Analoginen ja digitaalinen data signaali siirto 010602000 – Luento 5 Analoginen ja digitaalinen data signaali siirto

Analoginen ja digitaalinen tiedonsiirto Analoginen tarkoittaa jatkuvaa ja digitaalinen erillistä/epäjatkuvaa Näitä termejä käytetään puhuttaessa datasta signaaleista siirrosta Data on kommunikointiin sopiva tiedon esitysmuoto Signaali on datan sähköinen tai sähkömagneettinen esitystapa Siirto on signaalin siirtoa siirtojärjestelmässä

Jatkuva ja epäjatkuva signaali

Kaistanleveys Taajuus on signaalin toistoväli, (esim. f, 3f) Signaalin spektri on sen sisältämien taajuuksien vaihteluväli (esim. f – 3f) Signaalin absoluuttinen kaistanleveys on sen spektrin leveys (esim. 2f) Suurin osa energiasta on kuitenkin pienemmällä taajuusalueella, tämä on tehollinen kaistanleveys, tai yleisesti kaistanleveys

Kaistanleveys ja datanopeus Jokaisella siirtojärjestelmällä on rajoitettu taajuuskaista (kaistanleveys) Taajuuskaistan kaistanleveys rajoittaa siirtojärjestelmässä siirrettävän datan nopeuden (datanopeus, bittinopeus) digitaalinen signaali voidaan kuvata hyvin kaistanleveydellä 2 * signaalin bittinopeus bittikuvio voidaan kuvata pienemmälläkin kaistanleveydellä Mitä suurempi kaistanleveys, sitä enemmän informaatiota voidaan siirtää Mitä suurempi keskitaajuus, sitä suurempi mahdollinen kaistanleveys (ja bittinopeus)

Analoginen ja digitaalinen data Analoginen data sisältää jatkuvia arvoja tietyn ajan verran esim. ääni; puhe on 100Hz – 7kHz –taajuuksilla tapahtuvaa eri voimakkuuksista värähtelyä myös esim. video analogista dataa Digitaalinen data sisältää erillisiä arvoja, esim. merkkijonot muunnettava binaarimuotoon siirtoa varten

Analoginen ja digitaalinen signaali Analoginen signaali on jatkuvasti vaihteleva sähkömagneettinen aalto Taajuudesta riippuen voidaan kuljettaa mm. kaapeleissa, optisessa kuidussa, ilmassa tai avaruudessa Datasta riippuen valittava sopiva taajuuskaista (esim. puhelimen 300 – 3400 Hz) Digitaalinen signaali on jännitepulssien muodostama sarja käytetään kahta eri jännitetasoa, toinen binaariarvolle 1, toinen arvolle 0 voidaan kuljettaa kaapeleissa

Analoginen ja digitaalinen signaali Yleensä analoginen data esitetään analogisena signaalina ja digitaalinen data digitaalisena signaalina Ei silti ainoa vaihtoehto:

Analoginen ja digitaalinen siirto Siirto on tapahtuma, joka koostuu signaalien etenemisestä siirtotiellä ja niiden käsittelystä lähettimessä ja vastaanottimessa Analoginen siirto on analogisen signaalin välittämisestä käytettävä termi (signaali voi kuvata analogista tai digitaalista dataa) analogisessa siirrossa vahvistimia, digitaaliseen dataan voi tulla virheitä Digitaalinen siirto tarkoittaa digitaalista dataa esittävän analogisen tai digitaalisen signaalin välittämistä käytetään toistimia (purkaa signaalin ja luo uuden)

Analoginen ja digitaalinen siirto Digitaalinen siirto korvaamassa analogisen: digitaalisen laitteiston halventuminen datan eheys kapasiteetin tehokkaampi käyttö tietoturva ja yksityisyys integrointi (voidaan käsitellä analogista ja digitaalista dataa samalla tavalla)

Siirron vauriot Signaali voi heikentyä tai vaurioitua siirrossa lähettimen ja vastaanottimen välillä Merkittävimmät vaurioiden aiheuttajat vaimennus ja vaimennusvääristymä viivästysvääristymä häiriöt

Koodaus ja modulointi Digitaalinen signaali saadaan koodaamalla, analoginen moduloimalla

data-signaali-mahdollisuudet digitaalinen data, digitaalinen signaali: koodauslaitteisto yksinkertaisempi ja halvempi kuin analogiseksi moduloiva laitteisto analoginen data, digitaalinen signaali: digitaalisen siirron hyödyt digitaalinen data, analoginen signaali: siirtomedia, esim. optinen kuitu pystyy kuljettamaan vain analogista signaalia analoginen data, analoginen signaali: kuljetus sähköisessä muodossa helppo ja halpa

Digitaaliset signaalit

Analogiset signaalit digitaalisesta datasta AMPLITUDI- MODULAATIO TAAJUUS- MODULAATIO VAIHE- MODULAATIO

Kanavointi (multiplexing) 010602000 – Luento 5 Kanavointi (multiplexing)

Yleistä Usein kahden järjestelmän välinen kommunikointi ei vie koko siirtojärjestelmän kapasiteettia => Siirtokapasiteettia voidaan jakaa useamman siirrettävän signaalin kesken Tätä jakoa kutsutaan multipleksoinniksi eli kanavoinniksi Käytetään esim. kuituihin, koaksiaalikaapeliin tai mikroaaltolinkkeihin perustuvissa runkoverkoissa myös radiotiellä kuten esim. matkapuhelinverkoissa

Yleistä Kanavointi perustuu ns. multipleksereiden käyttöön (n syötettä yhdistetään yhdelle linjalle lähetyspäässä ja vastaanottopäässä ne jälleen puretaan) Yhdellä linjalla monta kanavaa käytössä Multipleksoinnin perusteet: kustannustehokkuus: mitä suurempi kokonaisdatanopeus, sitä pienempi hinta per bps Yksittäiset sovellukset tarvitsevat vain osan siirtojärjestelmän kaistasta

Kanavointi Yksinkertainen kuva kanavoinnista, n syötettä kuljetetaan yhden linkin n kanavassa

Kanavointi voidaan jakaa seuraaviin luokkiin: Kanavoinnin jaottelu Kanavointi voidaan jakaa seuraaviin luokkiin: Taajuusjakokanavointi (FDMA, Frequency Division Multiple Access) Aikajakokanavointi (TDMA, Time Division Multiple Access) Synkroninen Asynkroninen (tilastollinen) Koodijakokanavointi (CDMA, Code Division Multiple Access) Aallonpituusjakokanavointi (WDMA, Wavelength Division Multiple Access)

FDMA Vaatimus FDMA:lle Siirtotien kapasiteetin tulee ylittää siirrettävien signaalien yhteenlasketut kaistanleveys- vaatimukset Kukin signaali keskittyy omalle taajuusalueelle eli kanavalle Perustuu eri signaalien modulointiin eri taajuisille kantoaalloille kanava = kantoaallon kohdalle keskittynyt kaistanleveys Eri kanavien väliin jätetään riittävän suuri ns. varmuusväli estämään kanavien väliset häiriöt

FDMA

Syötettävä data voi olla digitaalista tai analogista FDMA Syötettävä data voi olla digitaalista tai analogista Perustuu modulointiin, joten signaali on aina analoginen Käytetään esim. TV-kanavien välittämiseen Kanavat erotellaan toisistaan 6 MHz taajuuskaista/kanava musta-valko-kuva, värisignaali, ääni Vastaanottopäässä käytetään kaistanpäästö-suodattimia erottamaan oikea signaali

FDMA Kantoaaltojen taajuudet fi on valittava niin, että signaalien kaistanleveydet eivät ylitä toisiaan merkittävästi

TDMA Voidaan käyttää digitaalisille signaaleille tai digitaalista dataa kuvaaville analogisille signaaleille Perustuu eri signaalien viipalointiin (aikajako) Viipalointi voi tapahtua Bittitasolla Tavutasolla Suuremmissa yksiköissä Siirtotien kapasiteetin ylitettävä siirrettävien signaalien kapasiteettivaatimukset Synkroninen / tilastollinen TDMA

TDMA

Synkroninen TDMA N syötettä yhdistetään siirtotielle Tuleva data puskuroidaan Multiplekseri käy puskureita läpi peräkkäisesti ja muodostaa puskureiden sisällöistä siirrettävän signaalin Puskureiden läpikäynnin on oltava riittävän nopea Datan oltava digitaalista Signaali voi olla digitaalinen tai analoginen

Synkroninen TDMA Siirrettävä data muodostaa kehyksiä (frame) Kehykset muodostuvat aikaviipaleista Lähteet voivat varata itselleen useampia aika-viipaleita kehyksestä ja sitä kautta nopeuttaa kommunikointiaan Nyt yhden lähteen varaamia aikaviipaleita kutsutaan kanavaksi Vastaanottopäässä aikaviipaleet ohjataan oikealle vastaanottajalle

Synkroninen TDMA

Synkroninen TDMA Synkronisessa TDMAssa aikaviipaleet varataan kiinteästi koko yhteyden ajaksi Hukkaa kapasiteettia, jos dataa ei joskus olekaan tarjolla (vastaavasti FDMA:ssa) Synkroninen TDMA mahdollistaa eri nopeuksilla toimivien lähteiden yhdistämisen Varataan eri määrät aikaviipaleita kullekin yhteydelle nopeuden mukaan

Synkroninen TDMA, linkin hallinta Synkronisessa TDMAssa ei tarvita ohjaus-informaatiota datan yhteydessä Ei tarvita linkkiprotokollaa Linkin vuonvalvonta tarpeetonta (kiinteä nopeus) Ongelmatilanteissa vain yksittäisiä yhteyksiä hallitaan (yhden lähteen aikaviipale tyhjillään) Vastaavasti virheen korjaukselle HUOM : Kehystason tahdistus vaaditaan, esim. vaihteleva (010101) tai jokin muu tunnistettava bittijono merkkinä yhdessä viipaleessa

Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA Synkronisen TDMA:n ongelmana on kehyksen aikavälien tuhlaaminen Suurimman osan ajasta joku/jotkut yhteydet ovat tyhjillään => Ratkaisuna tilastollinen l. asynkroninen l. älykäs TDMA Aikavälit varataan dynaamisesti tarpeen mukaan

Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA Yhdistetään jälleen useita lähteitä useisiin kohteisiin Koska tilastollinen TDMA käyttää hyödykseen siirtojen taukoja, siirtotien kapasiteetti voi olla pienempi kuin lähteiden nopeuksien summa Normaalitilanteessa kaistanleveyden lisäys Aiheuttaa hankaluuksia suurilla kuormituksilla Käytetään lähetyspuskureita multiplekserissä Tilastollinen TDMA vaatii ohjausinformaatiota (aikajaksoihin) datan yhteyteen

Tilastollinen TDMA Synkroninen TDMA lisä- kaistanleveys B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 Synkroninen TDMA t1 t2 lisä- kaistanleveys A1 B1 C2 D2 Tilastollinen (Asynkroninen) TDMA

Koodijakokanavointi, CDMA CDMA, Code Division Multiple Access Käytetään johtimettomilla siirtoteillä (radiotie) Käytetään koko taajuusalue sekä kaikki aikaviipaleet Etuja: Teoreettisesti tehokkaampi ja taajuuksien käytöltään joustavampi Useat CDMA-järjestelmät voivat toimia samalla alueella => verkkosuunnittelu helpottuu Häiriöiden vaikutus pienenee Laitteet kuluttavat vähemmän tehoa Analogista tai digitaalista dataa analogisella signaalilla

Koodijakokanavointi, CDMA Taajuus- ja aikajakokanavoinnissa kanavoinnista huolehtii multiplekserilaite Yhdistää ja erottelee usealta laitteelta tulevat signaalit Koodijakokanavoinnista huolehtii signaalin lähettävä päätelaite Vastaanottajan pitää olla tarkasti selvillä käytetystä koodaustekniikasta voidakseen vastaanottaa saapuvan signaalin koodausavaimena yksilöllinen tieto, esim. laiteosoite (Bluetooth)

Koodijakokanavointi Koodijakokanavointi perustuu hajaspektritekniikkaan Voidaan jakaa kahteen erilaiseen: Taajuushyppely (FH, Frequency Hopping Spread Spectrum) (esim. Bluetooth) Suorasekvensointi (DS, Direct Sequence Spread Spectrum) (esim. Wi-Fi / WLAN)

Koodijakokanavointi

Taajuushyppely (FHSS) Käytetään kaikkia aikavälejä ja koko taajuusalue (pitkällä tähtäimellä) Hidas / nopea taajuushyppely Hitaassa hyppelyssä lähetetään useampia bittejä / aikaväli Nopeassa hyppelyssä lähetetään 1 bitti useammalla aikavälillä Hyppelyalgoritmi on satunnainen (sekä lähettäjän että vastaanottajan tiedossa)

FHSS

Taajuushyppely (FHSS) Nopea Hidas 1 Bitit Taajuus Aika Taajuusaika 100 101 011 110 000

Suorasekvensointi (DSSS) Menetelmä käyttää koko taajuusalueen hyväkseen Laajan taajuusalueen käsittävä signaali saadaan sekoittamalla pieninopeuksinen informaatiosignaali suurinopeuksiseen bittivirtaan (kantoaalto) Muut lähetykset näkyvät signaalille kohinana Saman taajuuden käyttö alueella heikentää yhteyden laatua vain vähän

DSSS

Suorasekvensointi (DSSS)

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Laajakaistainen koodijakokanavointi, sama kaistanleveys kaikille datanopeuksille (pienemmille suurempi signaalinvahvistus) signaalinvahvistus auttaa häiriöitä vastaan, vahvistus on W/R (W = koko kaistanleveys, R = käyttäjän informaatiokanava) Käytetään esimerkiksi UMTS/3G-verkoissa Laajakaistainen DSSS, kanavat 5 Mhz fyysinen maksimidatanopeus ~2.3Mbps, aluksi käytössä hitaampi

Aallonpituusjakokanavointi, WDM Optinen kuitu saadaan tehokkaasti käyttöön vasta, kun saadaan siirrettyä useita signaaleja samassa kuidussa Käytetään eri taajuisia valonsäteitä, jotka muodostavat kukin oman kanavansa Eräänlainen FDMA, mutta käytetään termiä WDM, Wavelength Division Multiplexing Käytetään yksimuotokuidussa

Aallonpituusjakokanavointi, WDM Esimerkkejä: 1997 Bell labs: 100 sädettä, kunkin säteen datanopeus 10 Gbps => yhteensä 1 Tbps Nykyään kaupallisia sovelluksia luokassa 160 sädettä, 10 Gbps per säde Alcatel laboratorio-oloissa: 256 sädettä, 39,8 Gbps per säde => 10,1 Tbps (yli 100 km matkan)

Aallonpituusjakokanavointi, WDM Perusteet tekniikan käytölle: 2,4 Gbit/s tekniikan jälkeen kustannukset kasvavat voimakkaasti ja toimivuus heikkenee Suuremmilla nopeuksilla toimivien liitäntä-korttien elektroniikka on vielä suhteellisen kallista Useiden eri valokaapeleiden veto ei kannata (kalleus / hitaus) DWDM (dense wavelength…) -termiä käytetään, mikäli kanavia erityisen tiheästi

Ongelmat/Haitat kanavointitekniikoissa FDMA:ssa on 2 yleistä ongelmaa kanavien ylikuuluminen, mikäli kantoaaltojen taajuudet liian lähellä toisiaan pitkillä matkoilla signaalia vahvistettaessa toisen kanavan vahvistus voi luoda taajuuskomponentteja myös toisiin kanaviin synkr. TDMA soveltuu huonosti tietokonekäyttöön (epäsäännölliset lähetykset)

FDMA käyttökohteita Television radio- ja kaapelilähetys toimii FDM-periaatteella

Analogiset kuljetusjärjestelmät (analog carrier systems): FDMA käyttökohteita Analogiset kuljetusjärjestelmät (analog carrier systems): puhekaistan siirtoon, 4 kHz:n kaistanleveys yhdessä kanavassa Hierarkkinen FDMA, muodostuu eri tason FDM-ryhmistä (group = 12*kanava; supergroup = 5* group, 60 kanavaa; mastergroup = 10*supergroup, 600 kanavaa, jumbogroup = 4 * mastergroup USA:ssa AT&T:n maanlaajuinen järjestelmä samankaltainen kansainvälinen ITU-T:n standardoimana (mastergroup pienempi kuin AT&T, lisäksi supermaster group, jumbogroup puuttuu) alkuperäinen signaali saatetaan moduloida monta kertaa, data voi vääristyä

Analog carrier systems

TDM-käyttökohteita, Digital Carrier systems Hierarkkinen TDM-järjestelmä USA:ssa, Kanadassa ja Japanissa käytössä DS-1 -järjestelmä (24 kanavaa) sekä puhe- että digitaalisen datan käytössä (puhe pulse code modulation - DS-1 paketteja voidaan yhdistellä => enemmän kanavia (vrt. supergroup) ITU-T määritellyt samankaltaisen (ei identtinen)

Digital carrier systems

SONET/SDH ANSI:lla Synchronous Optical Network / ITU-T:llä yhteensopiva Synchronous Digital Hierarchy Määrittelee digitaalisen siirron optisen kuidun yli datanopeuksien hiearkkinen kokoelma alimman tason STS-1 (OC-1) voi kuljettaa DS-3 –signaalia tai ryhmän DS-1 –signaaleja STS-1-kehys muodostuu 810 tavusta STS-1 –signaalien data voidaan yhdistää STS-N –signaaleiksi limittämällä data N kpl STS-1 signaalista

SONET/SDH

SONET/SDH

Kaapelimodeemin toiminta Kaapelimodeemikäytössä palveluntarjoaja varaa 2 kanavaa (yksi molempiin suuntiin) datakäyttöä varten Joka kanava on jaettu tilaajien kesken (yleensä synkroninen TDMA) Vahvistinasema (headend scheduler) jakaa datat pieninä paketteina jos useampi käyttäjä aktiivisena, murto-osa kaistasta käytössä 500kbps – 1,5 Mbps datanopeudet tyypillisiä jakelusuunnan (downstream) kaistaa käytetään myös upstream-kaistan varaamiseen (monta käyttäjää käyttää samaa upstream-kaistaa)

Kaapelimodeemin kaaviokuva

ADSL Asymmetric digital subscriber line jakelusuunta laajempi kuin paluusuunta Tarjoaa nimensä mukaisesti ratkaisun tilaajan ja etäverkon välille Käyttää olemassaolevaa puhelinkäyttöön (4 kHz) tarkoitettua parikaapelia kaapeleissa voidaan kuitenkin siirtää paljon laajempikaistaista signaalia (yli 1 MHz) Alun perin suunniteltu video-on-demand –palveluille Sittemmin Internet-käyttö tullut pääasialliseksi palveluksi

ADSL Tyypilliseen Internet-käyttöön asymmetriset kaistat sopivia http-pyynnöt palvelimelle (upstream) www-sivut palvelimelta (downstream) Käyttää taajuusjakokanavointia 25 kHz varattu puheelle (sis. suojakaistan) kaiun poistolla tai taajuusjakokanavoinnilla upstream/downstream –jako käytetään FDM:ää vielä sisäisesti downstream- ja upstream –kanavilla Toimintamatka noin 5,5 km

ADSL kaiun poistossa lähetin poistaa oman lähetyksen kaiun tulevasta signaalista kaiun poistoa käyttäessä upstream ja downstream limittyvät pienempi taajuus -> pienempi vaimentuma sujuvampi upstreamin kapasiteetin muutos

ADSL ADSL käyttää Discrete multitone (DMT) –tekniikkaa monta kantosignaalia eri taajuuksilla – bitit jaetaan tasan 4 kHz alikanaville modeemi tarkistaa alikanavien signaalikohinasuhteen ennen datan jakamista, parempiin kanaviin enemmän dataa alikanavien datanopeudet 0-60 kbps ADSL/DMT –suunnittelussa on käytössä 256 downstream-alikaistaa, teoreettinen datanopeuden maksimi 15,36 Mbps (256x60k) siirtotien haittatekijät huomioon ottaen maksimi käytännössä 1,5 Mbps - 9 Mbps

ADSL Tietovirta jaetaan ensin rinnakkaisiksi alivirroiksi, jotka muutetaan analogiseksi signaaliksi alikanaville

xDSL (ADSL, HDSL, SDSL, VDSL) ADSL on osa nopeiden digitaalisten tilaajalinjatekniikoiden joukkoa (xDSL) HDSL symmetrinen, max 2,048 Mbps, 3,7 km, 2 kaapeliparia, digitaalinen signalointi SDSL kuten HDSL, mutta 1 kaapelipari, max 3 km VDSL on kehitettävä standardi, 13-52 Mbps downstream, 1,5-2,3 Mbps upstream, 1,4 km, signalointi analoginen