredjaji tipa pojačavač ili repetitor čija je osnovna uloga da povećaju snagu (amplitudu) signala duž prenosnog puta, tj. da kompenziraju slabljenje, signala kroz prenosni medijum.

Na slici 3.1 prikazane su dve konfiguracije koje se najčešće koriste kod trasiranog prenosa. Kod usmerenog prenosa tipa tačka-ka-tački (point-to-point) prikazan na slici 3.1 a) ostvarena je direktna veza izmedju predajnika i prijemnika, a kod višetačkaste (multipoint) konfiguracije medijum za prenos je deljiv izmedju većeg broja uredjaja (vidi sliku 3.1 b)).

Prenosnimedijum

Predajnik/prijemnik

Prenosnimedijum

Pojačavač ili repetitor

Predajnik/prijemnik

0 ili više a) Point-to-point (tačka-ka-tački)

Prenosni medijum

Predajnik/prijemnik

Predajnik/prijemnik

Pojačavač ili repetitor Prenosni medijum

Predajnik/prijemnik

Predajnik/prijemnik

0 ili više b) Multipoint (višetačkasta)

Slika 3.1 Konfiguracije kod usmerenog prenosa


41

3.1. Načini komuniciranja

Razlikujemo tri načina prenosa (vidi sliku 3.2)

a) simpleks (simplex)- signali se prenose (predaju) samo u jednom smeru; jedna stanica je predajnik, a druga prijemnik.

b) polu-dupleks (half-duplex) - obe stanice mogu vršiti predaju/prijem po istom kanalu, ali ne istovremeno, (kada je jedna predajnik druga je prijemnik i obratno).

c) potpuni dupleks (full-duplex) - obe stanice mogu istovremeno vršiti predaju koristeći posebne kanale po jedan za svaki smer prenosa.

Tx Rxjednosmerni kanal

Rx Tx

Tx Rx

Tx

Rx Tx

Rx

dvosmerni kanal

a)

b)

c)

Slika 3.2 Načini prenosa signala: a) simpleks; b) polu- dupleks; c) potpuni-dupleks Napomena: Tx - predajnik (transmitter); Rx - prijemnik (receiver)

Signal koji se prenosi duž prenosnog puta funkcija je kako vremena tako i frekvencije. Zbog toga je neophodno poznavati oba domena, frekventni i vremenski, da bi se vršilo procesiranje signala.

3.1.1. Koncept vremenskog domena U funkciji vremena, elektromagnetni signal može biti kontinualni ili diskretni. Kontinualni signal je

onaj kod koga se vrednost signala "glatko" menja sa vremenom. Drugim rečima ne postoje prekidi ili diskontinuiteti signala. Matematički posmatrano:

Signal s(t) je kontinualan (neprekidan ) ako:

)()(lim astsat

=→

za sve vrednosti a.

Diskretni signal je onaj kod koga je za odredjeni vremenski period amplituda signala konstantna, a zatim se menja na drugi konstantni nivo. Na slici 3.3 prikazana su oba tipa signala. Kontinualni može da predstavlja govor, a diskretnom obično odgovara prezentacija binarnih jedinica i nula kod digitalnih elektronskih sistema.


42

Amplituda(V)

Vreme a) kontinualni

Vreme

Amplituda

b) diskretni

Slika 3.3 Kontinualni i diskretni signali

3.1.2. Koncept frekventnog domena

U suštini, elektromagnetni signal se sastoji od većeg broja komponenata čija je frekvencija različita. Na primer, signal:

)t)f3(2sin(31)tf2sin()t(s 11 ππ +=

je prikazan na slici 3.4. Komponente ovog signala su sinusni talasni oblici frekvencije f1 i 3f1. Sledeća zapažanja su važna za sliku 3.4:

1. Druga fekvencija je celobrojni umnožak prve. Kada su sve frekventne komponente signala celobrojni umnošci jedne frekvencije, tu frekvenciju nazivamo osnovnom frekvencijom (osnovni harmonik);

2. Perioda ukupnog signala jednaka je periodi osnovne frekvencije. Perioda komponente tf2 1π je 1f1T = , a perioda ( )ts je takodje T (vidi sliku 3.4 c)).


43

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T-1

-0.5

0

0.5

1

a) ( )tf2sin 1π

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T-1

-0.5

0

0.5

1

b) ( )( )tf32sin31 1π


44

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T-1

-0.5

0

0.5

1

c) ( ) ( )( )tf32sin31tf2sin 11 ππ +

Slika 3.4 Sabiranje komponenata različitih frekvencija

Spektar signala predstavlja opseg frekvencija koje taj spektar sadrži. Za signal sa slike 3.4 c) spektar signala se nalazi izmedju f1 i 3 f1. Apsolutni propusni opseg (absolute bandwidth) signala je onaj koji odgovara širini spektra. Za slučaj sa slike 3.4.c) propusni opseg je 2 f1. Kod najvećeg broja signala propusni opseg je beskonačn. Ipak najveći deo energije signala sadrži se u relativno uskom frekventnom opsegu. Ovaj opseg je poznat kao efektivni propusni opseg (effective bandwidth), ili skraćeno propusni opseg.


45

3.2. Odnos izmedju brzine prenosa i propusnog opsega

Koncept efektivni-propusni-opseg je često puta nejasan. Već smo ukazali da je to opseg u okviru koga se sadrži najveći deo energije signala. Termin "najveći" u ovom kontekstu je proizvoljan. Suština je u sledećem: i pored toga što zadati talasni oblik može da sadrži frekvencije u širem frekventnom opsegu, prenosni medijum je taj koji ograničava brzinu sa kojom se prenose podaci.

Da bi objasnili ove odnose, nešto detaljnije, analiziraćemo talasni oblik prikazan na slici 3.5.

vreme0

A

-A

Period =T=1/f1

Vred

nost

sig

nala

a) sinusni talasni oblik

vreme0

A

-A

Period =T=1/f1

Vred

nost

sig

nala

b) pravougaoni talasni oblik

Slika 3.5 Periodični signali

Usvojimo da pozitivni impuls predstavlja binarnu 1, a negativni impuls odgovara binarnoj 0. U tom slučaju talasni oblik sa slike 3.5 predstavlja binarni niz 1010.... Trajanje svakog impulsa je 1f21 , a to znači da je brzina prenosa podataka 1f2 bitova u sekundi (bps - bits per second). Sada se postavlja sledeće pitanje: Koje su frekventne komponente ovog signala ? Da bi odgovorili na ovo pitanje posmatrajmo ponovo sliku 3.4. Sabiranjem sinusnih talasnih oblika čije su frekvencije 1f i 1f3 dobijamo talasni oblik koji je sličan pravougaonom obliku. Ako proces sabiranja (dodavanja) sinusnih talasnih oblika produži, dodavanjem oblika čija je frekvencija 1f5 dobiće se rezultantni signal prikazan na slici 3.6a), a zatim dodavanjem i komponente čija je frekvencija 1f7 talasni oblik sa slike 3.6.b). Frekventne komponente pravougaonog talasnog oblika možemo izraziti kao


46

∑∞

−

=1k

neparnok1 )tkf2sin(k

1*A)t(s π

Ovaj talasni oblik ima beskonačni broj frekventnih komponenti, a shodno tome i neograničeni propusni opseg. Ipak, amplituda k-te frekventne komponente, 1fk , je samo k1 , tako da najveći deo energije talasnog oblika nosi prvih nekoliko frekventnih komponenata. Sada se čitaocu postavlja ponovo jedno pitanje: Šta će se desiti ako se propusni opseg ograniči na prve tri frekventne komponente? Odgovor na ovo pitanje je prikazan na slici 3.6.a). Kao što se vidi rezultantni talasni oblik veoma je blizak originalnom.

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T-1

-0.5

0

0.5

1

a) ( ) ( )( ) ( )( )tf52sin51tf32sin31tf2sin 111 πππ +++

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T-1

-0.5

0

0.5

1

b) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )tf72sin71tf52sin51tf32sin31tf2sin 1111 ππππ +++


47

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T-1

-0.5

0

0.5

1

c) ( ) tfk2sink1 1π∑

Slika 3.6 Frekventne komponente pravougaonog talasnog oblika (T=1/f1)

Pretpostavimo sada da želimo koristiti digitalni prenosni sistem koji je u stanju da prenosi signale čiji je propusni opseg MHz4 . Pokušajmo da prenesemo alternativnu sekvencu logičkih jedinica i nula (1010...) talasnim oblikom kakav je onaj prikazan na slici 3.6.c). Ponovo se postavlja pitanje: Koju brzina kod prenosa podataka možemo ostvariti? Pokušajmo prvo da aproksimiramo pravougaoni talasni oblik talasnim oblikom prikazanim na slici 3.6.a).

I pored toga što ovaj talasni oblik predstavlja "izobličeni" talasni oblik pravougaonih impulsa, čini se da je on suviše blizak praougaonom talasnom obliku i da će predajnik biti u stanju da jasno odredi šta je logička 1 , a šta logička 0 . Sada, ako usvojimo da je MHz1f1 = , tada će propusni opseg signala biti:

( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )t1052sin51t1032sin31t102sints 666 ∗∗+∗∗+∗= πππ

pri čemu ( ) MHz410105 66 =−∗ . Naglasimo da je za MHz1f1 = perioda osnovne frekvencije s110T 6 µ== − . Shodno prethodnom, ako tretiramo ovaj talasni oblik kao niz logičkih 0 i 1 , jedan bit

se javlja (trajanja je) na svakih s5.0 µ , tako da je brzina prenosa podataka Mbps2102 6 =∗ . Kao zaključak: Sa propusnim opsegom od MHz4 , moguće je postići brzinu prenosa podataka od Mbps2 .

Sada, predpostavimo da imamo na raspolaganju propusni opseg od MHz8 i posmatrajmo ponovo sliku 3.6.a), ali sa MHz2f1 = . Koristeći isti način razmišljanja kao u prethodnom slučaju, za propusni opseg signala imaćemo: MHz81021025 66 =∗−∗∗ . No, u ovom slučaju s5.0f1kT 1 µ== . Kao rezultat, jedan bit se prenosi (javlja se) na svakih s25.0 µ što rezultira bitskom brzinom prenosa od

Mbps4 . To znači da se dupliranjem propusnog opsega duplira i potencijalna brzina prenosa podataka.


48

Smatrajmo sada da je talasni oblik sa slike 3.4.c) adekvatan za aproksimaciju pravougaonog talasnog oblika. Ovo ukazuje da razlika izmedju pozitivnog i negativnog impulsa sa slike 3.4.c) je dovoljna da se ovaj talasni oblik može uspešno koristiti za predstavljanje sekvence jedinica i nula.

Neka je sada MHz1f1 = . Koristeći ponovo isti način razmišljanja kao i u prethodnim slučajevima, za propusni opseg signala sa slike 3.4.c) imamo MHz41021023 66 =∗−∗∗ . No, u ovom slučaju imamo da je s5.0f1kT 1 µ== . Kao rezultat, jedan bit se javlja (prenosi se) na svakih s25.0 µ , što odgovara brzini prenosa od Mbps4 . To znači da zadati propusni opseg može, u zavisnosti od zahteva prijemnika, da podrži različite brzine prenosa podataka.

Na osnovu prethodne diskusije moguće je doneti sledeće opšte zaključke:

1) U opštem slučaju, talasni oblik digitalnih signala ima neograničeni propusni opseg. Kada se ovaj talasni oblik prenosi kao signal kroz medijum, priroda medijuma će ograničiti propusni opseg signala koji se može preneti. Šta više, za zadati medijum, što je veći propusni opseg signala koji se prenosi, to je veća i cena koja mora da se plati. Zbog ovoga, ekonomski i praktični razlozi su ti koji diktiraju da se digitalna informacija aproksimira signalom ograničenog propusnog opsega.

2) Ograničenje propusnog opsega dovodi do pojave izobličenja. Kada je signal izobličen teže ga je, na prijemnoj strani, interpretirati (obnoviti). Što je uži propusni opseg, to su izobličenja veća, a samim tim veća i potencijalna greška (verovatnoća) koju prijemnik može da učini kod prihvatanja signala.

3) Na slici 3.7 prikazan je uticaj propusnog opsega na digitalni signal. Kada je propusni opseg od 1700 do Hz2500 , prezentacija je dobra. U opštem slučaju, ako je brzina prenosa digitalnog signala

bpsW , tada se veoma dobra prezentacija može postići sa propusnim opsegom od HzW2 ∗ . U principu, što je brzina prenosa signala veća, veći je i njegov efektivni propusni opseg.

4) Ako zamislimo da je propusni opseg centriran oko neke frekvencije koju ćemo nazvati centralna frekvencija (center frequency), tada, što je centralna frekvencija viša, to je i potencijalni propusni opseg širi, a i brzina kod prenosa podataka je veća. Na primer, ako je signal centriran oko MHz2 tada je maksimalni propusni opseg MHz4 .


49

0 1 0 0 0000 1Impulsi pre prenosa

Bit rate: 2000bps

Impulsi posle prenosa

Širina propusnog opsega 500 Hz


Širina propusnog opsega1300 Hz




Slika 3.7 Efekat propusnog opsega na oblik digitalnog signala

3.3. Paralelni i serijski prenos

Računarski sistemi memorišu i procesiraju podatke u formi bitova koji su uredjeni kao reči fiksnog obima. Memoriju računara čini niz lokacija pri čemu svaka ima svoju jedinstvenu adresu. Računarski sistemi mogu manipulisati sa rečima obima 8-, 16-, 32-, 64- bita, itd. U okviru velikog broja gradivnih blokova računarskog sistema podaci se prenose u paralelnoj formi, što znači da je svakom bitu u okviru reči dodeljen po jedan prenosni put. Primer paralelnog prenosa podataka uobičajeno se sreće kod hardverskih interfejs ploča za pobudu štampača, kao i interfejs ploča za spregu sa diskom.

Kod paralelnih interfejsa, kakva je recimo sprega računara sa štampačem, potrebno je uvesti neki vid signalizacije koji će na odredjeni način, sa jedne strane, ukazati kada su podaci na izlazu računarskog sistema raspoloživi/validni, a sa druge strane, kada je (da li je) štampač spreman da prihvati novi podatak. Glavni razlog uvodjenja signalizacije predstavlja velika razlika u brzini rada uredjaja koji se medjusobno povezuju. Konkretnije, računar može da generiše nove podatke svakih sn100 (taktne frekvencije kod savremenih računara su reda nekoliko stotina MHz ), dok štampač može da štampa podatke brzinom reda 100 znakova u minuti (postoje i štampači koji mogu štampati do 30000 znakova u minuti). Da bi se na jedan regularan način ostvarila korektna razmena podataka izmedju uredjaja koriste se posebni signali poznati kao handshake signali. Procedura kojom se reguliše način razmene podataka i tajming naziva se handshake procedura. Na slici 3.8. prikazana je handshake procedura koja se uobičajeno koristi kod paralelnog interfejsa.


50

računar

štampač

n

n-to bitna paralelna magistrala

podaci dostupni - DAV

podaci prihvaćeni - DAC

a)

DAV

DAC

t

t

podaci su raspoloživina magistrali

podaci su prihvaćeniod strane štampača

b)

Slika 3.8 (a) Paralelni prenos; (b) handshaking (rukovanje)

U trenutku kada se upravljački signal DAV (Data Available) menja sa nisko-na-visoko računar

signalizira štampaču da je podatak, prisutan na magistrali, dostupan. Sa druge strane, kada štampač prihvati novi podatak on postavlja signal DAC (Data Accepted) na visoko. Paralelni način prenosa podataka pogodan je kod onih aplikacija kada su uredjaji bliski jedan drugom. Kada signale (podatke) treba prenositi na veća rastojanja paralelni prenos postaje nepraktičan iz sledećih razloga: Kabliranje je složenije, prenos postaje nepouzdaniji zbog različitih kašnjenja signala duž vodova, a greške u prenosu se teže otkrivaju u slučaju kada dodje do nekog kratkog spoja ili prekida linija (žica u kablu).

Alternativni pristup kod prenosa podataka je onaj koji se zasniva na serijskom prenosu. Kod ovog načina prenosa postoji samo jedna linija po kojoj se prenose bitovi podataka. I pored toga što je serijski prenos sporiji od paralelnog prenosa, kabliranje je jednostavnije, a greške u prenosu se lakše otkrivaju. Svaki bit serijskog niza podataka trajanja je odredjenog vremenskog perioda koji se naziva signalni elemenat. Signali se predstavljaju pozitivnom vrednošću za logičku jedinicu, a nultom vrednošću za logičku nulu.


51

3.4. Asinhroni i sinhroni rad

Bilo koji komunikacioni sistem za prenos podataka čine, u najrudimentiranijem obliku, predajnik, prijemnik i neki oblik komunikacionog kanala. Predajnik generiše niz podataka pri čemu je tajming svakog bita pod kontrolom taktnih impulsa.

Asinhroni prenos Sistem kod koga predajnik može u bilo kom trenutku generisati bitove kažemo da koristi

asinhroni prenos. Ključne karakteristike asinhronog prenosa su te da predajnik ne predaje prijemniku bilo kakvu informaciju o lokalnom taktnom impulsu ili tajming bit. Zadatak prijemnika je da interpretira dolazeće signale i da korektno interpretira svaki dolazeći bit. U suštini asinhroni prijemnik ne regeneriše takt na osnovu dolazećeg signala. Naime, predajnik i prijemnik koriste posebne taktne impulse čije su frekvencije veoma bliske jedna drugoj. Sa ciljem da se odredi korektni početak rada prijema koristi se metod rada poznat kao start-stop (vidi sliku 3.9).

taktprijemnika

pasivnostanjedolazećisignal start

stoppasivnostanje

Slika 3.9 Start-stop operacija

Kada se podaci ne predaju linija se nalazi u pasivnom (idle) stanju. Podatku prethodi start-bit koji je trajanje jednog bitskog intervala i suprotnog je polariteta u odnosu na pasivno stanje. Nakon toga slede nekoliko bitova podataka (obično je osam). Na kraju se pridružuje stop-bit koji je istog polariteta kao i pasivno stanje. (Trajanje pasivnog stanja može biti proizvoljno). Stop bit se uvodi sa ciljem da se jasno razgraniči zadnji bit prenetog znaka. Kada prijemnik detektuje prednju ivicu start-bita on aktivira generisanje prijemnog takta. Prva pojava taktnog impulsa je tako podešena da se javi na sredini, ili oko sredine, prvog bita podataka i koristi se za strobovanje bita u registar ili leč. Sa narednim taktnim impulsima, za ostale bitove podataka, proces se ponavlja. U suštini, ako je taktna frekvencija prijemnika i predajnika identična, strobovanje će se uvek javljati (dešavati) na sredini trajanja bitskog intervala. Zbog različitih frekvencija predajnika i prijemnika ipak dolazi do "klizanja" tako da, ako se broj bitova povećava, koincidencija taktnih impulsa i princip strobovanja podataka na sredini bitskog intervala se narušava. Imajući ovo u vidu, a iz razloga pouzdane detekcije, obim (trajanje) asinhronog signala ograničen je na 12 bitova (misli se na prenos jedinstvenog karaktera (znaka) jer je se sinhronizacija kod ovog prenosa ostvaruje na nivou jednog znaka).


52

Sinhroni prenos

Daleko efikasniji način za održavanje sinhronizacije kod komunikacione veze je onaj koji se zasniva na sinhronom prenosu (synchronous transmission). Podaci koji se sinhrono predaju dolaze do prijemnika kao kontinualni niz u regularnim vremenski definisanim bitskim intervalima. Predajnik i prijemnik mora da rade sinhrono, a to se ostvaruje korišćenjem sinhronizacionih signala na nivou takta. Predajnik generiše taktni signal koji mora biti prenet do prijemnika bilo preko posebnog kanala ili direktno regenerisan od strane prijemnika iz dolazećeg signala. Zbog toga, u predajnoj poruci mora biti emitovana i informacija o sinhronizaciji. Princip regenerisanja takta kod ovog načina prenosa prikazan je na slici 3.10.

kolo zadetekciju

kolo zaregeneraciju

takta

ulaznisignal

izlaznipodaci

prijemnitakt

Slika 3.10 Sinhroni prijemnik

Uobičajeno podaci se predaju kao okviri, tj. ramovi (frame) fiksnog obima (vidi sliku 3.11) pri čemu svaku informaciju na početku i kraju prate specijalni bit oblici nazvani preambule (preamble). Svrha preambule je da ostvari sinhronizaciju predajnog i prijemnog oscilatora pre početka prijema informacionih bitova. Više detalja o ovoj problematici biće dato kasnije.

preambuleinformaciono poljepreambule

ram

Slika 3.11 Oblik okvira kod sinhronog prenosa


53

3.5. Brzina signaliziranja

Brzina prenosa podataka (data rate ili transmission rate) se definiše kao broj prenetih bitova u toku odredjenog vremenskog perioda podeljen sa tim vremenom, a meri se u bitovima u sekundi (bps). Pri ovome veoma je važno da se pravi razlika izmedju termina brzina prenosa koja se meri u bps i brzina signaliziranja (signalling rate) koja se meri u baud-ovima. Brzina signaliziranja se odnosi na brzinu prenosa jednog signalnog elementa.

Primer 1: Kod asinhronog prenosa format prenosa jednog znaka (karaktera) je sledeći: 5 informacionih

bitova svaki trajanja ms20 , jedan start bit trajanja ms20 i stop bit trajanja ms30 . Odrediti brzinu prenosa u bps i brzinu signaliziranja u baud-ovima.

Odgovor: Vreme potrebno da se prenese jedan znak iznosi

( ) sm15030206zT =+∗= Ukupan broj bitova koji se prenosi u toku ovog perioda je 7.

( ) bps67,46101507prenosaBrzina 3 =∗= − Vreme trajanja najkraćeg signalnog elementa je 20 ms, zbog toga je

( ) abaud5010201anjasignalizirBrzina 3 −=∗∗= −


54

3.6. Procena grešaka kod prenosa podataka

U toku prenosa podataka dolazi do pojave grešaka. Naime, logička 1 može da se primi kao logička 0 i obratno. Obično, broj grešaka za koje postoji verovatnoća da se jave u sistemu se izražava kao bit error rate (BER). Na primer, BER od 10-4 znači da će se pogrešan bit primiti sa verovatnoćom od 10-4, tj., u proseku, jedan bit na svakih 10000 (104) će biti pogrešan. Jedan od glavnih uzroka pojave grešaka predstavlja šum (vidi sliku 3.12).

Vreme, t

t

t

0 1011001

0 1010001

Bir greška

-V

V

Trenuciuzorkovanja

Tipično primljenipodaci

Podacikoji se predaju

Primljeni podaci

Poslati podaci

Slika 3.12 Prijem signala sa greškom

Veliki broj sistema koristi odredjenu formu kontrole greške sa ciljem da poboljša ukupni BER. U najjednostavnijem obliku koristi se odredjena forma detekcije greške. To znači da je prijemnik svestan da je u okviru odredjene grupe primljenih bitova došlo do greške, ali ne zna koji su bitovi primljeni kao pogrešni, pa zbog toga ih ne može korigovati.

Provera parnosti je najjednostavnija tehnika za detekciju jednostrukih (ili neparnih) grešaka. Kod sistema za korekciju grešaka prvo se vrši detekcija grešaka, nakon toga se identifikuju pogrešne bit pozicije i na kraju vrši ispravljanje grešaka. No i pored preduzetih mera ne postoji metod ili sistem koji je u stanju da garantuje 100% korekciju i detekciju grešaka. Više detalja o ovoj problematici biće dato kasnije.


55

3.7. Analogni i digitalni prenos podataka

Termini analogni i digitalni odgovaraju, u grubim crtama, terminima kontinualni i diskretni. Ova dva termina se često koriste kod prenosa podataka u kontekstu korišćenja pojmova podaci, signali i prenos.

U principu pojam podaci kao entitet usko se povezuje sa pojmom informacija, dok pojam prenos predstavlja komuniciranje podacima putem prostiranja i procesiranja signala. Ilustracije radi tipičan primer analognih podataka su audio-akustični talasi koji se direktno primaju od strane čovečjeg uva kao senzora, dok reprezenti digitalnih podataka koje imaju diskretne vrednosti su tekst i celobrojne vrednosti (integer).

Sa druge strane analogni signal predstavlja kontinualno promenljivi elektromagnetni talas koji se u zavisnosti od frekvencije prostire kroz različite medijume (optički kablovi, atmosfera). Pojam digitalni signal se odnosi na sekvencu naponskih impulsa koji se prenosi preko žičanih veza kao medijum za prenos.

Analogni i digitalni podaci se mogu predstaviti, a shodno tome i prenositi, analognim ili digitalnim signalima (vidi sliku 3.13).

Telefon

Modem

Analogni podaci(govor, zvuk, talasi) Analogni signal

Digitalni podaci(binarno predstavljeni naponski impulsi)

Analogni signal(modulisan na frekevenciji nosioca)

Kodek

Digitalni transmiter

Digitalni signalDigitalni podaci

Analogni signal Digitalni signal

Slika 3.13 Analogni i digitalni prenos analognih i digitalnih podataka


56

Osnovne karakteristike svake od četiri kombincije sa Slike 3.13 date su na Slici 3.14 a) i b). analogni signal digitalni signal

analogni podaci

postoje dve alternative: a) signali imaju identičan spektar kao i analogni podaci b) vrši se kodiranje analognih podataka, a signali pripadaju različitim delovima spektra

analogni podaci se kodiraju koristeći codec koji generiše digitalnu bit povorku

digitalni podaci

digitalni podaci se kodiraju uz pomoć sklopa modem koji na svom izlazu generiše analogni signal

postoje dve alternative: a) signal čine dva naponska nivoa pomoću kojih se predstavljaju dve binarne vrednosti b) vrši se kodiranje digitalnih podataka kako bi se generisao digitalni signal sa željenim osobinama

a) podaci i signali analogni signal digitalni signal

analogni podaci

prostiranje se vrši uz pomoć pojačavača; tretman je isti nezavisno od toga da li se signal koristi za predstavljanje analognih i digitalnih podataka

predpostavlja se da analogni signali predstavljaju digitalne podatke. Signal se prenosi preko repetitora. Od strane svakog repetitora, digitalni podaci se prihvataju, restauriraju, pojačavaju i predaju prema narednom repetitoru u lancu

digitalni podaci

ne koristi se

digitalni signal predstavlja niz 0 i 1, koji mogu predstavljati digitalne podatke. Signali se prenose preko repetitora: Kod svakog repetitora, niz 1 i 0 se prihvata, pojačava i predaje prema narednom repetitoru u lancu

b) tretman signala

Slika 3.14 Digitalni i analogni prenos


57

3.8. Definicija nekih osnovnih pojmova

Prisetimo se da smo definisali digitalni signal kao sekvenca diskretnih, diskontinualnih naponskih impulsa. Svaki impuls predstavlja signalni element. Binarni podaci se prenose kodiranjem svakog bita podataka u odgovarajući signalni element.

Na sličan način, digitalni niz bitova se može kodirati u analogni signal kao sekvenca sigalnih elemnata, pri čemu svaki signalni elemenat, predstavlja impuls konstantne frekvencije, faze i amplitude.

Kada se govori o prenosu podataka, tada pojam brzina signaliziranja (data signaling rate ili data rate) odgovara pojmu brzini signala i izražava se u jedinicama bitova-u-sekundi (bps) sa kojim se podaci prenose. Trajanje ili dužina bita odgovara vremenu koje je potrebno predajniku da emituje jedan bit. Tako na primer, za brzinu prenosa podataka R, vreme trajanja jednog bita je 1/R. Sa druge strane, modulaciona brzina je brzina sa kojom se menja nivo signala. Modulaciona brzina (modulation rate) se izražava u baud-ima, a odgovara broju signalnih elemenata u sekundi.

Na slici 3.15 sumarno su prikazane definicije ključnih termina koji se koriste kod prenosa podataka. Tri ključna faktora koja odredjuju uspešnost prijemnika da interpretira dolazeći signal su:

a) odnos signal šum, b) brzine sa kojom se prenose podaci (data rate), c) propusni opseg.

termin jedinica definicija

elemenat podataka

bitovi

jedinstvena binarna 0 ili 1

brzina prenosa

(date rate)

bitovi-u-sekundi (bps)

brzina kojom se lementi podataka

prenose

signalni elemenat

digitalni: naponski impuls

konstante amplitude analogni: impuls konstantne frekvencije, faze i amplitude

deo signala koji zauzima najkraći

interval kôda za signalizaciju

brzina signaliziranja ili

modulaciona brzina

signalni elementi u sekundi

(baud)

brzina kojom se prenose signalni

elementi

Slika 3.15 Ključni termini kod prenosa podataka

Ako se dva od tri parametra drže konstantna a treći menja, tada važe sledeći zaključci: 1. Sa povećanjem brzine prenosa podatka povećava se i BER (Bit Error Rate). BER je mera koja

ukazuje na performanse sistema sa aspekta greške, a definiše se kao verovatnoća da će dati primljeni bit biti pogrešan. Ova mera se naziva i bit error ratio.

2. Povećanjem odnosa signal šum (SNR-Signal NoiseRatio) smanjuje se BER. 3. Povećanjem propusnog opsega povećava se brzina prenosa podataka. Postoji još jedan faktor koji se koristi za poboljšanje performansi, a on se tiče šeme kodiranja

podataka.


58

Šeme kodiranja podataka prvenstveno se odnosi na proces preslikavanja bitova podataka u signalne elemente. Za kodiranje se koriste različite tehnike. U daljem tekstu ukazaćemo na osnovne principe ovih tehnika.

3.9. Digitalni podaci analogni signali

Najstandardniji način korišćenja ove transformacije srećemo kod prenosa digitalnih podataka preko javne telefonske mreže. Telefonska mreža je projektovana za prijem, komutaciju, i prenos analognih signala govora u opsegu od 300 Hz do 3400 Hz. Tekuće ove mreže nisu direktno prilagodjene za prenos digitalnih signala. Imajući ovo u vidu digitalni uredjaji se povezuju na telefonsku mrežu preko modema. Zadatak modema je da konvertuje digitalne podatke u analogne signale, i obratno.

Kada se govori o telefonskoj mreži, modemi se koriste za generisanje signala u govornom frekventnom opsegu, ali se iste osnovne tehnike koriste i od strane modema koji generišu signale na višim frekvencijama (recimo mikrotalasni).

Postupak modulacije podrazumeva promenu jedne od sledeće tri karakteristike nosećeg signala: amplitudu, frekvenciju, i fazu. Saglasno tome postoje sledeće tri osnovne modulacione tehnike za transformaciju digitalnih podataka u analogne (vidi sliku 3.16):

1. ASK – Amplitude Shift Keying 2. FSK – Frequency Shift Keying 3. PSK – Phase Shift Keying U sva tri slučajeva opseg rezultantnog signala je centriran oko noseće učestanosti.

Slika 3.16 Modulacija analognih signala digitalnim podacima


59

A. ASK Kod ASK–a binarnim vrednostima 0 i 1 pridružuju se dve različite amplitude noseće frekvencije.

Obično rezultantni signal koji odgovara jednom bitu je dat relacijom

( ) ( )

=0binarnuza;01binarnuza;tf2cosA

ts:ASK Cπ

........................................................(1)

gde je: ( )tf2cosA Cπ -noseći signal.

Kao tehnika, ASK je podložna uticaju naglih promena pojačanja i veoma je neefikasna. U telefoniji se koristi za prenos signala do 1200 bps. ASK se takodje aplicira i kod prenosa digitalnih podataka po optičkom vlaknu, gde LED predajnik emituje svetlosni snop za jedan signalni elemenat, a ne-emituje za drugi.

B. FSK Najpoznatija forma FSK je binarna FSK, nazvana BFSK. Kod BFSK, vidi sliku 3.17, dve binarne

vrednosti se predstavljaju različitim frekvencijama koje su locirane blizu nosećoj. Rezultantni signal koji odgovara jednom bitu u datom trenutku dat je relacijom

( ) ( )( )

=tf2cosAtf2cosA

ts:FSK2

1

ππ

..................................................................(2)

Spektar signala kojise prenosi u jednom

smeru

Spektar signala kojise prenosi u drugom

smeru

Amplituda signala

Frekevncija (Hz)

Slika 3.17 Način prenosa FSK signala kod potpunog dupleksa po standardnim telefonskim paricama

FSK je manje podložan greškama u poredjenju sa ASK. Ovaj način prenosa, kada se prenos vrši po

standardnim telefonskim paricama, obično se koristi za brzine do l200 bps. No treba istaknuti da se FSK koristi takodje i na višim frekvencijama (3-30 MHz) kod radio prenosa.

Signal MFSK (multiple FSK) u odnosu na BFSK, sa aspekta propusnog opsega, je daleko efikasniji, ali je zato više podložan greškama. Kod MFSK se koriste više od dve frekvencije, a jedan signalni elemenat u datom trenutku definisan je sledećom relacijom


60

( ) ( ) Mi1,tf2cosAts:MSK i ≤≤= π ........................................................(3) gde su: ( ) dCi fM1i2ff ∗−−+= ; Cf -učestanost nosioca; df - frekventna razlika; k -broj različitih

signalnih elemenata L2= ; L - broj bitova po signalnom elementu. Da bi se uskladila brzina prenosa podataka sa ulaznom povorkom bitova, svaki izlazni signalni

elemenat se održava konstantnim za period od LTTs = sekundi, gde T odgovara bit periodi. To znači da jedan signalni elemenat, koji predstavlja ton fiksne frekvencije, kodira L bitova. Prema tome ukupno potreban propusni opseg koji je potreban modulatoru iznosi dd Mf2W = .

C. PSK Kod PSK promena faze nosećeg signala vrši se u skladu sa podacima. Najjednostavnija šema koja

koristi dve faze radi prezentacije dve binarne cifre je BPSK (binary PSK). Kod BPSK rezultantni predajni signal koji odgovara jednom bitu u datom trenutku može se izraziti sledećom relacijom

( ) ( )( )

+=

0binarnuza;tf2cosA1binarnuza;tf2cosA

ts:BPSKC

C

πππ

............................................(4)

Alternativna forma BPSK-u je DPSK (differential PSK) (vidi sliku 3.18). Kod ove šeme binarna 0

odovara predaji signalnom paketu (signal burst) iste faze kao i prethodni signalni paket, dok binarna 1 odgovara predaji signalnog paketa suprotne faze u odnosu na prethodni.

Slika 3.18 Diferencijalna PSK

Efikasnije iskorišćenje propusnog opsega se postiže ako se svaki signalni elemenat predstavi sa više

od jednim bitom. Jedna tipična takva tehnika je kvadraturna PSK poznata kao QPSK koja koristi multiple faznih pomeraja od π/2. Kod QPSK svaki signalni elemenat predstavlja dva bita. Rezultantni predajni signal dat je sledećom relacijom


61

( )

( )( )( )( )

−−++

=

10za,4tf2cosA00za,43tf2cosA01za,43tf2cosA11za,4tf2cosA

ts:QPSK

C

C

C

C

ππππππ

ππ

........................................(5)

U principu višenivovski PSK se može postići grupisanjem većeg broja bitova. Tako na primer,

istovremena predaja tri bita je moguća korišćenjem osam različitih faza. Kada se govori o digitalnoj faznoj modulaciji kakva je recimo QPSK uobičajeno je da se amplituda i faza predajnih simbola predstave u kompleksnom koordinatnom sistemu nazvan signal constellation. Ilustracije radi signal-constellation za QPSK je prikazan na Slici 3.19.

10

00

01

11

( )tf2cos cπ

( )tf2sin cπ

Slika 3.19 Signal-constellation za QPSK

Napomena: U odnosu na relaciju (6) signali su pomereni za dodatnih +π/4

D. Kvadraturna amplitudna modulacija – QAM Kvadraturna amplitudna modulacija (quadrature amplitude modulation–QAM) je modulaciona

tehnika koja predstavlja kombinaciju ASK i PSK, a može se posmatrati kao logičko proširenje QPSK. U suštini to je multisimbolna modulacija koja koristi multi-amplitudnu i multi-faznu modulaciju radi povećanja brzine prenosa podataka. Signal-constellation za 16-QAM, 4-bita po simbolu, prikazan je na Slici 3.20.


62

0000( )tf2cos cπ

( )tf2sin cπ

0001

1001

1110 1011

1100 1101 1000

1010 1111

0110 0011

01000101

01110010

Slika 3.20 Signal-constellation za 16-QAM

3.10. Analogni podaci na ulazu, analogni signali na izlazu

Modulacija se definiše kao proces kombinovanja ulaznog signala m(t) i nosioca čija je frekvencija fC sa ciljem da se generiše signal s(t) čiji je propusni opseg (obično) centriran oko fC. U daljem delu teksta ukazaćemo u glavnim crtama samo na osnovne principe tehnika modulacije koje koriste analogne podatke, a to su: AM (amplitudna modulacija), FM (frekventna modulacija) i PM (fazna modulacija). Više detalja iz ove problematike studenti nalaze izučavanjem predmeta Osnovi telekomunikacija.

Amplitudna modulacija – AM Najjednostavniji oblik modulacije predstavlja amplitudna modulacija (vidi sliku 3.21). Matematički

proces AM-a se može opisati kao

( ) ( )( ) tf2costxn1ts Ca π+= ..........................................................................(6)

gde su: tf2cos Cπ - signal nosioca, ( )tx - modulišući signal; an - stepen (indeks) modulacije.

Uočimo da su amplitude nosioca i modulišućeg signala u relaciji (6), kao vrednosti, normalizovane na jedinicu


63

t

m (t)

a) sinusoidalni modulišući talas

0

Amax

Amin

1

[ 1 + m (t) ]

S (t)

t

b) rezultujući AM signal

Slika 3.21 Amplitudna modulacija Više detalja o karakteristikama AM-a studenti čuju is predmeta Osnovi telekomunikacija.


64

3.10.1. Ugaona modulacija

Frekventna modulacija (FM) i fazna modulacija (PM) su specijalni slučajevi ugaone modulacije.

Modulisani signal kod ugaone modulacije je zadat sledećom relacijom: ( ) ( )( )ttf2cosAts CC ϕπ += .................................................................(7) Kod PM-e, faza je proporcionalna modulišućem signalu, pa važi:

a) kod PM-a ( ) ( )tmnt p=ϕ (8)

gde je: pn - indeks fazne modulacije.

b) kod FM-a izvod faze je proporcionalan modilišućem signalu, pa važi:

( ) ( )tmnt f' =ϕ

gde je: fn - indeks frekventne modulacije

Na slici 3.22 prikazani su talasni oblici AM-a, PM-a i FM-a, kada je modulacija izvršena čistim tonom.


65

Nosioc

Modulišući sinusni signal

Amplitudno modulisani signal

Fazno modulisani signal

Frekventno modulisani signal

Slika 3.22 AM, PM i FM kada se modulacija vrši čistim tonom


66

3.11. Analogni podaci na ulazu, digitalni signali na izlazu Proces konverzije analognih podataka u digitalne signale, tj. podatke, naziva se digitalizacija. Pri

ovome, na sledeća tri važna aspekta moramo obratiti pažnju: 1. digitalni podaci se mogu prenositi koristeći NRZ-L (Non-Return to Zero Level) kôd. NRZ-L se

uobičajeno koristi za generisanje ili interpretaciju digitalnih podataka od strane terminala ili drugih uredjaja.

2. digitalni signali se mogu nakon toga kodirati kao digitalni signal koristeći kôd koji je različit u odnosu na NRZ-L. To znači da je potrebno uvesti dodatni korak.

3. digitalni podaci se mogu konvertovati u analogni signal koristeći jednu od modulacionih tehnika koje smo već opisali.

Proces digitalizacije analognih podataka prikazan je na slici 3.23.

Digitizer Modulator

Digitalni podaci

Digitalni podaci

Analogni podaci(glas)

Alaogni podaci(ASK)

Slika 3.23 Digitalizacija analognih podataka

U konkretnom slučaju govorni signal se prvo digitalizuje, a zatim konvertuje u analogni ASK. Uredjaj koji se u procesu predaje, koristi za konverziju analognih podataka u digitalnu formu a zatim,

u procesu prijema, za konverziju analognih podataka u digitalne naziva se kodek (koder-dekoder). U daljem tekstu ukazaćemo u kratkim crtama na dve glavne tehnike koje se koriste kod kodeka, a to su impulsno kodna modulacija i delta modulacija. Više detalja o ovoj problematici se čuje iz predmeta Osnovi telekomunikacija.

3.11.1. Impulsno kodna modulacija – PCM

Impulsno kodna modulacija (Pulse Code Modulation–PCM) bazira se na teoriji uzorkovanja i može

se izraziti kao: Ako se signal f(t) uzorkuje u regularnim vremenskim trenucima, frekvencijom koja je dvaput viša od

najviše frekvencije signala, tada uzorci sadrže celokupnu informaciju signala koji se uzorkuje. Funkcija f(t) se može rekonstruisati na osnovu uzoraka korišćenjem nisko-propusnog filtra.

3.11.2. Delta modulacija – DM

U cilju poboljšanja performansi PCM-a kao i redukciju kompleksnosti elektronskih sklopova koji se

ugradjuju u sistem koriste se alternativne PCM tehnike kodiranja od kojih je najpoznatija Delta Modulacija (DM). Kod DM-e analogni signal se aproksimira stepeničastom funkcijom koja se pomera naviše ili naniže za po jedan kvantizacioni nivo (δ) pri svakom intervalu uzorkovanja Ts. Tipičan primer je prikazan na slici 3.24.


67

Stepenasta funkcija

Šum usled prevelikog

nagiba

Kvantizacioni šum

Vremeuzorkovana

Veličina koraka

Izlaz Delta modilacije

Analogniulaz

δ

Vreme

Amplituda signala

sT

0

1

Slika 3.24 Primer DM-e

Važna karakteristika stepeničaste funkcije je binarno ponašanje. Naime, kod svakog trenutka

uzorkovanja, funkcija se pomera naviše ilil naniže za konstantni iznos δ. Izlaz procesa DM-e se može predstaviti jedinstvenom binarnom cifrom za svaki uzorak. To znači da niz bitova koji se generiše aproksimira izvod analognog signala, a ne njegovu amplitudu. Ako u toku narednog intervala, stepeničasta funkcije ide naviše generiše se 1, a u suprotnom se generiše 0.


68

3.12. Prenos modulisanih signala

Žičane računarske komunikacije dominiraju danas kod prenosa poruka u osnovnom opsegu (Baseband Transmission Systems), dok se široko-pojasni sistemi (Broadband Transmission Systems) prvenstveno koriste kod sistema koji svoji prenos zasnivaju na tehnici modulacije–nosioca (carrier– modulated technologies).

Kod žičanih komunikacionih mreža ako želimo proširiti mrežu dodaćemo još žica. Tipičan primer je povezivanje novih telefona putem instaliranja novog kabla. Kod bežičnih mreža, postoji samo jedan zajednički medijum za prenos, a to je etar. Etar je u suštini deljiv resurs izmedju različitih apkikacija koje u toku prostiranja dodatno koriste princip FDM (Frequency Division Multiplex). Zbog toga proširenja kod bežičnog prenosa ne izvode se tako jednostavno.

Kod mreža za bežični prenos koriste se sledeće dve klase tehnologija modulacije-nosioca: a) tradicionani radio-modemski prenos; b) prenos koji se bazira na rad u proširenom spektru.


69

3.13. Značaj pojmova: bežični i mobilni Često sebi postavljamo sledeće pitanje: Kako će u godinama koje nailaze izgledati budući računari?

Odgovor na ovo pitanje je teško dati jer su predvidjanja o onome šta će i kako će nešto biti, često nezahvalna i nepredvidljiva. Ipak jedno je sigurno, a to je da će na budućem tržištu sve više i više biti prisutno prenosivih (portable) računara i druge komunikacione opreme. Naime, opšta je težnja da se sve veći broj poslova obavlja u pokretu (avionu, vozu, kolima, dok odsedate u hotelu, i td.). Sve ovo ukazuje da će komuniciranje pretežno biti bežično (wireless), a korisnici koji to obavljaju biti mobilni. Pri ovome se pojam mobilnost-korisnika pre svega odnosi na onaj korisnik koji ima pristup istim ili sličnim komunikacionim servisima (uslugama) na različitim mestima, tj. kažemo da je korisnik mobilan, a servisi su oni koji ga prate. Sa druge strane, pojam bežični se vezuje za uredjaj i ukazuje da se pristup komunikacionoj mreži ostvaruje bez žičanog povezivanja. Za jedan komunikacioni uredjaj kažemo da je prenosiv ako se isti, sa ili bez korisnikom, može seliti sa jednog mesta na drugo. Shodno prethodnom, za komunikacione uredjaje kažemo da mogu posedovati sledeće karakteristike:

1. fiksni i žičani – ovakve konfiguracije koje su tipične za računarske mreže koje srećemo danas u

najvećem broju laboratorija, kancelarija, poslovnih objekata (banke, opštine), i dr. 2. mobilni i žičani – danas sve veći broj korisnika koristi laptop-ove. Kada korisnik odsedne u neki

hotel često se javlja potreba da se poveže na mrežu svoje kompanije preko telefonske linije i modema.

3. fiksni i bežični – standardno se koristi kod instaliranje mreža u slučajevima kada iz mnogobrojnih razloga nije dozvoljeno izvodjenje gradjevinskih radova u zgradi. To su obično zgrade od istorijskog značaja

4. mobilni i bežični – sigurno je najfleksibilniji slučaj, jer korisnik može u pokretu da koristi usluge (roaming), čas jedne čas druge bežične komunikacione mreže.

Bežični prenos

Na ovom mestu ukazaćemo samo na neke osnovne aspekte bežičnog prenosa koji su neophodni za

razumevanje problema na višim nivoima. Radio-frekventni prenos se može ostvariti na veći broj različitih frekventnih opsega. Svaki frekventni opseg nudi odredjene prednosti, ali ima i neke svoje nedostatke. Na slici 3.25 prikazana je gruba podela frekventnog opsega koji se koristi za prenos podataka.


70

102

103

1015

1014

1013

1012

1011

1010

109

108

107

106

105

104

ELF HFMFLFVLFVF EHFSHFUHFVHF

106 10-610-510-410-310-210-1100101102103104105

Mrežno napajanje i telefonijaEnergetski generatoriMuzički instrumentiZvučni signali

RadioRadio i televizijaElektronske ceviIntegrisana kolaCelularna telefonija

MikrotalasnaRadar Mikrotalasne anteneMegnetroni

InfracrvenaLaseriNavodjenje projektila

Vidljivasvetlost

AM radio

Optičko vlakno

Zemaljski i satelitski

prenos

FM radio i TV

Koaksijalni kabl

Upredeni kabl

Talasna dužina u prostoru(m)

Frekvencija(Hz)

ELF = ekstremno niske frekvencije

EHF = ekstremno visoke frekvencije

SHF = super visoke frekvencije

UHF = ultra visoke frekvencije

VHF = vrlo visoke frekvencije

HF = visoke frekvencije

MF = srednje frekvencije

VLF = vrlo niske frekvencije

VF = govorne frekvencije

LF = niske frekvencije Slika 3.25 Frekventni spektar

Kao što se vidi sa slike 3.25 prikazane su frekvencije počev od 300 Hz do 300 THz. U direktnoj vezi sa frekvencijom je i talasna dužina λ , koja se može izraziti sledećom jednačinom:

0fc=λ gde je s/m103c 8∗= brzina svetlosti u vakumu, a fo je frekvencija signala. Na slici 3.26 prikazan je elektromagnetni spektar i označene su frekvencije različitih medijuma za

žičani i bežični prenos podataka.


71

opseg

frekventni opseg

opseg talasne dužine u

slobodnom prostoru

propagacione karakteristike

tipično korišćenje

ELF (ekstremno niske frekvencije)

30-300 Hz 10.000 – 1.000 km

GW Mrežne frekvencije; koristi se za domaćinstvo i industriju

VF (govorne frekvencije)

300-3000 Hz 1.000 – 100 km GW koristi se od strane telefonskog sistema za analogni prenos govora

VLF (vrlo niske frekvencije)

3 – 30 kHz 100 – 10 km GW: slaba atenuacija danju i noću; jaki atmosferski nivo šuma

navigacija uz pomoć dugih talasa; komunikacija izmedju podmornica

LF (niske frekvencije)

30- 300 kHz 10–1 km GW: neznatno manje pouzdano od VLF; dnevna absorbcija

navigacija uz pomoć dugih talasa; komunikacija izmedju brodova

MF (srednje frekvencije)

300- 3000 kHz 1.000 – 100 m GW i noćni SW; malo slabljenje noću, veliko preko dana; atmosferski šum

radio signal za obaveštavanje brodova, odredjivanje smera, emisija u srednje-talasnom području

HF (visoke frekvencije

3 –30 MHz 100 – 10 m SW: kvalitet varira vremenom u toku dana, u toku sezone, i zavisi od frekvencije

radio amateri; internacionalna emisija, vojne komunikacije; komunikacije izmedju aviona i brdova na duga rastojanja

VHF (vrlo visoke frekvencije)

30 – 300 MHz 10 – 1 m LOS: rasejavanje zbog inverzije temperature; kosmičkišum

VHF televizija; FM radio emisija, i dvosmerna radio emisija, AM komunikacija za avione i ostala navigaciona sredstva

UHF (ultra visoke frekvencije)

300 – 3000 MHz 100 – 10 cm LOS: kosmički šum

UHF televizija; celularna telefonija, radar, mikrotalasne veze, i personalni komunikacioni sistemi

SHF (super visoke frekvencije)

3 –30 GHz 10 – 1 cm LOS: slabljenje iznad 10 GHz zbog kiše; atmosfersko slabljenje zbog kiseonika i kapljica vodene pare

satelitske komunikacije, radar, zemaljske mikro-talasne veze, i bežične lokalne petlje

EHF 30 – 300 GHz 10 – 1 mm LOS: eksperimentalni opseg,


72

(ekstremno visoke frekvencije)

atmosfersko slabljenje zbog kiseonika i kapljica vodene pare

bežične lokalne petlje

inracrveni 300 – 400 THz 1 mm – 770 nm LOS infracrveni LAN, proizvodi potrošačke elektronike

vidljiva svetlost 400- 900 THz 770 – 330 nm LOS optičke komunikacije

Slika 3.26 Elektromagnetni spektar u telekomunikacijama

Radio prenos počinje od nekoliko kHz, na VLF bandu koga karakterišu veoma dugi talasi. Talasne

dužine LF opsega koriste podmornice iz razloga što se ovi talasi prostiru kroz vodu i slede oblik površinu zemlje. Danas još postoje neke od radio stanica koje još rade na ovom bandu, to su frekvencije od 148,5-283,5 kHz. Na srednje-talasnom (MF) i kratko-talasnom području (HF) postoje danas brojne radio stanice koje za prenos signala govora koriste bilo amplitudnu modulaciju (AM) u opsegu od 520 kHz do 1605,5 kHz na srednjim talasima ili u opsegu od 5,9 MHz do 26,1 MHz na kratkim talasima (SW), bilo frekventnu modulaciju (FM) u opsegu od 87,5 MHz i 108 MHz. Kako se ide prema višim frekvencijama raspoloživi opsezi se uglavnom koriste za prenos TV signala. Konvencionalni analogni TV prenos se obavlja u opsezima od 174-230 MHz za VHF područje i od 470-790 MHz za UHF područje. U ovom opsegu vrši se takodje i digitalni audio prenos (DAB) u opsezima od 223-230 MHz i 1452-1472 MHz, dok se digitalni TV prenos planira u opsegu od 470-862 MHz. UHF područje se takodje koristi za potrebe mobilne telefonije sa analognom tehnologijom (450-465 MHz), digitalnim GSM prenosom (890-960 MHz, 1710-1880 MHz), digitalne bežične telefonije shodno DECT standardu (1880-1900 MHz), i druge namene. Super visoke frekvencije (SHF) se koriste kod usmerenih mikrotalasnih veza (aproksimativno 2-40 GHz), za potrebe fiksnih satelitskih servisa u C-band-u (4 i 6 GHz), ku-band-u (11 i 14 GHz) ili ka-band-u (19 i 29 GHz). Neki od sistema su planirani za rad na EHF opsegu koji je veoma blizak infracrvenom.

Opsezi prema još višim frekvencijama koriste se za optičke komunikacije kao i za bežični prenos. Infracrveni (IR) prenos se koristi za direktno povezivanje različitih zgrada preko laserskih veza. Najzastupljeniji je IrDA prenos podataka koji koristi infracrvenu svetlost talasne dužine u opsegu od 850-900 nm.

Konačno i vidljiva svetlost se vekovima koristila za prenos podataka, ali zbog interferencije nije pouzdana za prenos.

3.14. Multipleksiranje Multipleksiranje je osnovni mehanizam za deobu medijuma kod komunikacionih sistema. On opisuje

na koji način nekoliko korisnika mogu da dele medijum, a da pri tome izmedju njih postoji minimalna interferencija. Kada se govori o bežičnim komunikacijama multipleksiranje po svakom kanalu, uz minimalnu interferenciju i maksimalnu iskorišćenost medijuma, se može izvesti u sledeće četiri dimenzije: prostoru, vremenu, frekvenciji i kôdu.


73

3.14.1. Prostorni multipleks Ovaj tip multipleksiranja naziva se SDM (Space Division Multiplexing). Na slici 3.27 prikazana su

šest kanala i uveden 3D koordinatni sistem čije ose u odnosu na dimenzije odgovaraju kôdu c, vremenu t, i frekvenciji f, a prostor koji odredjuje interferenciju izmedju kanala označen je krugovima. Osnovno pitanje koje se sada postavlja je sledeće: Kako se postiže izdvajanje različitih kanala? Kanale k1 do k3 treba preslikati u tri prostora s1 do s3, koji jasno razdvajaju kanale i obezbedjuju da ne dodje do interferencije. Prostor izmedju interferentnog opsega naziva se bezbednosni prostor (guard space). Za ostale kanale (k4 do k6) potrebna su još tri prostora. Kada se govori o radiofrekventnom prenosu tada se SDM ostvaruje na sledeći način: Radio-stanici Beograd čije su dimenzije f1, t1 i c1 postoji bliznakinja istih dimenzija f1, t1 i c1, ali locirana na suprotnoj strani zemljine kugle.

s2

s3

s1 f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

f

t

c

Slika 3.27 Prostorni multipleks

3.14.2. Frekventni multipleks Tehnika frekventnog multipleksa (FDM-Frequency Division Multiplexing) se sastoji u deobi

dimenzije frekvencije na nekoliko ne-preklapajućih frekventnih opsega (vidi slilku 3.28). Svakom kanalu kako je pirkazano na slici 3.28 dodeljen je sopstveni frekventni opseg.


74

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

Slika 3.28 Multipleksiranje u frekventnom domenu

U toku rada predajnik stalno koristi jedan opseg, a prijemnik treba da je uvek podešen na taj opseg. Sa

ciljem da se izbegne preklapanje izmedju susednih frekventnih opsega (adjacent channel interference) koriste se bezbedonosni opsezi (quard spaces). Ovo jednostavno multipleksiranje ne zahteva složenu koordinaciju u radu izmedju predajnika i prijemnika.

3.14.3. Vremenski multipleks

Kod vremenskog multipleksa (TDM-Time Division Multiplexing) kanalu k1 za odredjeni iznos

vremena se dodeljuje celokupni opseg, tj svi predajnici koriste istu frekvenciju, ali u različitim vremenskim trenucima. Za razdvajanje vremena predaje jednog predajnika od drugog koriste se bezbednosni prostori koji su sada u formi vremenskih procepa. Princip vremenskog multipleksiranja prikazan je na slici 3.29.

f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

Slika 3.29 Vremenski multipleks


75

3.14.4. Kombinacija frekventnog i vremenskog multipleksa Veoma često u praksi se koristi kombinacija frekventnog i vremenskog multipleksa (vidi sliku 3.30).

Kod ovog multipleksa kanalu k1 za odredjeni period vremena se dodeljuje neki od frekventnih opsega. Ponovo da bi sistem korektno radio (tj. ne dodje do interferencije) potrebno je obezbediti bezbednosni prostor kako u vremenu tako i po frekvenciji. Korektan rad podrazumeva i koordinaciju u radu izmedju različitih predajnika. Standard mobilne telefonije GSM koristi kombinovani frekventni i vremenski multipleks.

f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

Slika 3.30 Kombinacija frekventno-vremenskog multipleksa

Napomen:a (prikaz je dat projekcijom na ravan t-f)

3.14.5. Kôdni multipleks Kôdni multipleks (Code Division Multiplexing) se kao tehnika, u komercijalnim komunikacijama,

koristi od skoro. Na slici 3.31 prikazano je kako svi kanali ik u istom trenutku prenosa koriste istu frekvenciju. Bezbedonosno-razdvajanje se ostvaruje na taj način što se svakom kanalu dodeli sopstveni kôd, tj. bezbedonosni prostori se realizuju korišćenjem kôdova koji u kôdnom prostoru imaju ugradjeno neophodno rastojanje (ove kôdove nazivamo ortogonalne).


76

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

Slika 3.31 Kôdni multipleks

Danas se CDM standardno koristi kod bežičnog prenosa zbog dobre osobine zaštite od interferencije i

ometanja. Glavni nedostatak ove tehnike je relativno velika složenost prijemnika koja se odnosi na korektno razdvajanje kanala kao i precizna sinhronizacija u radu prijemnika i predajnika.

3.15. Prošireni spektar

Kao što i samo ime ukazuje tehnike sa proširenim spektrom (spread spectrum) baziraju se na proširenje propusnog opsega koji je potreban da bi se izvršila transmisija podataka. Proširenje spektra ima nekoliko svojih prednosti. Ipak glavna prednost ovih tehnika predstavlja otpornost na uskopojasne interferencije. Na slici 3.32 prikazan je dijagram kod koga je:

(a) dat idealizovan uskopojasni signal predajnika korisničkih podataka (snaga signala P u odnosu na frekvenciju f );

(b) dato je kako predajnik širi spektar signala, tj. kako se ostvaruje način konverzije uskopojasnog signala u širokopojasni. Pri ovome treba naglasiti da je energija potrebna za predaju signala ista kao u slučaju (a), ali je proširena na veći opseg. Nivo signala u odnosu na slučaj (a) je znatno niži i obično je na nivou šuma. To znači da je sada teže izdvojiti i detektovati signal od šuma;

(c) ilustrovano je kako se u toku prenosa nad signalom superponira uskopojasni i širokopojasni šum; (d) dato na koji način prijemnik sada zna kako da suzi spektar (despread) signala, konvertuje signal

proširenog spektra korisnika u uskopojasni signal, zadržavajući uskopojasne interferentne smetrnje, a ignorišući širokopojasne;

(e) u zadnjem koraku, naznačeno je kako, prijemnik koristi filtre propusnika opsega i eliminiše sve frekventne komponente koje se nalaze levo i desno od uskopojasnog siganala. Konačno prijemnik rekonstruiše predajnu povorku impulsa zahvaljujući tome što je snaga signala velika, tj. signal ima veću amplitudu u odnosu na interferentne smetnje.


77

dP/df

fi)

dP/df

fii)

predajnik

dP/df

fiii)

dP/df

fiv)

prijemnikf

v)

dP/df

korisnički signalširokopojasna interferencijauskopojasna interferencija

Slika 3.32 Proširenje i sužavanje spektra signala

Na slici 3.33 prikazan je model rada digitalnog komunikacionog sistema koji radi u proširenom

spektru

Modulator Kanal Demodulator KanalnidekoderKanalnikoder

PNgenerator

PNgenerator

Ulaznipodaci

Spreadingsekvenca

Spreadingsekvenca

Izlaznipodaci

Slika 3.33 Model digitalnog komunikacionog sistema koji radi u proširenom spektru

Ulazni podaci se dovode na kanalni dekoder koji generiše analogni signal relativno uskog

frekventnog opsega lociran u okolini centralne frekvencije. Signal se zatim moduliše koristeći sekvencu cifara poznatu kao spreading code ili spreading-sekvenca. Obično, ali ne uvek, spreading-sekvenca se generiše od strane generatora pseudoslučajnog šuma, ili generatora pseudoslučajnih brojeva. Kao efekat modulacije dobija se značajno proširenje opsega signala koji se prenosi. Na prijemnoj strani ista sekvenca cifara se koristi za demodulaciju signala sa proširenim spektrom. Na kraju signal se dovodi na kanalni dekoder da bi se izdvojili podaci. Osnovne prednosti prenosa signala sa proširenim spektrom su sledeće:

1. Signali proširenog spektra se mogu prenositi u opsezima gde su drugi sistemi već operativni, a da pri tome postoji minimalni performansni uticaj na rad oba sistema.

2. Proširenim spektrom se prenosi širokopojasni signal koji ima superiornije performanse u odnosu na tradicionalni radio sa aspekta selektivnog fedinga i multipath kanala. Signal sa proširenim spektrom obezbedjuje robusniji i pouzdaniji prenos u urbanim i zatvorenim sredinama.

3. Anti-interferentne karakteristike signala sa proširenim spektrom su veoma važne kod nekih aplikacija, kakve su mreže koje su operativne u fabričkim halama, gde fabriku čini veći broj spratova u jednoj zgradi, pri čemu su interferentni signali veoma izraženi.

4. Celularni sistemi koji koriste CDMA (Code Division Multiple Access) tehnologiju proširenog spektra nude znatno veću operativnu fleksibilnost i veći kapacitet na nivou sistema u odnosu na sisteme koji metod pristupa baziraju na FDMA (Frequency Division Multiple Access), i TDMA


78

(Time Dvision Multiple Access). To znači da nekoliko korisnika može nezavisno da koristi isti širi propusni opseg sa veoma malom interferencijom.

U praksi za prenos signala u proširenom spektru koriste se sledeće dve različite metode: 1. direktna sekvenca (direct sequencing – DS)- DSSS ( direct sequence spread spectrum) 2. frekventno skakanje (frequency hopping – FH)- FHSS (frequency hopping spread spectrum)

3.16. Frekventno skakanje Sa ciljem da se izbegne ometanje kod FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) tehnike predajnik

je taj koji permanentno pomera centralnu frekvenciju predajnog signala. Frekventni pomeraji, ili frekventni skokovi (frequency hops), dešavaju se slučajno, ali su te promene poznate kako predajniku tako i prijemniku. Ako centralnu frekvenciju proizvoljno pomeramo izmedju 100 različitih frekvencija tada zahtevani propusni opseg bića 100 puta veći u odnosu na prvobitni propusni opseg. Zbog toga se ova tehnika naziva tehnika sa proširenim spektrom. FHSS se može podjednako uspešno primeniti kako na analogne tako i digitalne komunikacije, ali se prvenstveno koristi za digitalni prenos. Na slici 3.34 pirkazan je primer frekventnog skakanja koji se koristi kod prenosa paketa. Sekvenca frekvencija je 72841653 f,f,f,f,f,f,f,f pre nego što se vrši povratak na prvu frekvenciju 3f .

Vreme

Frekvencija

f1

f8f7f6f5f4f3f2

Paketi za prenos a)


79

Frekvencija

Energija

f1 f8f7f6f5f4f3f2

5 3 6 1 7 4 28

Vreme

Frekvencija

f1

f8f7f6f5f4f3f2

b)

Slika 3.34 Prenos FHSS paketa

Tipičan blok dijagram FHSS-a sistema prikazan je na slici 3.34. Na predajnoj strani binarni podaci se dovode na ulaz modulatora koji koristi neku digitalno-analognu šemu kodiranja, kakve su recimo, FSK ili BPSK. Rezultantni signal na izlazu modulatora je centriran oko iste osnovne frekvencije. U toku dalje obrade pseudo šum (PN-Pseudo Noise), ili pseudo-slučajni broj, u formi izvorišta se koristi kao indeks u tabeli frekvencija. Ovaj pseudo-slučajni broj odgovara kodu proširenja (spreading code). Svakih k bitova PN izvorišta specificira jednu od 2k nosećih frekvencija. To znači da se u svakom sukcesivnom intervalu (tj. svakih k PN bitova) selektuje nova noseća frekvencija. Ova frekvencija se zatim moduliše od strane signala generisanog u inicijalnom modulatoru, a kao proizvod dobija signal istog oblika, ali sada centriran na selektovanoj frekvenciji nosioca. Na prijemnoj strani, signal proširenog spektra se prvo demoduliše koristeći istu sekvencu pseudo-slučajnog broja, a nakon toga iznova demoduliše da bi se generisali izlazni podaci.

Modulator(FSK ili BPSK)

Filter propusnik

opsega(oko frekvencije

zbira)

Sintetizatorfrekvencije

Tabela kanala

Izvorište bitova

pseudošuma

( )tsd

( )tc

( )ts

Spread spectrumsignal

(signal u proširenom opsegu)

Binarni podaci

FH spreader

a) predajnik


80


(signal u proširenom opsegu)

Sintetizatorfrekvencije

Tabela kanala

( )tsd( )tc

Izvorište bitova

pseudošuma

Filter propusnik

opsega(oko frekventne

razlike)

Demodulator(FSK ili BPSK)

Binarni podaci( )ts

FH spreader

b) prijemnik

Slika 3.35 HFSS sistem

Princip rada HFSS-a objasnićemo na sledećem primeru. Usvojimo da će inicijalni modulator koristiti

BFSK modulacionu tehniku. Definisaćemo FSK ulaz u FHSS sistem sledećom relacijom.

( ) ( )( )( )tf1b5.0f2cosAts i0d ∆π ++= za ( )T1itTi +


81

( ) ( )( )( )tff1b5.0f2cosA5.0ts ii0 +++∗= ∆π

To znači da je u toku trajanja bitskog intervala i , frekvencija signala na izlazu predajnika i0 ff + ako

je bit podataka 1− , a fff i0 ∆++ ako bit podataka ima vrednost 1+ . Na prijemnoj strani prima se signal ( )ts definisan sa (2). Ovaj signal se množi signalom ( )tc koji je

replika spreading signala na predajnoj strani, pa važi

( ) ( ) ( ) ( )( )( ) ( )tf2costff1b5.0f2cosA5.0tctstp iii0 π∆π ∗+++∗== Koristeći trigonometrijske identitete, dobićemo

( ) ( )( )( ) ( )( )( )[ ]tf1b5.0f2costfff1b5.0f2cosA25.0tp i0iii0 ∆π∆π +++++++∗= Filtar propusnik opsega (instaliran u prijemniku sa slike 4) atenuira frekventni zbir, a propušta

razliku, pa će signal na njegovom izblazu biti oblika ( )( )( )tf1b5.0f2cosA25.0 i0 ∆π ++∗

3.17. FHSS koji koristi MFSK Uobičajeno je da se kod FHSS koristi MFSK (Multiply Frequency Shift Key) tehnika modulacije.

Naglasimo da je MFSK signal definisan kao

( ) Mi1,tf2cosAts ii ≤≤= π gde je: ( ) dCi fM1i2ff −−+= ;

Cf je noseća frekvencija; df predstavlja frekventnu razliku; L2M = broj različitih signalnih

elemenata; L broj bitova po signalnom elementu. Kod FHSS-a MFSK signal svakih TC sekundi se translira u novu frekvenciju putem modulacije

MFSK signala sa FHSS nosiocem. Kao efekat dobija se translacija MFSK signala u odgovarajući FHSS kanal. Pri brzini prenosa podataka od R, trajanje bitskog intervala je T=1/R sekundi, a trajanje signalnog elementa je Ts=LT sekundi. Ako je Tc veće ili jednako sa Ts, spreading modulacija se naziva slow-frequency-hop spread spectrum, u suprotronom imamo fast-frequency-hop spread spectrum, ili važi

za slow-frequency-hop spread spectrum imamo Tc ≥ Ts

za fast-frequency-hop spread spectrum imamo Tc < Ts Na slici 3.36b) prikazan je primer spore FHSS koja koristi MFSK kodiranje sa slike 3.36a). U

konkretnom slučaju imamo da je M = 4 što znači da se koriste četiri različite frekvencije da bi se u datom trenutku kodirala dva ulazna bita podataka. Svaki signalni elemenat predstavlja ton diskretne frekvencije, pri čemu je ukupni MFSK propusni opseg jednak Wd = Mfd. U konkretnom slučaju koristi se FHSS {ema sa k = 2. To znači da postoje 4 = 2k različitih kanala, svaki {irine Wd. Ukupni propusni opseg FHSS-a iznosi Ws= 2kWd. Svaka dva bita PN sekvence se koriste za selekciju jednog od četiri kanala. Kanal se održava u trajanju od dva signalna elementa, ili četiri bita (Tc= 2Ts=4T).


82

Na slici 3.37 prikazan je brzi FHSS za isti MFSK primer. U ovom slučaju ponovo je M = 4 i k = 2, ali se svaki signalni elemenat predstavlja sa dve tonske frekvencije.

Cf dW

01 110000100111110011dC f3f +

dC f3f −dC ff −dC ff +

frekv

enci

ja

vremesT

T

a) MFSK za M=4

0 1100111 1 0001101 1000

dW

dW

dW

dW

1100 1001 00

sW

frek

venc

ija

MFSKsimbol PN sekvencer

Ulazni binarni podaci

vreme

4MzaMFSK

=

T

cTsT

2kskakanjagrubačetiri

42k

=

=

b) MFSK (M = 4 , k = 2)

Slika 3.36 Slow-frequency-hop spread spectrum koji koristi MFSK (M=4, k=2)


83

0 1100111 1 0001101 1000

dW

dW

dW

dW

1100 1001

sW

frekv

enci

jaMFSKsimbol PN sekvencer

Ulazni binarni podaci

vreme

4MzaMFSK

=

T

sTcT

2kskakanjagrubačetiri

42k

=

=

00000000 10 11 10 10 01011111 10 11 01 10

Slika 3.37 Fast-frequency-hop spread spectrum koji koristi MFSK (M=4, k=2)

3.18. Direktna sekvenca - DSSS Kod direktne sekvence (direct sequence spread spectrum – DSSS) svaki bit izvornog informacionog

signala na predajnoj strani predstavlja se pomoću većeg broja bitova u predajnom signalu, koristeći pri tome spreading kod. U suštini spreading kôd proširava signal na veći frekventni opseg. Ovaj opseg je direktno proporcionalan sa brojem korišćenih bitova. Tako na primer, 10-bitni spreading kôd proširava signal u frekventnom opsegu na 10 puta širi u odnosu na 1-bitni spreading kôd.

Tehnika koja se koristi kod DSSS-a bazira se na kombinovanju informacionog niza sa spreading kôd bit povorkom koristeći XOR logičku funkciju. Na slici 3.37 prikazan je jedan tipičan primer. Na sličan način kao i FHSS, i DSSS vidi sliku 3.38, se može zamisliti kao modulaciona tehnika koja se realizuje u dva koraka.


84

Spreader TradicionalnimodulatorTradicionalnidemodulator Korelator Ulazni podaci

Izlazni podaci

Bit podatka

Chip0

8

6

4

2

10

0 8642 10-2-4-6-8-10A

mpl

ituda

a) prvi pristup

Modulator(FSK ili BPSK)

Izvorište bitova

pseudošuma

( )tsd

( )tc( )ts


(signal u proširenom spektru)Binarni

podaci

DS spreader

b) predajnik (drugi pristup)


(signal u proširenom spektru)

( )tsd

( )tc

Demodulator(FSK ili BPSK)

Binarni podaci( )ts

DS despreder

Izvorište bitova

pseudošuma

c) prijemnik (drugi pristup)

Slika 3.38 DSSS sistem


85

Ulazni podaci A

Lokalno generisana

PN bit sekvenca

Poslati signalBAC ⊕=

PRED

AJN

IK

0 101001 1

0 11 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 101101001011 0

0 11 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 001100110011 0

Pimljeni signal C

Lokalno generisana

PN bit sekvencaIdentičan B-u gore

Izlazni podaciBCA ⊕=

PRIJ

EMN

IK

A

A

B

C

C

B

Slika 3.39 Primer DSS-a

U prvom stepenu svaki predajni informacioni bit se proširava (preslikava) u N užih impulsa koje

nazivamo chip. U drugom stepenu, chip-ovi se predaju preko tradicionalnog digitalnog modulatora. Na prijemnoj strani chip-ovi se prvo demodulišu a zatim prolaze kroz korelator koji despread-uje signal. Despreader koreliše prijemni signal sa chip sekvencom. Vrh autokorelacije se koristi za detekciju predajnog bita.

3.18.1. DSSS koja koristi BPSK

Da bi vi videli kako ova tehnika praktično radi usvojićemo da se u konkretnom rešenju koristi BPSK

modulaciona tehnika. Umesto da se binarni podaci predstave kao 1 i 0, povoljnije je tretirati ih kao +1 i –1. U tom slučaju, BPSK se može predstaviti sledećom relacijom

( ) ( ) ( )tf2costdAts Cd π∗∗= (1) gde je: A – amplituda signala; Cf – frekvencija nosioca; ( )td – diskretna funkcija koja ima vrednost +1 ako je odgovarajući bit u povorci 1, a vrednost –1 kada je odgovarajući bit u povorci 0. Da bi dobili DSSS signal množimo jednačinu (1) funkcijom ( )tc koja odgovara PN sekvenci

uzimajući vrednosti +1 i –1, čime dobijamo ( ) ( ) ( ) ( )tf2costctdAts Cd π∗∗∗= (2)


86

Na prijemnoj strani, dolazeći signal ponovo se množi sa ( )tc . Imajući u vidu da je ( ) ( ) 1tctc =∗ ,

ovakvom manipulacijom vrši se obnavljanje početno zadatog informacionog signala.

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )tf2costctctdAtcts Cd π∗∗∗∗=∗

Jednačina (2) se može interpretirati na dva načina, što ima za posledicu dve različite implementacije. Kod prve implementacije, vidi sliku 3.37, prvo se pomoću despreader-a množe d(t) i c(t) uzajamno, a

zatim se obavlja BPSK modulacija (tradicionalni modulator). Alternativno, kod druge implementacije (vidi sliku 3.38) prvo se obavlja BPSK modulacija nad nizom podataka d(t), a kao rezultat generiše signal sd(t). Ovaj signal se zatim množi sa c(t). Implementacija drugog pristupa prikazana je na slici 3.38, a tipičan primer talasni dijagrama koji odgovaraju ovom slučaju prikazan je na slici 3.39.

Slika 3.39 DSSS sistem koji koristi BPSK


87

3.19. Osnovni principi CDMA tehnike CDMA (Code Division Multiple Access) je tehnika koja se koristi kod prenosa signala u proširenom

spektru. Šema radi na sledeći način. Neka se signal prenosi bitskom brzinom D. Rastavićemo svaki bit na k chip-ova koristeći fiksni oblik koji je specifičan za svakog korisnika. Po novom kanalu bitska brzina prenosa odgovaraće brzini od kD chip-ova u sekundi. Kao ilustraciju uzećemo primer sa 6k = , a zbog pojednostavljenije prezentacije opisaćemo kodnu sekvencu kao povorku vrednosti 1+ i 1− . Na slici 3.40 prikazani su kôdovi triju korisnika A, B i C, od kojih svaki komunicira sa istom baznom prijemnom stanicom, R. Usvojićemo da je kod korisnika A jednak >−−−=< 1,1,1,1,1,1CA , a kôdovi korisnika B i C su >−−=< 1,1,1,1,1,1CB i >−−=< 1,1,1,1,1,1CC respektivno (vidi sliku 3.40).

Razmotrićemo slučaj kada korisnik A želi da komunicira sa baznom stanicom, pri čemu se podrazumeva da bazna stanica zna kôd korisnika A. Usvojićemo dalje da je komunikacija već sinhronizovana tako da bazna stanica zna kako da prepozna bitove. Ako A želi da preda bit čija je vrednost 1 , ona predaje svoj kod čiji je chip oblik >−−−< 1,1,1,1,1,1 , a za slučaj da želi da preda bit čija je vrednost 0 tada A predaje komplementarnu vrednost svog kôda čiji je oblik

>−−−< 1,1,1,1,1,1 . U baznoj stanici prijemnik dekodira chip oblik. U našem, konkretnom, slučaju prijemnik R primiće chip oblik >=< 654321 d,d,d,d,d,dd , pri ćemu je odgovarajući kod prijemnika koji se odnosi za specificiranog korisnik definisan kao >=< 654321 c,c,c,c,c,cc .

Shodno prethodnoj konstataciji prijemnik će obaviti sledeću dekodersku funkciju

( ) 665544332211n cdcdcdcdcdcddS ∗+∗+∗+∗+∗+∗= Indeks n koji prati S ukazuje da se radi o nekom korisniku. Neka je korisnik n u konkretnom slučaju

korisnik A i analizirajmo sada šta će se desiti. Ako A šalje bit čija je vrednost 1, tada će d biti >−−−< 1,1,1,1,1,1 , a izračunavanje SA koje je svojstveno korisniku A rezultiraće

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 61111111111111,1,1,1,1,1S A =∗+−∗−+∗+−∗−+−∗−+∗>=−−−< Za slučaj da A predaje 0 imaćemo da je >−−−=< 1,1,1,1,1,1d pa dobićemo

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 61111111111111,1,1,1,1,1S A −=∗−+−∗+∗−+−∗+−∗+∗−>=−−−< Uočimo da uvek važi da je ( ) 6dS6 A ≤≤− nezavisno od toga kakva sekvenca od 1− i 1 čini d, a da

u ekstremnim slučajevima dobijamo vrednosti 6 i –6. To znači da ako SA generiše +6 kažemo da smo primili 1 od A, a za slučaj da SA generiše –6 to znači da smo primili 0 od A, u ostalim slučajevima kažemo da neko drugi predaje informaciju ili da je nastala greška. Analiziraćemo sada slučaj kada korisnik B vrši predaju, a mi pokušavamo da primimo sa SA, tj. pokušavamo da izvršimo dekodiranje sa pogrešnim kôdom korisnika A. Ako B predaje bit čija je vrednost 1 imaćemo da je >−−=< 1,1,1,1,1,1d , a to znači da će

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 01111111111111,1,1,1,1,1S A =∗−+−∗−+∗+−∗+−∗−+∗−>=−−<

To znači da neželjeni signal od korisnika B ne uzrokuje promene kod korisnika A. Isti zaključak važi i

kada korisnik B predaje bit čija je vrednost 0, ponovo će sA biti jednako 0.To znači da ako je dekoder linearan i ako A i B simultano vrše prenos signala sA i sB, respektivno, tada ćemo imatai da je

( ) ( ) ( ) ( ) AAABAAABAA ssssssssss =∗=∗+∗=+∗ , s obzirom da dekoder ignoriše B kada koristi kôd


88

korisnika A. Kôdovi korisnika A i B imaju osobinu da je ( ) ( ) 0cscs ABBA =∗=∗ , i nazivaju se ortogonalni. Ovi kôdovi su veoma korisni, ali na žalost njihov broj nije veliki.

Uobičajeniji je slučaj kada je vrednost ( )YX ss ∗ mala u asbolutnom iznosu u situacijama kada je yx ≠ . Tada je lakše praviti razliku izmedju slučajeva kada je yx = i kada je yx ≠ . U našem slučaju

( ) ( ) 0cscs ACCA == , ali je ( ) ( ) 2cscs BCCB == . U ovoj situaciji signal C imaće mali doprinos u dekodiranju signala umesto da doprinos bude 0. Koristeći dekoder su, prijemnik može da izabere (selektuje) predaju koju inicira korisnik u i u slučaju kada drugi korisnici vrše prenos signala po istoj ćeliji.

Na slici 3.41 prikazan je primer koji se odnosi na celokupnu našu prethodnu diskusiju.

dôKdiranaôk''1101''Poruka

1 0 11

'1'ickelogdôk'1'ickojlogarankomplement

'0'ickelogdôk

Slika 3.40 CDMA primer

korisnik A 1 -1 -1 1 -1 1

korisnik B 1 1 -1 -1 1 1

korisnik C 1 1 -1 1 1 -1

a) korisnički kôdovi

predata (bit podatka =

1) 1 -1 -1 1 -1 1

primljena kdna reč 1 -1 -1 1 -1 1

množenje 1 1 1 1 1 1 = 6


0) -1 1 1 -1 1 -1


89


množenje -1 -1 -1 -1 -1 -1 = -6

b) predaja od A


1) 1 1 -1 -1 1 1


množenje 1 -1 1 -1 -1 1 = 0

c) predaja od B, prijemnik pokušava da obnovi A-ovu predaju


1) 1 1 -1 1 1 -1

primljena kdna reč 1 1 -1 -1 1 1

množenje 1 1 1 -1 1 -1 = 2

d) predaja od C, prijemnik pokušava da obnovi B-ovu predaju

B (bit podatka = 1) 1 1 -1 -1 1 1

C (bit podatka = 1) 1 1 -1 1 1 -1

kombinovani signal 2 2 -2 0 2 0

primljena kôdna reč 1 1 -1 -1 1 1

množenje 2 2 2 0 2 0 = 8

e) predaje od B i C, prijemnik pokušava da obnovi B-ovu predaju

Slika 3.41 CDMA primer predaje signala

Kod praktičnih rešenja, CDMA prijemnik može da isfiltrira doprinos neželjenih korisnika tako što će ih smatrati kao pojavu uticaja izvora šuma niskog nivoa.


90

3.19.1. CDMA za DSSS

Analiziraćemo sada CDMA tehniku sa aspekta DSSS sistema koji koristi BPSK. Na slici 3.42 prikazana je konfiguracija kod koje postoji n korisnika, pri čemu svaki korisnik emituje signal koristeći različitu, ortogonalnu, PN sekvencu.

( )tf2cos Cπ ( )tc1

( )td1 ( )ts1

( )tf2cos Cπ ( )tc2

( )td2 ( )ts2

( )tf2cos Cπ ( )tcn

( )tdn ( )tsn

.

.

.

šum

( )tf2cos Cπ( )tc1

( )td1

Slika 3.42 CDMA kod DSSS okruženja

Podaci svakog korisnika, di(t), se modulišu tehnikom BPSK, a kao rezultat se dobija signal čiji je propusni opseg Ws, koji se zatim množi sa spreading kôdom tog korisnika, ci(t). Svi signali, plus šum, se primaju od strane projemnika. Pretpostavimo sada da prijemnik želi da otkrije podatak korisnika_1. Dolazećui signal se množi spreading kodom korisnika_1 i nakon toga demoduliše. Efekat ove akcije je sužavanje opsega onog dela dolazećeg signala koji odgovara korisniku_1 u non-spreading signalu, a proporcionalan je brzini prenosa podataka.

Kako je ostatak dolazećeg signala ortogonalan spreading kodu korisnika_1, ostatak i dalje ima propusni opseg Ws. Na ovaj način energija neželjenog signala ostaje spread-ovana po celokupnom opsegu dok je željeni signal koncentriran na uzak opseg Filtrom propusnika opsega, koji je deo demodulatora, moguće je obnoviti (restaurirati) željeni signal.

3.20. Prenosni medijumi i karakteristike

Svrha fizičkog nivoa (shodno OSI referentnom modelu) je da obavi prenos povorke bitova sa jedne mašine na drugu. Za prenos se koriste različiti fizički medijumi. Svaki medijum se karakteriše


91

svojim specifičnim propusnim opsegom, kašnjenjem, cenom, kao i jednostavnošću instalacije i održavanja. Medijum (put) preko koga se prostire elektromagnetni talas/električni signal može biti izveden kao trasiran ili netrasiran. Trasirani putevi su oni kod kojih se kao medijum za prenos koriste upredeni kablovi, koaksijalni kablovi, optička vlakna i dr., a netrasirani su oni koji se zasnivaju na prostiranju elektromagnetnih talasa kroz slobodni prostor (tipično su to satelitske veze, radio veze). Tip prenosnog medijuma je veoma važan jer on odredjuje koji je maksimalan broj bitova koji se na tom prenosnom putu mogu prenositi u sekundi, tj. bps.

Klasične dvo-žične linije

Klasične dvo-žične linije (two-wire open line) predstavljaju najjednostavniji oblik prenosnog medijuma. Ovaj tip linija pogodan je za povezivanje uredjaja koji nisu udaljeni više od 50 m, a koriste brzinu prenosa manju od 19.2 kbps. Signal, obično naponskog ili strujnog nivoa, relativan je u odnosu na referentnu masu i prenosi se kao asimetričan (jedna žica je signalna, a druga masa). Obično povezivanje dva računara se izvodi ne samo jednim parom žica nego više-žilnim kablovima (koji su radi mehaničke zaštite oklopljeni plastikom ili su trakastog tipa (flat ribbon cable) (vidi sliku 3.43).

Jedan par

Ravna traka

Završni konektori

Slika 3.43 Bakarne žice kao prenosni medijum

Osnovna prednost ovakvog medijuma za prenos predstavlja niska cena. Ipak kod ovog tipa linija zbog kapacitivne sprege izmedju žica dolazi do preslušavanja. Pored toga, ovaj način sprezanja (asimetričan prenos signala) podložan je uticaju različitih indukovanih smetnji koje su posledica elektromagnetnih zračenja snažnih izvora kakvi su elektromotori, veliki potrošači energije i dr. Sa ciljem da prenos podataka bude pouzdan, svi ovi faktori imaju presudni uticaj kako na dužinu linije, tako i na bitsku brzinu prenosa.

3.20.1. Upredene linije

Bolja imunost na uticaj indukcije spoljnih smetnji se ostvaruje korišćenjem upredenih linija

(twisted pair lines). Blizina signalne i referentne linije ima za posledicu da će se bilo koji interferentni signal indukovati sa istom amplitudom fazom i talasnim oblikom na obe žice pa se shodno tome njegov efvekat može redukovati ako se signal prihvata simetrično, tj. diferencijalno. Najčešće veći broj upredenih žica se smešta u jedan kabl (slika 3.44).


92

Spoljašnja izolaciona oplata

Višežilni kabal

Jedan par

Slika 3.44 Upredeni kabl

Upredene linije kod kraćih rastojanja (do 100 m) pogodne su za prenos signala bitskom brzinom reda 1 Mbps, a kod manjih brzina (reda kbps) i za veća rastojanja (reda km). Standardno na predajnoj strani za pobudu linije se koriste linijski drajveri a na prijemnoj linijski prijemnici. U cilju smanjenja uticaja interferentnih smetnji ovi kablovi se oklopljavaju širmom (slika 3.45).

Spoljašnja izolaciona oplataZaštitni sloj (oklop)

Slika 3.45 Više-žilni širmovani kabl

3.20.2. Koaksijalni kabl

Glavni organičavajući faktori upredenih kablova su parazitne kapacitivnosti i fenomen poznat kao skin-efekat. Porastom bitske brzine (tj. frekvencije) predajnog signala, struja koja protiče kroz žice teži da se raspodeli po spoljnoj površini a time i smanji efektivni presek žice. Ovo dovodi do povećanja električne otpornosti na višim frekvencijama a time indirektno i do povećanja slabljenja. Pored toga, sa povećanjem frekvenicije povećava se efekat zračenja. Zbog ovih efekata kod bitskih brzina prenosa iznad 1 Mbps kao prenosni medijum uobičajeno se koristi koaksijalni kabl (slika 3.46).

Spoljašnja izolaciona oplata

Dialektrični izolacioni materijal Spoljašnji provodnik

Centralni provodnik

Slika 3.46 Koaksijalni kabl


93

Koaksijalni kablovi standardno se koriste za bitske brzine prenosa reda 10 Mbps i rastojanja reda nekoliko stotina metara.

3.20.3. Optička vlakna

I pored toga što se preko koaksijalnih kablova mogu prenositi signali visokih frekvencija (koristeći razne tipove modulisanih signala kakve srećemo kod kablovske televizije), brzina prenosa digitalnih podataka kroz (bakarni) provodnik je ograničena. Optički kablovi razlikuju se od koaksijalnih i upredenih kablova po tome što prenose informaciju u obliku fluktuirajućeg snopa svetlosti kroz stakleno vlakno, a ne električnog signala kroz žice. Svetlosni talas ima znatno širi spektar od električnog pa, shodno tome, moguće je ostvariti brzine prenosa od nekoliko stotina Mbps. Optički kabl je takodje pogodan za prenos i pri manjim bitskim brzinama kod okruženja koja su podložna uticaju raznih smetnji kao što su industrijska postrojenja koja koriste visoko-naponsku opremu, razne energetske pretvarače i druge snažne izvore indukovanih smetnji. Dobra osobina optičkog prenosa je i ta što postoji galvanska izolacija izmedju predajnika i prijemnika. Galvanska izolacija dva medjusobno povezana uredjaja je od izuzetne važnosti kod instaliranja samo-sigurnosne opreme kakva se koristi kod nuklearnih elektrana, u rudnicima sa ja

tehnike za prenos podatakaes.elfak.ni.ac.rs/multimediatechnology/materijal/sredjeno...prenosni put...

Documents