Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 5

Kap 6: Digital transmission.

Fysiskt medium. Modulation. Nyquists och Shannons kapacitetsgränser.

Figure 6.7 Sources of signal impairment.

Example 6.3

Asynchronous transmission

Example 6.6: Clock rate deviation

Figure 5.26 Analogue amplitude modulation

Figure 5.29 Analogue frequency modulation

Digitala modulationsmetoder

Binär signal

ASK = Amplitude Shift Keying (AM)

FSK = Frequency Shift Keying (FM)

PSK = Phase Shift Keying (PSK)

Digital modulation

För att överföra N bit/symbol krävs M=2N

Vid M symboler överförs N=log2 M bit/symbol.

Baudrate fs= antal symboler per sekund. Enhet: baud eller symboler/sekund.

Symbollängd Ts= 1/fs. fs= 1/Ts

Bitrate R = datahastighet. Enhet: bps eller bit/s. R= fslog2 M

0 0.005 0.01-2

0

2000

0 0.005 0.01-2

0

2001

0 0.005 0.01-2

0

2011

0 0.005 0.01-2

0

2010

0 0.005 0.01-2

0

2100

0 0.005 0.01-2

0

2101

0 0.005 0.01-2

0

2111

0 0.005 0.01-2

0

2110

Exempel:Nedan visas åtta symboler som används av ett s.k. 8QAM-modem (QAM=Quadrature Amplitude Modulation). Symbolerna i övre raden representerar bitföljderna 000, 001, 011 resp 010 (från vänster till höger). Undre raden representerar 100, 101, 111 resp 110.

a) Nedan visas utsignalen från det sändande modemet. Vilketmeddelande, dvs vilken bitsekvens, överförs?

b) Tidsaxlarna är graderad i sekunder. Vad är symbolhastigheten i baudeller symboler/sekund?

c) Vad är bithastigheten i bit per sekund (bps)?

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-2

0

2

Tid [sekunder]

Spä

nning [V

olt]

Modulatorns utsignal

Forts exempel:

Table 5.1 Bit and baud rate comparison

ModulationModulation UnitsUnits Bits/SymbolBits/Symbol Baud rateBaud rate Bit Rate

ASK, FSK, 2-PSKASK, FSK, 2-PSK Bit 1 N N

4-PSK, 4-QAM4-PSK, 4-QAM Dibit 2 N 2N

8-PSK, 8-QAM8-PSK, 8-QAM Tribit 3 N 3N

16-QAM16-QAM Quadbit 4 N 4N

32-QAM32-QAM Pentabit 5 N 5N

64-QAM64-QAM Hexabit 6 N 6N

128-QAM128-QAM Septabit 7 N 7N

256-QAM256-QAM Octabit 8 N 8N

Figure 5.13 Relationship between baud rate and bandwidth in ASK, PSK, QAM (not FSK) without pulse shaping

Vid många modulationsformer t.ex. s.k. ASK, PSK, och QAM är signalens bandbredd = symbolhastigheten.Vid FSK är bandbredden vanligen större.Bandbredden kan minskas genom s.k. pulsformning.

Maximal kanalkapacitet enligt Nyquist

Example 6.4: Nyquist maximum data rate

Shannons regel

Kanalkapaciteten C är max antal bit per sekund vid bästa möjliga modulationsteknik och felrättande kodning:

C = B log2 (1+S/N),

där B är ledningens bandbredd i Hertz (oftast ungefär lika med övre gränsfrekvensen), S är nyttosignalens medeleffekt i Watt och N (noice) är bruseffekten i Watt.

Example 6.5: Shannon information capacity

Trådlös transmission

Nästa generations mobilsystem? Samverkan mellan olika system

Spektrum

Radiovågor Mikrovågor IR UV Röntgen

kHz MHz GHz THz PHz EHz ZHz

Mobiltelefoni Synligt ljus

Gråmarkerade frekvenser är i huvudsak upptagna Högre frekvenser ger dyr utrustning/kort räckvidd

Våglängd och frekvens

8

300[ ]

Antal MHz

där ljusets hastighet 3 10 / ,

är våglängden i meter, och

är radiovågornas frekvens i Hz.

c cf m

f

c m s

f

Ju högre frekvens desto kortare våglängd.

Vågutbredning av radio- och mikrovågor

Exempel: Radio-LAN använder ofta frekvensen 2.4GHz,dvs våglängden 300/2400 =0.125m.

Radioskugga kan uppstå bakom föremål med storlek några våglängder (några dm i vårt exempel).

Radiovågor dämpas kraftigt av metallnät, t.ex. armeringsjärn, med mindre hål än en halv våglängd (ca 6 cm i vårt fall). Metallnätet utgör då Faradays bur.

Avståndsberoende dämpning. I vakuum avtar signalen kvadratiskt med avståndet, dvs 6 dB dämpning per dubblering av avståndet. I stadsbebyggelse är dämpningen ca 9 – 12 dB per dubblering av avståndet.

Förenklad modell av dämpningen

där är sändareffekt;

är avstånd mellan sändare och mottagare;

exponenten är 2 i vakuum och ca 3-4 i stadsbebyggelse;

samt (gain) är en koefficient som bl.a. beror av

kanalfrekvens, a

TxRx

Tx

GPP

DP

D

G

ntenntyp, antennhöjd och fädning.

Mobiltelefoni

Cell = täckningsområde för en basstationsantenn. En basstationssite har ofta tre antennriktningar, dvs tre

celler. Handover = byte av cell eller kanal under samtalet Roaming = byte av trafikområde i väntan på samtal. Paging = sökning av mobil över hela trafikområdet vid

inkommande samtal.

Radio resource management

Traditional static handoverExample: Channel reuse factor 4

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel 4

Dynamic resource management with channel reuse factor 1

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel 4

2 2

3 3

1

Återanvändningav kanaler

Dämpningen möjliggör återanvändning av kanaler Fler celler som täcker samma yta ger högre ytkapacitet [Mobiler / km2]

Celler med samma siffra använder samma kanaler.

I figuren är antalet kanalgrupper tre.

1

2

2 2

3 3 3

11

1

Fixed Channel Allocation with static handover

Channel 1 Channel 2

Channel 3 Handover map

Cellerna definieras av handovergränserna, och är (i teorin) hexagonala.

Mobiltelesystemens generationer

1G: Analog modulation – FDMA. T.ex. NMT. 80-talet. 2G: Digital modulation, TDMA + FDMA. T.ex. GSM. 90-

talet. 2.5G: GPRS, dvs paketförmedling. 3G: Edge (8PSK) eller WCDMA (spread spectrum). 2000-

talet. 3.5G: All-IP-infrastructure, inkl IP-telefoni istället för

kretskopplad telefoni? Asymmetrisk. HSDPA. 4G: Hybrid av många system? Heterogen täckning?

COFDM-modulation? Dynamisk kanalallokering? 2010-talet?

Störningar vid trådlös kommunikation

Brus och elektriska störningar: ”Gaussiskt vitt brus”, innebär att en gaussiskt fördelad (dvs normalfördelad)

slumpmässig spänning som innehåller läggs till signalen. Dess spektrum har lika stark energi vid alla frekvenser.

Samkanalsstörningar (co-channel interference) Långsam skuggfädning:

Log-normal fördelning av dämpningen. Flervägsutbredning ger upphov till:

Ekon och tidsspridning av signalen, vilket ger inter-symbol-interferens (ISI) Snabb fädning. Denna kan vara flat eller frekvensselektiv dämpning. Vid

frekvensselektiv dämpning blir symbolen distorderad. • Rayleigh-fördelad om direktvåg saknas• Rician-fördelad dämpning vid line-of-sight.

Fasvridning. Skurfel

Dopplerskift M.m

Diversitet

Tidsdiversitet genom bit-interleaving (omkastning av bitarna i tid, så att inte skurfel drabbar samma paket)

Rumsdiversitet (flera antenner)

Frekvensdiversitet (frekvenshopp, spread spectrum eller COFDM dvs många smalbandiga bärvågor)

Spread spectrum

DS-CDMA = Direct Sequence Code DivisionMultiple Access

Chip sequencies

Figure 13.15 Encoding rules

Figure 13.16 CDMA multiplexer

Figure 13.17 CDMA demultiplexer

TV-distribution

Analoga TV-system

Europa: 25 bilder per sekund (50 halvbilder), 625 linjer. Färginformation enligt PAL-systemet (de flesta europeiska länder).

USA: 30 bilder per sekund (60 halvbilder), 625 linjer. Färginformation entligt NTSC-systemet.

Figure 11:2: Analog TV-signal

Luminance = svartvit information och synksignaler.Chrominance = färginformation.Audio = ljudsignal.

TV band frequency division multiplex

Figure 11.20: The terestrial digital video broadcasting system (DVB-T)

Example 11.1: FEC in the digital TV system

COFDM modulation (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)

Flera tusenlångsamma modulatorerpå var sinunderbärvågistället för ensnabb.

COFDM spectrum

Ortogonal modulation innebär oberoende bärvågor. Spektrumav en bärvåg påverkar inte mottagnning av en annan bärvåg omfrekvensavståndet är 1 didividerat med symboltiden.Därmed behövs inte filter.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

0

1

Sub

carr

ier

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

0

1

Sub

carr

ier

20 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-1

0

1

Sub

carr

ier

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

0

1

Sub

carr

ier

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-5

0

5

Sum

sig

nal

Time [ms]

The OFDM modulation scheme

Example:4 sub-carriers

8 PSK

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

000

001

010

011

100

101

110

111

The 8PSK constellation

cos

-sin

{ { { { { {30 k=1 k=31 k=4 k=2k=0

OFDM symbol 1 OFDM symbol 2

0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0kk k == =

< >E5F1442443144444444444444424444444444444443 14444444444444244444444444443

Syfte med COFDM

Långa symboler gör att vi har råd med ”guard-interval” emellan så att ISI (Inter-symbol interference) kan undvikas.

Den frekvensselektiva fädningen blir flat inom varje underbärvåg, och kan därmed motverkas genom felrättande kod, utan avancerad equalizer.

COFDM är viktig inom ett stort antal trådlösa system, och förväntas användas inom 4G.

Single Frequency Networks (SFN) = Transmitter Macro Diversity

Example 11.2: Number of COFDM subcarriers in the DVB-T system

Technical data for DAB and DVB-T DAB DVB-T

Adopted 1995 1997

Coverage in parts of: Canada, Europe, Australia Europe and Australia

Net bit rate R per frequency channel:

576 - 1152 kbit/s 4.98 - 31.67 Mbit/s

Channel separation B: 1.712 MHz 8 MHz

Link level spectrum efficiency R/B:

0.34 - 0.67 bit/s/Hz 0.62 - 4.0 bit/s/Hz

Freq. range of today’s receivers:

174 – 240 MHz , 1452 – 1492 MHz.

470 - 862 MHz

Maximum speed: About 200 - 600 km/h 36 - 163 km/h

Number of OFDM sub-carriers:

1536, 384, 192 or 768. The 2K mode: 1705 The 8K mode: 6817

Sub-carrier modulation: DQPSK QAM, 16QAM or 64QAM

Inner Forward Error Correction Coding (FEC):

Convolutional coding with code rates 1/4, 3/8 or 1/2.

Convolutional coding with code rates 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 or 7/8.

Outer FEC: None RS(204,188,t=8)

Time (outer) interleaving: Convolutional interleaving of depth 384 ms.

Convolutional interleaving of depth 0.6 - 3.5 ms.

Figure 11.21: DVB-T 2K/8K frame format.

Telefon-nätet

Figure 6.19 T-1 line for multiplexing telephone lines

E line ratesE line rates

E LineRate

(Mbps)Voice

Channels

E-1E-1 2.0482.048 3030

E-2E-2 8.4488.448 120120

E-3E-3 34.36834.368 480480

E-4E-4 139.264139.264 19201920

Den europeiska PCM-hierarkin

Figure 7.17 Plesiochronous digital hierarchies: (b) 2.048Mbps derived multiplex hierarchy.

Optical TDM Hierarchies

The old PCM hierarchy was non-synchronous Different multiplexors may have slightly different clock frequency.

The whole hierarchy had to be unpacked in view to access or monitor a single telephone call, which was expensive.

SDH and SONET use synchronous communication Clocked by a central master clock.

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) A standard for TDM in Europe

SONET (Synchronious Optical NETwork) A standard for TDM used in United States

IP-over-SDH/SONET or packet-over-SDH/SONET allows several ISP:s to share the same fiber cable independently.

Telephone network – Local Switch

The telephone network uses switches Every subscriber ( telephone jack in a house) has a twisted-pair wire

connected to the closest telephone exchange. They are called local switches or local exchanges.

subscriber

switch

This cannot provide connection to subscribers connected to another local switch.

A Circuit Switch

Device with a number of inputs and outputs Creates temporary physical connection between an input

and output link

Subscribers connected to the same swich

The local switch can connect each telephone with each other

Figure 8.2 A circuit switch

Circuit Switching

Three phases of the connection: Circuit establishment Data transfer Circuit disconnect

The bandwidth is guaranteed during the connection The bandwidth cannot be used by anyone else, even if it is not

needed at certain moment (no flexibility)

Figure 8.4 Space switching by means of crossbar switch

Figure 8.6 Switching path in multi-stage switch

Figure 8.7 Time-division multiplexing, without and with a time-slot interchange

Figure 8.8 Time-slot interchange

Figure 8.10 TST switch (Time-Space-Time)

Characteristics of the Switches

Space switches The advantage is that if a cross point is available, the connection is

almost instantaneous The disadvantage is the need for many cross points which is

expensive Time switches

Advantage is that it does not need cross points Limited by the maximum data rate of one line. Introduces a fixed delay.

Combined switches combine the advantages of both types

Example 7.2: Time switching

Example 7.3: Space switching

Figure 8.11 A telephone system

Accessnät(Spridningsnät)

Hierarchy of the Telephone Network

subscriberlines (local loops)

local exchanges (toll offices)

International gateway exchange

National tandem exchanges

regional tandemexchanges

local tandemexchangeslocal

network

Internationalnetwork

trunk network

Tandem offices

Chapter 9

Bredbands-accesstekniker

Bredbands-infrastruktur

Ethernet-LANanvänds ofta som bredbands-accesstekniki flerfamiljshus

Figure 11:23: ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line

Figure 9.1 DMT

Dicrete Multi-tone Modulation (DMT)

-Likhet med COFDM: Många långsamma modulatorer, var och en på olika bärvågsfrekvens.- Skillnad: DMT har adaptiv bit-loading, dvs vid störningar på vissa bärvågsfrekvenser kan antal bit per symbol minskas endast på dessa bärvågor, och vissa bärvågor kan stängas av.

Figure 11.24 Example ADSL Discrete Multi-Tone (DMT) frequency usage: (a) bits per carrier allocation, (b) duplex frequency usage.

ADSL Frequency Spectrum

Divides the bandwidth into 256 x 4.3K channels 1 (ch 0) POTS, 5 (ch 1-5) not used, 1 upstream control, 1 downstream control Typical 6-30 for upstream, rest for downstream Each 4.3K channel 4K baud sample, V.34 QAM modulation, up to 15 bits per

baud4K * 15 = 60 Kbps per channel

Other DSL (or xDSL) Technologies

SDSL (Symmetric DSL) divides frequencies evenly

HDSL (High-rate DSL) provides DS1 bit rate in both directions

Short distances

Four wires

VDSL (Very high bit rate DSL) provides up to 52 Mbps

Very short distance

Requires Optical Network Unit (ONU) as a relay

Figure 9.8 Cable modem

Figure 9.7 Coaxial cable bands

Chapter 15

WirelessLANs

Figure 15.1 BSSs

Figure 15.2 ESS

Figure 15.3 Physical layer specifications

Figure 15.4 FHSS

Figure 15.5 DSSS

Figure 15.6 MAC layers in IEEE 802.11 standard

15.2 Bluetooth15.2 Bluetooth

Architecture

Radio Layer

Baseband Layer

Other Upper Layers

L2CAP Layer

Figure 15.15 Piconet

Figure 15.16 Scatternet

Figure 15.17 Bluetooth layers

Figure 15.18 Single-slave communication

Figure 15.19 Multiple-slave communication

Figure 15.20 Frame format types

Figure 15.21 L2CAP data packet format