sisältö: 1. johdanto tietoliikenteeseen 2. perusteoriaa … · 2005. 8. 30. · 1 30.8.2005...

1

30.8.2005 Tietoliikennejärjestelmät / JPR 1

Sisältö:1. Johdanto tietoliikenteeseen2. Perusteoriaa signaaleista3. Siirtotiet

Tietoliikennetekniikan perusteita

Sisältö:1. Johdanto tietoliikenteeseen

• eri osa-alueet ja kehityspolku• merkitys• teletoimi Suomessa

2. Perusteoriaa signaaleista• sähköinen signaali, taajuus, kaistanleveys, vahvistus, kohina• analoginen vs. digitaalinen signaali• näytteenotto, laskostuminen, siirtokapasiteetti• siirtojärjestelmän yleinen rakenne• modulaatio, hajaspektriperiaate• kanavointi• koodaus• piiri- ja pakettikytkentäisyys, kiinteä vs. valintainen yhteys

3. Siirtotiet

2


1. Johdanto tietoliikenteeseen

Lähde: Anttalainen Tarmo,Introduction to Telecommunications Network Engineering, second edition, Artech House 2003

lähettäjän ja vastaanottajan välillä on matkaa toisiinsa

Ennen sähköäEnsimmäiset tietoliikennemenetelmät olivat mekaanisia (kirje), akustisia (rummutus, huutoketjut) tai optisia (merkkitulet, savumerkit). 1791 otettiin Ranskassa käyttöön optinen lennätin. 1796 Ruotsi-Suomen ensimmäinen optinen lennätinyhteys Eckerön jaSignillskärin välille. 1854 optinen lennätinyhteys Pietarin Kronstadtin ja Hanko-niemen välille. Viesti kulki välin jopa alle puolessa tunnissa.

Sähkömagnetismiin perustuva tietoliikenneSamuel Morse sai lennättimelle patentin 1847. Maailman ensimmäinen lennätinyhteys otettiin kaupalliseen käyttöön Washingtonin ja Baltimoren välillä 1845. Ensimmäinen Euroopan ja Amerikan välinen kunnolla toiminut lennätinyhteys otettiin käyttöön 1866. Siirtotienä oli Atlanttiin laskettu merikaapeli. Suomen ensimmäinen langallinen lennätinyhteys otettiin käyttöön 1855 Helsingin ja Pietarin välillä. 1860 avautui ensimmäinen kansainvälinen lennätinyhteys Tornion ja Haaparannan välille. Lennättimessä tiedonsiirto tapahtui morsettamalla. Lennätinlaitoksen kehittyminen vaikutti myönteisesti maamme talouselämän kehitykseen. Michael Faraday huomasi 1831, että johtimessa syntyy sähkömotorinen voima, kun sen läheisyydessä liikkuu magneetti tai virrallinen johdin. Tämä havainto sähkömag-neettisesta induktiosta oli tärkeä puhelinta edeltävä keksintö.Alexander Graham Bell tutki mahdollisuutta siirtää puhetta sähkövirran värähtelyinä johtoyhteyttä pitkin. 1875 hän havaitsi, että sähkömagneettiseen induktioon perustuva laite soveltuu sekä mikrofoniksi että kuulokkeeksi. 1876 hän onnistui luomaan puhelinyhteyden kahden huoneen välille. Ensimmäinen käsivälitteinen keskus otettiin käyttöön Yhdysvalloissa 1878. Tilaajia oli 8 kpl. Ensimmäinen automaattikeskus otettiin käyttöön jo 1892! Tällöin puhelimessa oli jo valintalevy. Suomen ensimmäinen puhelinyhteys sijaitsi H:gissä 1877. Ensimmäinen käsikeskus avattiin 1881 Turussa ja automaatti-keskus 1922 Helsingissä. Ouluun puhelinlaitos saatiin 1882.

3



Radiotekniikan historiaaSkottilainen Maxwell ja saksalainen Hertz osoittivat teorioillaan ja kokeillaan sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon. Maxwell loi 1864 sähkömagneettisen aaltoteorian, jonka mukaan on olemassa näkymätöntä säteilyä, joka pystyy etenemään lähettimen ja vastaanottimen välisenä aaltoliikkeenä ilman läpi. Hertz suoritti ensimmäisen Maxwellin teorioiden mukaisen kokeen 1887.1896 Italialainen Marconi onnistui siirtämään varsinaista informaatiota. Patentin langattomalle lennättimelle Marconi sai 1897. 1901 hän sähkötti radiosignaaleita Atlantin yli. 1915 ensimmäinen radiolähetys (puhetta ja musiikkia) YhdysvalloissaMyös television perusteet kehitettiin jo 1800-luvulla. Ensimmäisen käyttökelpoisen laitteen esitteli jo 1884 saksalainen Nipkow. Säännölliset lähetykset aloitettiin Saksassa 1935. 1950-luvulla tapahtui televisioiden maailmanlaajuinen läpimurto. Suomessa yleisradiolähetykset alkoivat 1923, Yleisradio perustettiin 1926. Ulalähetykset aloitettiin 1953, stereolähetykset 1967 ja digitaaliset radiolähetykset 1998. Suomessa säännölliset televisiolähetykset alkoivat 1958, väritelevisiolähetykset 1969 ja digitaaliset lähetykset alkoivat vuonna 2000.

Kaikkeen tietoliikennetekniikan kehitykseen on suuresti vaikuttanut elektroniikan komponenttien kehitys:

1906 keksittiin elektroniputket1947 transistorit, jotka mahdollistivat digitaalitekniikan kehittymisen1959 integroidut mikropiirit1971 suorittimet eli mikroprosessorit

4


Nykyään on keskitytty pääosin langattoman tietoliikenteen kehittämiseen

Tietoliikenteen merkitys:Tietoliikenneverkot muodostavat maailman monimutkaisimman ”laitteen”. Pelkästään tavallisessa puhelinverkossa ja matkapuhelinverkoissa on reilusti yli 2 miljardia yksilöllisen osoitteen liittymää, jotka voidaan kytkeä toisiinsa. Lisäksi moni muu verkko voi välittää tietoa puhelinverkkojen kanssa.Tietoliikennepalveluiden olemassaololla on suuri merkitys yhteiskunnan kehittymiseen. Esimerkiksi puhelintiheyden (penetraation) perusteella voidaan arvioida maan teknisen ja taloudellisen kehityksen tasoa. Kehitysmaissa kiinteän lankaverkon penetraatio on tyypillisesti alle 1 %, kun se kehittyneissä maissa on 50-60 % ja matkapuhelintiheys on nykyään reilusti yli 90 %. Yleensätietoliikenteeseen investoidut rahat tulleet takaisin bruttokansantuotteen kasvuna (esim. Itä-Eurooppa).Moderni yhteiskunta perustuu paljolti kehittyneen tietoliikennetekniikan käyttöön. Yritysten lähiverkot, Internet jne. mahdollistavat tehokkaat työskentelyolosuhteet eri osapuolten kanssa. Olemme jo pitkään tottuneet käyttämään matkapuhelimia,faxeja ja sähköpostia päivittäin asioidemme hoitamiseen. Melkein kaikki käyttävät myös päivittäin tietoliikenteeseen perustuvia palveluita hyväkseen. Näitä ovat mm. pankkiautomaatit, polttoaineautomaatit, kassapäätteet, erilaiset varausjärjestelmät, viranomaisten tietojärjestelmät sekä yritysten palvelujärjestelmät.Telealan taloudellinen merkitys on suuri ja suhteellisen vakaa. Esim. Nokialla ollut aiemmin jopa yli 50 % vuosittaista kasvua aina viime vuosiin saakka, mutta tällä hetkellä tilanne selvästi muuttunut varsinkin matkapuhelinpuolella. Sen sijaan verkkopuolen viimeaikaiset uutiset kertovat selvästä piristymisestä.

5


Pääsyverkko (access network)ja runkoverkko

Verkkoja voidaan tarkastella yleisesti, oli kysymyksessä puhelinverkko, radioverkko, dataverkko tai laajakaistainen verkko. Tälöin erottuvat verkon runko-osa ja pääsyosa. Etenkin solukkoradioverkkoa voidaan pitää yksinomaan pääsyosana ainakin tukiasemaverkkoon saakka. Myös lähiverkot ovat tyypillisiä pääsyverkkoja

Pääsyverkot liittyvät televerkon yhteyksien viimeiseen kilometriin, joka tosiasiassa on kallein osa koko verkkoa. Koska tilaajajohto tarvitaan jokaiselle käyttäjälle erikseen, sitä ei voida jakaa eikä sen käyttö ole kovin tehokasta. Access-verkotRunko-osa sisältää siirtoverkon ja kytkentöjen ohjauksen (esim. puhelinkeskukset) sekä liitynnät muihin verkkoihin ja verkonhallinnan.Siirtotiet voidaan toteuttaa usealla eri tekniikalla (kaapeli, radiolinkki, kuitu).

6


Teletoiminta

– Teletoimintaa Suomessa ohjaa Viestintävirasto (http://www.ficora.fi/suomi/tele/n2384.htm)

• verkkojen ja päätelaitteiden tekninen toimivuus• taloudellinen valvonta• radiotaajuuksien käyttö• Internetin verkkotunnukset (.fi-juuri) • TV- ja radio-ohjelmien ja mainonnan kontrollointi• standardoinnin kansallinen koordinointi• sähköisen viestinnän yksityisyyden suojan ja tietoturvan

koordinointi

Viestintäviraston tehtäviin kuuluu viestintäverkkojen teknisestä toimivuudesta huolehtiminen. Lisäksi virasto ohjaa televerkkojen numerointia ja antaa yrityksille niiden tarvitsemat numerot ja tunnukset.Viestintämarkkinoiden taloudellisella valvonnalla varmistetaan, että taloudellinen kilpailu toimii ja että yritykset noudattavat niille säädettyjä hinnoittelu- ja toimintavelvoitteita. Viestintävirasto ohjaa radiotaajuuksien käyttöä Suomessa ja huolehtii Suomen eduista taajuuksien käyttöä koskevassa kansainvälisessä päätöksenteossa sekä valvoo, että radio- ja telepäätelaitteet täyttävät niille asetetut vaatimukset. Tavoitteena on radiohäiriöiden tehokas ennaltaehkäisy sekä mahdollisten häiriöiden selvittäminen radiotarkkailun ja taajuussuunnittelun yhteistyönä. Viestintäviraston tehtäviin kuuluu myös Internetin fi-juuren alaisten verkkotunnusten myöntäminen, verkkotunnusten tekninen rekisterinpito sekä fi-juuren nimipalvelimien hallinnointi.Viestintävirasto valvoo televisio- ja radiomainonnan ja ohjelmistojen sisältöä. Lisäksi virasto antaa lausunnon valtioneuvostolle YLE:n julkisen palvelun kertomuksesta ja kerää toimilupa- ja televisiomaksuja.Viraston tehtäviin kuuluu myös tele- ja postialan standardoinnin kansallinen koordinointi sekä postitoiminnan valvonta ja perillesaamattomien postilähetysten selvittäminen (postin varmennuskeskus).Viestintävirasto hoitaa sähköisen viestinnän yksityisyyden suojaan ja tietoturvaan liittyviä tehtäviä, muun muassa tietoliikenneturvallisuus- eli ns. COMSEC-toimintaa. Virasto hoitaa myös tietoturvaloukkausten havainnointiin ja selvittämiseen liittyviä tehtäviä. Viestintävirasto kattaa toimintansa kustannukset keräämillään maksuilla. Pääosa tuloista kertyy radiolähettimien lupamaksuista, taajuusmaksuista, televerkkojen numerointimaksuista ja postitoiminnan valvontamaksuista sekä Internetin verkkotunnusmaksuista.

7


– Teleyritykset• verkko-operaattorit• palveluoperaattorit• useat verkko-operaattorit toimivat myös palveluoperaattoreina

– Teletoimi on viime vuosien aikana kokenut suuria muutoksia

• yksityistämiset ja monopolien purku• fuusiot• kansainvälistyminen

– Aiemmin teletoimi on ollut erittäin tarkasti säädeltyä

Verkko-operaattorit omistavat ja ylläpitävät televerkon tai televerkkoja. Ne tarjoavat verkkokapasiteettia palveluoperaattoreiden käyttöön.

Palveluoperaattoreiden liiketoiminta perustuu telepalveluiden kehittämiseen ja myyntiin.

Teletoimi Suomessa

• 30-luku: Suomessa paljon pieniä puhelinyhtiöitä. Kaukopuhelut keskitettiin PTL:lle, kuten myös syrjäseutujen paikallispuhelintoiminta• Verkon automatisointi pakotti puhelinlaitoksia yhdistymään tarvittavien investointien suuruuden ja tehokkuusvaatimusten vuoksi• Verkkoryhmiä oli enimmillään 79• 1996 otettiin teleliikennealuejako käyttöön, mikä vastasi suurinpiirtein silloista läänijakoa• Säännöstelyn ja monopolien poistaminen alkoi 1980- ja 90-luvuilla• Laajakaistaisten verkkojen tarve kasvanut oleellisesti suurten datamäärien siirtotarpeiden ja nopeusvaatimusten myötä (esim. grafiikka, liikkuva kuva, jne.).

8


– Sähköisen signaalin esitys aikatasossa:

2. Perusteoriaa signaaleista

Signaali on yksikäsitteisesti määritetty, kun siitä tiedetään amplitudi, taajuus (jaksonpituuden käänteisarvo; f=1/T) ja vaihe.

Taajuus ja aallonpituus:

toisaaltaja 1λcf

Tf ==

missä f = signaalin taajuusT = signaalin jaksonpituus c = valonnopeusλ = signaalin aallonpituus

9


– Signaalin sisältämät taajuudet:

• Vain puhdas sinisignaali sisältää yhden taajuuden• Sakara-aallon muodostuminen

• Sakara-aalto muodostuu lukemattomasta määrästä harmonisia siniaaltoja

)2sin(11 ftπ

)32sin(31 ft×π

)32sin(31)2sin(

11 ftft ×+ ππ

)2sin(k1

1kft

paritonkk

π∑∞

==

Tietoliikenteessä käytettävien signaalien voidaan ajatella olevan koostunut useista eritaajuisista signaalikomponenteista.

Tietoliikennejärjestelmien läpi siirrettävä tieto on luonteeltaan tavallisesti jotakin allaolevista:

• puhetta• liikkuvaa kuvaa (TV tai video)• liikkumatonta kuvaa • tekstiä• musiikkia• erilaista tietokonedataa (esim. ohjelmatiedostoja)

10


Ihmisen ymmärtämä muoto:jännite vs. aika -esitys

Järjestelmien näkemä muoto:teho vs. taajuus -esitys= tehotiheysspektri

sinisignaali

kanttiaalto

• Signaalin spektri = signaalin intensiteetti esitettynä taajuuden funktiona• 0-taajuus vastaa tasakomponenttia (DC)• Taajuus esitetään yleensä logaritmisella asteikolla

11



Kaistanleveys:

Kaistanleveydellä tarkoitetaan jonkin siirrettävän signaalin sisältämän taajuusalueen leveyttä. Esim. ihmiskorvan kuuloalue on tyypillisesti 16 Hz…20 kHz eli kaistanleveys on 19984 HzSiirtojärjestelmän kaistanleveys on se taajuusalue, jonka järjestelmä pystyy siirtämään.Puhelinverkossa kaista on rajoitettu 300…3400 Hz alueelle eli kaista on 3,1 kHz (tyypillinen kapeakaistainen signaali). Digitaalisessa puhelinverkossa puhutaan tarvittavasta siirtonopeudesta, joka on tavallisesti 64 kbit/s (8000 näytettä sekunnissa ja jokainen näyte koodataan 8 bitillä).Yhden liikkuvan TV- tai videokuvan vaatiman informaation välittävä signaali on esimerkki laajakaistaisesta signaalista. Tyypillinen analoginen videosignaali vie kaistaa noin 5 Mhz. Digitaalisessa siirrossa vaadittava siirtonopeus riippuu mm. halutusta kuvan laadusta (resoluutio, värien määrä, virkistystaajuus). Tiedon pakkaus tehostaa tiedonsiirtoa, mutta minimivaatimuksena voidaan pitää 2 Mbit/s siirtonopeutta.

12



13


Vahvistus

• Pitkällä matkalla signaali vaimenee eli amplitudi pienenee• Eri taajuudet vaimenevat eri tavalla riippuen käytetystä siirtotiestä• Koska kaikki taajuuskomponentit eivät käyttäydy samalla tavalla,

syntyy vaimennusvääristymää eli signaali muuttaa muotoaan• Vahvistus ilmoitetaan yleensä desibeleinä (kyseessä on vaimennus,

jos luku on negatiivinen)

[ ]

=

in

out

PP10lgdBG

missä Pout = linjaan syötetty teho ja Pin = linjasta saatava teho

SiirtotiePin Pout

Desibeli-sääntöjä teholle:

3 db = 2-kertainen10 db = 10-kertainen-3 db = 1/2 = puolet -10 db = 1/10

Desibeli on suhteen mittayksikkö. Peräkkäiset vahvistukset ja vaimennukset yhdistetään yhteen- ja vähennyslaskulla, kun lasketaan db-suureilla. Jos käytetään paljaita vahvistus/vaimennuslukuja, kerrotaan ne kokonaisvahvistuksen laskemiseksi.

Esimerkkejä desibelin käyttökohteista:• signaalikohinasuhde• vahvistimen vahvistus (Pout/Pin)• kaapelin tai siirtotien vaimennus

14


– dBm

• Saadaan signaalin absoluuttinen tehotaso, kun verrataan signaalin tehoa 1 mW:iin

• yksikkönä dBm

[ ]

⋅=

mW1Plog10dBm P X

10

15


Kohina:

• kohina on hyötysignaaliin summautunutta epätoivottua, hyödytöntä signaalia

• signaali-kohinasuhde (S/N) kertoo yhteyden laadusta• S/N ilmaistaan yleensä tehojen suhteena• puhdas suhdeluku epäkäytännöllinen• S/N ilmaistaan desibeleinä

[ ]

⋅=

PPlog10dBS/N

N

S10

missä PS = signaalin teho ja PN = kohinan teho

Suodatus:Yo. tapauksessa signaali muuttuu tahattomasti. On olemassa myös tilanteita, joissa signaalista halutaan poistaa joitakin taajuuksia. Yleensä suodatuksen tehtävänä on poistaa signaalista matkan varrella kerääntyneitä häiriötaajuuksia.

Lähetys Siirtotie Suodatus Vastaan-otto

– Alipäästösuodatin laskee läpi rajataajuutta pienemmät taajuudet (low pass filter)– Ylipäästösuodatin laskee läpi rajataajuutta suuremmat taajuudet (high pass filter)– Kaistanpäästösuodatin päästää läpi määrätyn taajuusalueen (band pass filter)– Kaistanestosuodatin poistaa määrätyn taajuusalueen (band reject filter)

16


Analoginen signaali vs. digitaalinen signaali

Analoginen signaali• esim. ihmisen puhe• signaalilla ääretön määrä

mahdollisia tiloja• taajuuskaista rajallinen• häiriöherkkä

Digitaalinen signaali• esim. tietokoneen data• signaalilla minimissään

kaksi mahdollista tilaa 0 ja 1 (äärellinen määrä tiloja)

• “kanttiaaltoa”, joka sisältää suuria taajuuskomponentteja

Miksi nykyään lähes kaikki järjestelmät tehdään digitaalisiksi?

Esimerkiksi:• NMT ⇒ GSM• analoginen TV ⇒ digitaalinen TV• LP-levy ⇒ CD-levy

Digitaalisen teknologian etuja:• helpompi kasvattaa integrointiastetta => pienempi tilantarve• pienempi tehonkulutus, parempi luotettavuus, halvempi toteuttaa• siirron laatu lähes riippumaton siirtoketjun pituudesta• parempi kohinansieto• ideaalinen datansiirtoon• helppo toteuttaa uusia palveluja• suuri siirtokapasiteetti• joustavuus

17


Vaimentuneen signaalin “kunnostaminen”

• Analoginen signaali voidaan vahvistaa

• Myös signaaliin summautunut kohina vahvistuu

• Peräkkäiset vahvistamiset heikentävät signaalin laatua koko ajan

• Digitaalinen signaali voidaan toistaa eli regeneroida

• Signaaliin summautunut kohina saadaan eliminoitua pois

• Peräkkäiset toistamiset eivät heikennä signaalin laatua


18


Analogisen signaalin siirto digitaalisessa verkossa


Esimerkiksi puhe on analogista signaalia, mutta siirtojärjestelmät nykyisin digitaalisia, jolloin tarvitaan AD- ja DA-muunnoksia

AD-muunnoksessa analogisesta signaalista otetaan tasaisin aikavälein näytteitä, jotka muutetaan digitaalisanoiksi ⇒ näytteenottotaajuus

AD-muunnosAnalogisesta signaalista otetaan tasaisin aikavälein näytteitä, jotka muutetaan digitaalisanoiksi => näytteenottotaajuus. Näytteiden arvot muutetaan binäärisiksi (kvantisoidaan eli pyöristetään lähimpään käytettävissä olevaan arvoon) ja siirretään sopivalla tavalla koodattuina säännöllisin välein digitaalisen siirtotien läpi.

DA-muunnosSiirtokanavan toisessa päässä näytteiden numeeristen arvojen avulla muodostetaan näytteet uudelleen. Peräkkäisistä näytteistä tehdään mahdollisimman tarkoin alkuperäinen analoginen signaali alipäästösuodattamalla.

Käytännön järjestelmissä menetelmät on standardoitu yksityiskohtaisesti, jotta yhteydet eri puolilta maailmaa on saatu toimimaan. Perinteisessä puhelinverkossa käytetään PCM-tekniikkaa (pulssikoodimodulaatio) muuttamaan analoginen puhesignaali digitaaliseksi siirtoa varten.

19


– Laskostuminen (alias-ilmiö)• näytteitä otetaan liian hitaasti

http://www.dsptutor.freeuk.com/aliasing/AD102.html

Nyqvistin kriteeri: Näytteenottotaajuuden on oltava vähintään kaksinkertainen kuvattavan signaalin maksimitaajuuteen verrattuna.

Esimerkiksi perinteisessä puhelinverkossa siirrettävä puhesignaalin kaistanleveys on 300...3400 Hz, jolloin näytteenottotaajuuden pitää olla vähintään 6800 Hz. Käytännön järjestelmissä on näytteenottotaajuudeksi sovittu 8 kHz.

20


• Nyqvistin laki:

– jos käytettävissä on erilaisia signaalitasoja V kpl, on maksimi bittinopeus

missä rb = yhteyden suurin teoreettinen bittinopeusB = yhteyden kaistanleveys

– laki antaa luonnon asettaman ylärajan V-tasoisen signaalin datansiirtonopeudelle.

rb = 2B•log2V

00

10

11

01

Nyqvistin laki antaa toivon suurista nopeuksista:kuta suuremmaksi signaalin esitystasoja nostetaan, sitä suuremmaksi saadaan siirtonopeus.

Signaalin tasomuutosten lukumäärää sekunnissa sanotaan baudiksi (baud). Se ei tarkoita samaa, kuin siirtotiellä läpikulkevan bittivuon määrä (bps) muuta kuin eräässä harvinaisessa poikkeustapauksessa. Baudista käytetään usein myös nimitystä “modulointinopeus” tai ”symbolinopeus” ja varsinaisesta kanavakapasiteetista bpsnimitystä “siirtonopeus”.

Teoreettisesti suurimman symbolinopeuden rs ja kaistanleveyden välillä pätee

Todellinen siirtonopeus on aina paljon Nyqvistin lauseen antamaa arvoa pienempi. Se johtuu siitä, ettei ideaalista puhdasta siirtotietä ole, vaan siirtolinjoilla on aina kohinaa, säröä ja vaimennusta, joka sotkee signaalin komponentteja. Yhteisesti tavallista kohinaa, säröä ja vaimennusta nimitetään kohinaksi ja kohinan suhteellista suuruutta mitataan signaalikohinasuhteilla. Kohisevan linjan kapasiteettia säätelee Shannon-Hartley –laki.

r s ≤ 2B

21


– Kanavan kapasiteetti C (Shannon-Hartleyn laki):

missä C = yhteyden suurin teoreettinen siirtokykyB = yhteyden kaistanleveysS/N = signaali-kohinasuhde (lukuarvona)

• B tai S/N kasvaa => kapasiteetti kasvaa• pieni S/N => kapasiteetti pieni• B kasvaa, S/N voi pienetä C:n säilyessä vakiona (myös päinvastoin;

S/N kasvaa ja B voi olla pienempi)

[ ]

+=

NSB 1logbit/sC 2

Esim. mikä on puhelinyhteyden teoreettinen siirtokapasiteetti signaalikohinasuhteella 37 dB?

Kanavan kapasiteetille ei ole teoreettista ylärajaa, vaan kaistaleveyden tai signaalikohinasuhteen kasvaessa kasvaa myös kapasiteetti rajattomasti. Käytännössä kuitenkin kohina rajoittaa kanavan siirtonopeuttaPuhelinlinjoilla kohina vaihtelee voimakkaasti riippuen ihan siitä, millaisen linjan sattuu saamaan. Hyvän puhelinlinjan kohinataso on noin 30dB, jolloin S/N-suhteeksi saadaan:

30 dB = 10 log10 (S/N)=> log10 (S/N) = 3 - eli kantaluku 10 on ollut korotettu potenssiin 3=> S/N = 1000

Siten, jos tällä linjalla ei voi kulkea enempää kuinC < B log2 (1 + S/N) = 3100 Hz log2 (1 + 1000) = 3100 x 9,96 = 30898 bps

Tulos kertoo, että olkoonpa Nyqvistin lain V millainen tahansa, tämä on yläraja-arvo tällä linjalla. Matalilla V-arvoilla Nyqvistin laki on yleensä rajoittava tekijä, mutta korkeilla V-arvoilla ja matalilla S/N-suhteilla Shannon-Hartley -laki rajoittaa. Näitä lakeja on aina tarkasteltava rinnakkain: liikenne ei voi ylittää kummankaan lain antamaa raja-arvoa. Siten fysikaalisista suureista laskettaessa siirtonopeuden yläraja-arvo on laskettava miniminä Nyqvistin lain ja Shannonin lain muodostamasta joukosta:

C = min { 2 B log2 V, B log2 ( 1 + S /N) }

22


LähetinLähetin SiirtokanavaSiirtokanava VastaanotinVastaanotin

Häiriöt

Signaalin prosessointi siirtoa varten; esim.

koodaus ja modulointi

Signaalin prosessointi mahd. paljon alkuperäisen kaltaiseksi;

esim. suodatus, vahvistus, dekoodaus ja demodulointi

Tulosignaali Lähtösignaali

Siirtojärjestelmän yleinen rakenne

Siirtojärjestelmän osat ovat lähetin, lähetyskanava, vastaanotin.Lähetin (transmitter) muuntaa syötesignaalin lähetyskanavalle. Useimmiten mukana enkoodaus ja modulointi. Multipleksointi (kanavointi) mahdollistaa saman taajuusalueen käytön useaan lähetykseen.Lähetyskanava on sähköinen siirtotie. Kanavassa signaali vaimenee tai osa siitä katoaa.Vastaanotin muuntaa siirretyn signaalin viestiksi. Tarvittaessa mukana vahvistus, demodulointi ja dekoodaus sekä suodatus.

Lähetyskanavan tuottamia virheitä ovat vaimeneminen (signaalin voimakkuus pienenee), vääristyminen (järjestelmä vääristää signaalia, kanavan vaste on väärä), kohina (satunnainen, ennustamaton häiriö) sekä interferenssi (ulkopuolisten lähteiden tuottamat häiriöt signaaliin). Digitaalisessa kanavassa myös symbolien välillä voi olla interferenssiä.

Järjestelmissä käytettävät siirtotavat voidaan jakaa:• simplex: yhdensuuntainen• half-duplex: kahdensuuntainen eriaikaisesti• full-duplex: kahdensuuntainen samanaikaisesti

23


– päätarkoituksena muuttaa viestisignaali siirtokanavalle sopivaksi– yleensä muutetaan jotakin kantoaallon ominaisuutta (amplitudi,

taajuus tai vaihe) viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa– muutosta seurataan ilmaisimessa (demodulaattorissa) ja sen

perusteella palautetaan alkuperäinen viestisignaali

Modulointi

ModulaattoriModulaattori DemodulaattoriDemodulaattoriViestisignaali Ilmaistu signaali

Lähetin Vastaanotin

Kantoaalto

SiirtokanavaModuloitukantoaalto

Modulaatiomenetelmällä tarkoitetaan yleensä menetelmää, jolla suurtaajuisen signaalin eli kantoaallon jotakin ominaisuutta (amplitudi, taajuus tai vaihe) vaihdellaan pientaajuisen (=kantataajuisen) signaalin eli viestisignaalin tahdissa. Tällöin viestisignaalin sisältämä informaatio siirtyy kantoaaltotaajuudelle. Kantoaallon ympäriltä tarvitaan alkuperäisen signaalin verran tai enemmän kaistaa riippuen modulointimenetelmästä ja modulaation voimakkuudesta (ts. kuinka voimakkaasti viestisignaali muuttaa kantoaaltoa). Modulointi tehdään lähettimessä tehokkaan ja luotettavan tiedonsiirron aikaansaamiseksi. Vastaanottimessa moduloitu signaali muutetaan takaisin alkuperäiseen muotoon demodulaattorilla eli ilmaisimella (kantoaallon poisto palauttaa signaalin). Tavoitteena on käyttää kaistaa säästäviä modulointimenetelmiä, jolloin kanavakohtaiset kaistanleveydet saadaan mahdollisimman kapeiksi. Modulaatiota käytetään useimmissa tietoliikennejärjestelmissä; mm. radiolinkeissä, matkapuhelinverkoissa, kiinteiden televerkkojen siirtoyhteyksillä (kuidut, kaapelit ja radiotiet), modeemeissa jne.

24


Viesti

f1

Viesti 1 Viesti 2

Siirtokanava

• taajuusmuutos• kanavointi

ff2B = f2-f1

B B

Lähettimen tehtävä on kytkeä lähetettävä viesti kanavaan. Helpoimmin tämä tapahtuu ns. kantataajuudella. Tällöin viesti kulkee kanavassa omalla taajuudellaan ja lähettimen tehtäviksi jäävät vahvistus ja suodatus. Tällä tavoin tuhlataan kanavan kaistanleveyttä. Useimpien viestisignaalien (kuten puheen) spektri ulottuu pienille taajuuksille lähelle DC:tä. Kantataajuisessa siirrossa voi kanavassa tällöin kulkea vain yksi viesti kerrallaan taajuusalueen yläpään jäädessä käyttämättä (muutoin useat lähetetyt viestit sotkisivat toisiaan).Nämä ongelmat voidaan välttää sopivan modulaation avulla. Tällöin siirretään kantataajuinen informaatio jollekin toiselle taajuudelle ennen kytkemistä kanavaan. Nyt voidaan siirtää useita viestejä yhtä aikaa ja kanavan kaistanleveys tulee paremmin hyödynnettyä.Toinen tärkeä peruste modulaation käyttämiselle on, että useinkaan kantataajuinen viesti ei parhaalla tavalla (jos ollenkaan) sovi käytettävässä kanavassa siirrettäväksi.Esim. radiojärjestelmissä kanavalle on varattu tietyt taajuudet tietyiltä taajuusalueilta (esim. FM-ularadio 88...108 MHz). Tällöin modulaation avulla muutetaan paitsi viestin taajuutta myös muokataan viesti kanavan kannalta sopivaan muotoon. Toinen radiotekniikassa tärkeä näkökohta on, että kantataajuinen siirto vaatisi valtavan suuria antenneja, jotka ovat hyötysuhteeltaan huonoja.

25


– Moduloinnin etuja ja sovelluksia• tehokas tiedonsiirto sähkömagneettisena aaltona• laitteistorajoitusten voittaminen• interferenssin ja kohinan välttäminen• taajuuskaistan valinta• kanavointi

• tehokas tiedonsiirto sähkömagneettisena aaltona– esim. antenni vähintään 1/10 signaalin aallonpituudesta

100 Hz => 300 km antenni100 MHz => 1 m antenni

• laitteistorajoitusten voittaminen– absoluuttinen kaistanleveys/keskitaajuus n. 1...10%– korkea tietosisältö => korkea modulointitaajuus– tuloksena uusia teknologioita tiedonsiirrossa, esim. valokaapeli

• interferenssin ja kohinan välttäminen– signaalin tehon nosto vähentää häiriöitä– kapasiteetti C mahdollistuu B:n ja S/N:n painotuksella

• taajuuskaistan valinta– samalla alueella voidaan lähettää useita signaaleita– esim. radio- ja TV-lähetysten kanavavalinta kantoaallon perusteella

• multipleksointi– usean signaalin yhdistäminen välitystä varten samalle siirtotielle– FDM: eri kantoaallot käytössä eri signaaleille– TDM: signaalien pulssimodulointi erillisiin aikajaksoihin– siis samaa taajuuskaistaa voi käyttää useampi samanaikainen käyttäjä

26


Modulaatiotyypit

Menetelmät voidaan jakaa analogisiin ja digitaalisiin menetelmiin.

Analogisia modulaatiomenetelmiä käytetään analogisen viestisignaalin siirtoon esim. radiokanavassa. Tärkeimpiä menetelmiä ovat: amplitudimodulaatio (AM), taajuusmodulaatio (FM) ja vaihemodulaatio (PM). Em. päätyypeillä on lisäksi useita variaatioita.

Esimerkiksi AM-modulaation alalajeja ovat ns. tukahdutetun kantoaallon menetelmätDSB: lähetetään vain molemmat sivukaistat (ei kantoaaltoa)SSB: lähetetään vain toinen sivukaistaVSB: lähetetään toinen sivukaista ja osa toisesta (sekä kantoaallosta); käytetään esim. analogisten TV-kanavien siirrossa

Digitaalisia menetelmiä käytetään digitaalisen viestisignaalin siirrossa. Tarkasti ottaen tämä tarkoittaa sitä, että modulaattorin tulosignaali on digitaalinen. Alkuperäinen informaatio on usein luonteeltaan analogista. Tällöin sille on tehty A/D-muunnos ennen modulaattoria. Kehitys on johtanut digitaalisten modulaatiomenetelmien soveltamiseen uusissa tietoliikennejärjestelmissä.

27


ASK

PSK

FSK(jatkuvavaiheinen)

28


Analogiset modulaatiomenetelmät

Amplitudimodulaatio (AM)

http://contact.tm.agilent.com/Agilent/tmo/an-150-1/classes/liveAM.html

Kantoaallon amplitudia muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa (kantoaalto ja moduloiva signaali kerrotaan keskenään). Moduloidun signaalin taajuus on sama kuin kantoaallolla ja amplitudi vaihtelee moduloivan signaalin amplitudin mukaan. Tällöin viestisignaalin informaatio siirtyy kantoaaltotaajuuden molemmille puolille. Sen kaistaleveystarve B=2*fmax.

AM on yksinkertaisin modulaatiomenetelmä ja sitä käytetään edelleen AM-radiolähetyksissä.

AM-modulaation alalajeja ovat ns. tukahdutetun kantoaallon menetelmätDSB: lähetetään vain molemmat sivukaistat (ei kantoaaltoa), käytetään mm. stereoäänen muodostuksessa FM-radiossaSSB: lähetetään vain toinen sivukaista, käytetty aiemmin mm. analogisten siirtojärjestelmien kanavointilaitteissa.VSB: lähetetään toinen sivukaista ja osa toisesta (sekä kantoaallosta); käytetään esim. analogisten TV-kanavien siirrossa

29


Taajuusmodulaatio (FM)

– kantoaallon hetkellinen taajuus vaihtelee viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa

• moduloidun signaalin amplitudi on vakio

http://contact.tm.agilent.com/Agilent/tmo/an-150-1/classes/liveFM.html

Kantoaallon taajuutta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio. Deviaatiolla kuvataan modulaation voimakkuutta eli kuinka paljon kantoaallon taajuutta poikkeutetaan alkuperäisestä taajuudesta. Taajuusmodulaatiota käytetään esim. ULA-lähetyksissä. FM-signaali ei ole kovin herkkä häiriöille (kuten AM), koska kantoaallon amplitudi ei sisällä informaatiota. FM-signaalin spektri on huomattavasti mutkikkaampi kuin AM:n spektri. FM:ssa viestisignaalin spektri ei siirry sellaisenaan kantotaajuuden molemmille puolille, vaan spektriin syntyy teoriassa ääretön määrä sivukaistojen spektripiikkejä, jotka ottavat tehonsa kantoaallosta (jolloin myös kantoaaltoa vastaavan spektripiikin amplitudi vaihtelee). Jos moduloiva signaali on sinisignaali, ovat sivukaistojen spektripiikit modu-loivan taajuuden päässä toisistaan. FM tarvitsee isomman kaistanleveyden kuin AM(esim. 15 kHz viestisignaalin kaista vaatii tyypillisesti 200 kHz kaistanleveyden siirrossa).

30


Vaihemodulaatio (PM)

Kantoaallon vaihetta muutellaan viestisignaalin amplitudimuutosten tahdissa. Moduloidun signaalin amplitudi on vakio.

Yo. kuvassa kantoaallon vaihe kasvaa, kun viestisignaalin amplitudi kasvaa. Kun viestin amplitudi palaa nopeasti nollaan, muuttuu kantoaallon vaihe myös äkillisesti.

31


Digitaaliset modulaatiomenetelmät

Johdanto

Kanavointi-menetelmät

Digitaaliset mod.menetelmät

Modulaatiotavan valinnassa on yleensä kyse:– käytettävissä oleva kaistanleveys vs. kapasiteettitarve– tehonkulutus– kohinavaikutus– kustannukset

Digitaalimodulaation käytön etuja ovat:– suurempi siirtokapasiteetti– yhteensopivuus datapalveluiden kanssa– parempi tietoturva– parempi siirron laatu– nopeampi järjestelmien kehitysaika

Viime vuosien aikana digitaaliset modulaatiomenetelmät ovat voimakkaasti tulleet analogisten menetelmien (AM, FM ja PM) tilalle.

Esimerkkejä digitaalisista modulaatiomenetelmistä ovat mm. • QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)• FSK (Frequency Shift Keying)• MSK (Minimum Shift Keying)• QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

32


ASK (Amplitude Shift Keying)

1 0 1 1 0 1 0 0

on off on on off on off off

M odulator

Source: Global Wireless Education Consortium

Jos viestisignaali on digitaalinen, kyseessä on ASK-modulaatio. Binäärisissä menetelmissä kantoaaltoa moduloidaan joko ykköseksi tai nollaksi (tai, kuten yo. kuvassa kahdeksi eri amplitudiarvoksi ASK:n tapauksessa).

Käytössä on myös useita erilaisia useampitasoisia digitaalisia AM-menetelmiä ja sekamenetelmiä, joissa käytetään esim. digitaalisia AM- ja PM-menetelmiä samanaikaisesti.

33


1 0 1 1 0 1 0 0

1 0 1 1 0 1 0 0

M o d u la to r

FSK (Frequency Shift Keying)Source: Global Wireless Education Consortium

Digitaalisessa FM:ssa kullekin digitaaliselle symbolille on varattu oma kantoaaltotaajuutensa• esim. binäärisessä FSK:ssa tilaa 1 vastaa yksi taajuus ja tilaa 0 toinen

Jatkuvavaiheisessa FSK:ssa (CPFSK) taajuudet valittu siten, ettei symbolien rajoilla tapahdu vaihehyppyjä.

FSK-menetelmää käytetään esimerkiksi DECT:ssa ja FSK:n muunnosta (GMSK) käytetään GSM:ssä.

34


1 0 1 1 0 1 0 0

Phase Shift Keying (PSK) Uses Different Phases to Indicate Bits

1 0 1 1 0 1 0 0

0o

90o

180o

270o

01

Modulator


PSK (Phase Shift Keying)

Binäärinen PSK (BPSK) on yksinkertaisin digitaalinen vaihemodulaatiomenetelmä. Tarvitaan kaksi eri kantoaallon vaihetta, jotka ovat 180º vaihe-erossa toisiinsa nähden.

4-tilaisessa QPSK:ssa käytetään 4 eri kantoaallon vaihetta (jokainen vaihe edustaa kahta bittiä). Monitilaisista menetelmistä on lisää seuraavilla sivuilla.QPSK-menetelmää käytetään mm. UMTS:ssa.

35


Monitasoiset modulaatiomenetelmät

0 0 0 11 0

1 1

0 0 0 1 1 0 1 1

0 0 0 1 1 0 1 1

4 Am p litu d e s

4 F re q u e n c ie s

4 P h a s e s

M o d u la to r


Yksinkertaisissa järjestelmissä vain yhtä kolmesta muuttujasta (amplitudi, taajuus tai vaihe) muutetaan viestisignaalin muutosten tahdissa ja muut pysyvät vakioina. Monimutkaisimmissa järjestelmissä käytetään muuttujalle useampaa kuin kahta tasoa (esim. QPSK eli 4PSK) ja lisäksi voidaan muuttaa useampaa kuin yhtä muuttujaa kerralla. Tällöin päästään suurempiin siirtonopeuksiin ja parempaan kaistanleveystehokkuuteen.Esimerkiksi QPSK:n datanopeutta voidaan edelleen kasvattaa 8PSK:lla, jossa käytetään 8 eri vaihetta. 8PSK on käytössä Edge-teknologiassa (EGPRS). Kasvanut datanopeus merkitsee toisaalta heikompaa kohinansietoa, koska signaalitilat ovat lähempänä toisiaan.Yleensä ei ole järkevää käyttää useampia vaiheita kuin 8PSK. Sen sijaan AM:n ja PM:n yhdistämisellä saadaan parempi suorituskyky. Menetelmää kutsutaan QAM:ksi (quadrature amplitude modulation). QAM-menetelmiä käytetään monissa digitaalisissa järjestelmissä. Esimerkiksi DVB-T (maanpäällinen digi-TV –standardi käyttää 64 QAM:a).

36


Hajaspektriperiaate

Hajaspektritekniikan perusideana on levittää viestisignaali siirron ajaksi paljon leveämmälle taajuusalueelle kuin itse viestin kaistanleveys on, jollin myös signaalin teho leviää laajalle kaistalle. Vastaanotossa signaali taas ”palautetaan” alkuperäiseksi.

Hajaspektritekniikan kaksi yleisintä toteutusperiaatetta ovat taajuushyppelyperiaate (FH-SS) ja suorasekvenssitekniikka (DS-SS). Kummassakin menetelmässä vaaditaan lähettäjän ja vastaanottajan synkronointia ja sovittua menettelyä vastaanoton purkamiseksi.

Suorasekvenssitekniikassa käyttäjän informaatiobitit levitetään laajalle kaistalle kertomalla käyttäjädata näennäissatunnaisella bittikuviolla (Spreading Signal). Radiotiellä oleva häiriö levitetään vastaanotossa koko signaalin kaistalle, jolloin sen vaikutus jää pieneksi.

Hajaspektritekniikalla saavutetaan seuraavia etuja: • tunteettomuus kapeakaistaiselle häiriölle• hankala salakuunnella• kanavien välinen ylikuuluminen vähäistä • periaatetta voidaan käyttää koodijakoisessa monikäyttötekniikassa (CDMA)• tukee kahden pisteen välimatkan mittausta• voidaan käyttää hyväksi yhteyksiä parantavia diversiteettitekniikoita (monitie-, taajuus-ja aikadiversiteetti)

37


– suorasekvenssitekniikka (DS-SS)• siirrettävä dataa ”nopeutetaan” levityskoodin avulla, jolloin tarvittava

taajuuskaista kasvaa• jokaisella kanavalla oma koodinsa

Lähetettävä laajakaistainen signaali(esim. UMTS:ssa 3,84 Mcps)

Alkuperäinenkapeakaistainen signaali

DS-SS:Siirrettävä data käsitellään (=xor-operaatio) levityskoodilla, jolloin saadaan varsinaista modulointia varten nopea signaali. Esimerkiksi UMTS:ssa moduloiva signaali on nopeudeltaan 3,84 Mcps (million chips per second). Edellä bittiä kutsutaan tässä vaiheessa chipiksi. Tämän jälkeen UMTS:ssa varsinainen modulointi tehdään QPSK-menetelmällä.

38


– taajuushyppelyperiaate (FH-SS)

FH-SS:Käytettävissä oleva taajuuskaista jaetaan alitaajuuskaistoihin, joita vaihdellaan lähetyksen edetessä ennalta sovitun järjestyksen mukaisesti. Lähetetyn bittivirran joutuminen "vieraisiin" käsiin on epätodennäköistä, koska vain vastaanottaja tietää taajuuskanavien hyppyjärjestyksen. Tekniikkaa käytetään mm. Bluetoothissa (myös WLAN:ssa aiemmin hitaammilla nopeuksilla).

39


– yhdistetään useita signaaleja siirrettäväksi samanaikaisesti siirtokanavassa

– hyödynnetään siirtojärjestelmän (kaapeli, kuitu tai radio) olemassa olevaa kapasiteettia paremmin

Kanavointi

FDMTDM

WDM WDM

fn

f2

f1

…

fn

f2

f1…

valokuitu

WDM

FDM (taajuusjakoinen kanavointi)• taajuusalue jaetaan kaistoihin eli kanaviin ja signaalit moduloidaan näille• käytetty aiemmin laajasti analogisten puhelinverkkojen siirtojärjestelmissä• käytetty myös radio- ja TV-signaalien siirrossa sekä NMT-verkossa

TDM (aikajakoinen kanavointi)• yksi siirtokanava jaetaan aikajaksoihin, joista kukin siirrettävä signaali saa käyttöönsä yhden toistuvan aikavälin • puhelinliikenteessä PCM-koodattuja näytteitä lomitellaan aikaväleihin vuorotellen• synkronisessa aikajakokanavoinnissa käyttäjäkohtainen siirtonopeus on sama, eikä ole mahdollista ottaa tarpeen mukaan suurempia siirtonopeuksia• statistisessa aikajakokanavoinnissa käyttäjä saa hetkeksi käyttöönsä suurimman siirtonopeuden (lähinnä tietokoneiden väliset yhteydet). Menetelmä perustuu oletukseen, etteivät kaikki yhteyden käyttäjät tarvitse yhtä aikaa suurinta siirtonopeutta

TDM TDMK1 K2 K3 K1 K2 K3 K1 K2 K3

K1

K2

K3

K1

K2

K3

WDM (aallonpituuskanavointi)• FDM-kanavointia valokuidussa

40


Koodaus

Taxonomy of coding in telecommunications

Automatic repeat request (ARQ) coding

to correct errors by using afeedback channel

LähteenkoodausLähdekoodauksen tarkoituksena on tiedon tiivistäminen tai pakkaaminen siten että tieto vie mahdollisimman vähän tilaa. Siinä käytetään viestin tilastollisia ominaisuuksia hyväksi poistamalla redundanssia, jolloin voidaan pienetäätarvittavaa kaistanleveyttä.

JohtokoodausDigitaalista signaalia ei yleensä kannata siirtää sellaisenaan kantataajuisena esim. pitkät, samaa bittiä sisältävät sekvenssit vaikeuttavat vastaanottimen tahdistumista. Sen vuoksi signaalit koodataan ns. johtokoodilla siirron helpottamiseksi. Johtokoodin spektri on myös otettava huomioon

KanavakoodausLisätään valikoiden redundanssia siirron luotettavuuden lisäämiseksi. Voidaan lisätä tarkistusbittejä tiedonsiirtoon, jolloin tiedon oikeellisuus pystytään tarkistamaan tai jopa korjaamaan virheitä.– virheenilmaisevat koodit

yksinkertaisimmillaan pariteettitarkistus– virheenkorjaavat koodit

FEC-koodit eivät tarvitse paluukanavaa ARQ:ssa virhe havaitaan ja pyydetään datan lähetys uudelleen

(tarvitaan paluukanava)Menetelmän valinnassa tehdään kompromissi luotettavuuden, tehokkuuden ja monimutkaisuuden välillä

41


Johtokoodaus

Johtokoodauksen avulla muutetaan siirrettävän signaalin spektrin muoto siirtoyhteydelle sopivaksi, helpotetaan vastaanottimen tahdistumista sekä pienennetään datanopeutta siirrossa.

PCM-järjestelmissä 2 Mbit/s nopeudella käytetään HDB3-koodausta kaapeliyhteyksillä.


42


Esim.

TeleyhteydetTeleyhteydet

Kiinteästi kytketytKiinteästi kytketyt ValintaisetValintaiset

PiirikytkentäisetPiirikytkentäisetPakettikytkentäisetPakettikytkentäiset

Puhelinverkko

Matkapuhelin-verkko

ISDN

X.25 ATM

LANInternet

”Virtuaali-kytkentäiset””Virtuaali-

kytkentäiset””Paketeittain

reititetyt””Paketeittain

reititetyt”

Yhteystyypit

Kiinteä yhteys• esim. kahden tietokoneen välinen kiinteä yhteys• pitkät yhteydet helposti kalliita, kannattaa joskus suurten tietomäärien siirrossa• yhteyskumppani aina sama• suljettu, turvallinen

Valintainen yhteys• yhteyskumppanin voi valita => tarvitaan valintainformaatio• esim. yleinen puhelinverkko• A-tilaaja, B-tilaaja

43


Piirikytkentäinen - pakettikytkentäinen


Piirikytkentäinen datasiirto soveltuu parhaiten vakionopeutta vaativiin sovelluksiin• esim. ääni ja liikkuva kuva• yhteys on avoinna koko istunnon ajan• sama kapasiteetti varattuna koko ajan• osoitetta ei tarvita muutoin kuin yhteyden muodostamisessa• yhteyden muodostamiseen kuluu aikaa

Pakettikytkentäinen siirto soveltuu purskeisen datan siirtoon • siirrettävä data pätkitään paketeiksi (jotka on varustettava osoitteilla)• pakettien pituus vaihtelee käytetyn tiedonsiirtoprotokollan mukaan• siirtokapasiteettia kuluu osoite- ja muun ohjausinformaation lähettämiseen (overhead)• siirtoon osallistuvien datapäätelaitteiden ei tarvitse käyttää samaa siirtonopeutta eikä samaa protokollaa, sillä pakettiverkko sovittaa osapuolet tarvittaessa yhteen• yhteys varaa siirtokapasiteettia vain tarpeen mukaan, eikä yhteys ole koko ajan päällä• yhteydellisessä pakettidatasiirrossa (virtual circuits; esim. ATM ja X.25) paketit kulkevat verkossa solmulta toiselle aina samaa reittiä• yhteydettömässä pakettisiirrossa (packet by packet routing; esim. IP) pakettien reitti lähettäjältä vastaanottajalle voi vaihdella verkon kuormitustilanteiden mukaan • huonona puolena pakettisiirrossa on

– mahdollisuus yhteyden aikaiseen ruuhkaan– pakettien kulkuaika ei ole vakio

44


– Siirtotien muodostaa lähettimen ja vastaanottimen välinen fyysinen yhteys

– Siirtotie voi olla:• Johtimellinen (parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu)• Johtimeton (mikroaaltolinkit, satelliittilinkit, radiotie,

infrapunalinkit)– Molemmissa tapauksissa tiedonsiirto koostuu

sähkömagneettisista aalloista

3. Siirtotiet

Tiedonsiirtojärjestelmiä on useita erilaisia, mutta kaikissa on kuitenkin ainakin yksi yhteinen piirre - siirtotie. Siirtotiellä tarkoitetaan informaation kulkutietä.

Siirtotiet jaetaan langallisiin eli johtimellisiin ja johtimettomiin eli sähkömagneettisten aaltojen vapaaseen etenemiseen perustuviin siirtoteihin, mutta käytännössä molemmat ryhmät sisältävät useita toteutustapoja, joiden ominaisuudet ja käyttösovellutukset vaihtelevat laidasta laitaan. Johtimellisiin kuuluvat erilaiset kierretyt parikaapelit, koaksiaalikaapelit sekä optiset kuidut, joissa siirrettävä signaali liikkuu jonkin välittäjäaineen avulla. Jälkimmäisiin kuuluvat sekä näköyhteydellä toimivat että satelliitteihin perustuvat mikroaaltolinkit ja suuntaamattomiin, eli kaikkiin suuntiin eteneviin, radioaaltoihin perustuva kommunikaatio, joissa signaali liikkuu vapaasti, kuten esimerkiksi ilmassa. Johtimia käyttävässä tiedonsiirrossa itse johtimen ominaisuudet ovat tärkeässä asemassa siirto-ominaisuuksien määräytymisessä, kun taas johtimettomassa siirrossa signaalin kaistanleveys ja lähetysantennin ominaisuudet (esim. suuntaavuus) ratkaisevat.

45


46


Johtimelliset siirtotiet:

– Parikaapeli• Eniten käytetty johtimellinen siirtotie• Koostuu toistensa ympärille kiedotuista kahdesta kuparijohdosta• Kierrolla häiriöitä pienentävä vaikutus• Useita johtopareja voidaan yhdistää suuremmaksi kaapeliksi

Kierretty parikaapeli perustuu kahden tai useamman suojatun kuparijohdinparinsäännölliseen spiraalirakenteeseen. Säännöllinen kiertäminen vähentää kaapelin herkkyyttä elektromagneettiselle häiriölle (ylikuuluminen, ympäristön kohinan kytkeytyminen). Häiriösietoisuutta voidaan parantaa myös päällystämällä kaapeli metallipunoksella. Vaimennus parikaapelissa on selkeä taajuuden funktio.

Tyypit:• Suojaamaton (UTP), edullisempi, helpommin käsiteltävissä, käytetään paljon puhelinkaapelina• Kaapelisuojattu (STP), koko kaapeli ympäröity suojavaipalla, suositaan dataverkoissa, koska kestää paremmin ulkoisia häiriöitä • Parisuojattu (FTP), jokainen pari kaapelissa on erikseen ympäröity suojavaipalla

Parikaapelia käytetään niin puhelin- kuin dataverkoissa yleisesti. Parikaapelilla voidaan välittää sekä digitaalisia että analogisia signaaleita. Puhelinverkkojen siirtojärjestelmissä analogisia signaaleita käytettäessä (ei enää paljoa käytössä) vahvistimien on oltava 5-6 km välein ja digitaalisilla signaaleilla toistinten väli on 2-4 km. Puhelinverkoissa parikaapelia käytetään myös tilaajajohtimena. Myös xDSL-yhteydet on tilaajapäässä toteutettu kuparikaapeleilla. Lähiverkoissa parikaapelilla päästään jopa yli 100 Mbpsnopeuteen rajoitetulla etäisyydellä. Yleisesti mitä suurempi tiedonsiirtonopeus, sitä lyhyempi etäisyys.

47


– Koaksiaalikaapeli• Suurtaajuisille signaaleille => suuri siirtokapasiteetti• Kaksi johdinta sisäkkäin

– Sisempi kuparilankaa– Ulompi ohuesta kuparilangasta punottua verkkoa– Välissä eriste

• Epäsymmetrinen kaapeli• Signaali vaimenee enemmän kuin parikaapelissa

Koaksiaalikaapeli on kuin parikaapeli, mutta johdot ovat sisäkkäin. Kaapelilla on jo luontaisesti parempi häiriönsieto. Suurimmat häiriötekijät ovat vaimennus, lämpökohina ja keskeismodulaatiokohina. Koaksiaalikaapelin taajuusvaste on selvästi parikaapelia parempi. Koaksiaalikaapelilla voidaan välittää sekä analogisia että digitaalisia signaaleita. Koaksiaalikaapelia käytetään esimerkiksi TV-jakeluverkoissa, puhelinverkkojen runkoverkoissa (nykyisin kuitu) ja lähiverkoissa (nykyisin on siirrytty paljolti parikaapeliin). Vahvistimet on yleensä sijoitettava parin km välein, toistimet 1 km välein (korkeilla siirtonopeuksilla jopa tiheämpään).

48


– Optinen kuitu

125 µm

µm

Optinen kuitu on 2-125 µm paksuista valoa läpäisevää materiaalia (lasi, muovi, …). Kuitu koostuu ytimestä, heijastuspinnasta ja kuoresta. Ytimessä siirretään valoaallot, heijastuskerroksen tarkoituksena on pitää valo ytimessä ja kuori suojaa kuitua kosteudelta ja vaurioilta. Optiset kuidut toimivat 100 - 1000 THz alueella (infrapuna ja näkyvä valo). Kuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastukseen.Kuidun etuja ovat suuri kapasiteetti (kaistanleveys, tiedonsiirtonopeus), pieni koko ja keveys (ohut kaapeli), elektromagneettinen häiriönsieto (ei impulssikohinaa tai ylikuulumista, turvallisuus), pieni vaimeneminen (toistinten etäisyys jopa satoja kilometrejä).Optisia kuituja käytetään kolmessa eri taajuusikkunassa infrapuna-alueella johtuen niiden ominaisuuksista (850, 1300, 1550 nm. Useat toteutukset käyttävät LEDiä ja 850 nmaluetta (ei suuria datanopeuksia). Suuret datanopeudet vaativat alempien taajuusalueiden käyttöä (ja mahdollisesti laseria).

49


• Kuitutyypit:

Kuidut voidaan jakaa monimuoto- ja yksimuotokuituihin.Monimuotokuituja on askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia (gradienttikuitu). Monimuotokuiduissa valo siirtyy useiden heijastusten avulla. Ytimen halkaisija on yleensä 50 tai 62 µm. Monimuotokuidut kärsivät signaalipulssin levenemisestä eli dispersiosta johtuen useista säteiden etenemisreiteistä. Asteittaistaitekertoimisella kuidulla on paremmat dispersio-ominaisuudet kuin askeltaitekertoimisella kuidulla (kulkuaikaerot tasoittuvat, koska säteet kulkevat ulkokerroksissa nopeammin kuin ytimessä).

Yksimuotokuidun ytimen halkaisija on yleensä alle 10 µm. Yksimuotokuidun dispersio-ominaisuudet ovat parhaat, koska valo pääsee etenemään kuidussa vain suoraan. Tällöin myös signaalin vaimeneminen on pienintä.

50


• Sovelluskohteita:

Sovellukset:

– Televerkkojen valokaapelisiirtojärjestelmä (ks. yllä)• Optisessa johtopäätteessä sähköinen signaali muutetaan valoksi ja päinvastoin• Käytetään kaksitasoista johtokoodia (valoteho ei voi olla negatiivinen)• Järjestelmät aina digitaalisia

Kuitujen käyttökohteita ovat televerkkojen runkoverkot (kuidut ovat parhaimmillaan suurta kapasiteettia vaativiin olosuhteisiin), kaupunkiverkot (kuituja voidaan käyttää myös lyhyemmillä matkoilla yhdistämään keskuksia), lähiverkot (useat uudet teknologiat perustuvat kuitujen käytölle) sekä tulevaisuudessa myös tilaajajohdot (mahdollistaa todellisen kotimultimedian).

Kehityskohteita:– Kehitystyötä tapahtuu kuiduissa, pääteyksiköissä ja liittimissä

• Kuituliittimen mekaniikka hyvin tarkkaa• Lähetinosassa valolähteinä loistediodit (LEDit) tai laserit• Vastaanottimessa ilmaisimina PIN- tai vyöryfotodiodit

– Kehitteillä yhä suurempia nopeuksia (nykyisinkin voidaan siirtää jopa satoja tuhansiia puheluita yhdessä kuidussa)– WDM

51


Parikierretty johdin (parikaapeli)

Suojaamaton parikaapeli (Unshielded Twisted Pair), 100 ohm• Kategoria 1 - ei suorituskykyvaatimuksia • Kategoria 2 - Puhelinjärjestelmät, enintään 1 Mbps• Kategoria 3 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 16 Mbps• Kategoria 4 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 20 Mbps• Kategoria 5 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 100 Mbps• Kategoria 6 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 1 Gbps• Kategoria 7 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 600 Mbps

Suojattu parikaapeli (Shielded Twisted Pair), 150 ohm• Kategoria 1 - IBM Token ring 4/16 Mbps• Kategoria 9 - IBM Token ring 4/16 Mbps

52


Johtimettomat siirtotiet:

Johtimettomien siirtoteiden jako• Mikroaaltolinkit (suunnattu kommunikointi)• Satelliittilinkit (satelliittitiedonsiirto)• Radiotie (suuntaamaton kommunikointi)• Infrapuna (lyhyen matkan point-to-point)

53


Vapaan tilan eteneminen:

Vapaassa tilassa signaali etenee radiotaajuisena säteilynä. Radioaallon eteneminen ilmakehässä riippuu taajuudesta (ks. taulukko yllä).Radioaallon etenemiseen vaikuttavat troposfäärin, ionosfäärin ja maaston ominaisuudet. Radioaallon eteneminen on melko monimutkaista näiden vaikuttavien tekijöiden vaikutuksesta. Ilmakehän alin kerros on troposfääri, se on kerros, missä sääilmiöt tapahtuvat. Troposfääri ulottuu navoilla noin 9 km:n ja päiväntasaajalla lähes noin 17 km:n korkeuteen. Troposfääri kerros on homogeeninen ja on jatkuvasti muuttuvassa tilassa. Radioaaltojen etenemiseen paikasta toiseen vaikuttavat lämpötila, paine, kosteus, sade jne. Aalto vaimenee, siroaa ja kaartuu sekä voi heijastua saapuessaan troposfääriin. Kun signaali vastaanotetaan, vastaanotetun signaalin amplitudi ja vaihe voivat vaihdella satunnaisesti monitie etenemisen vuoksi. Myös signaalin polarisaatio saattaa muuttua ja ilmakehä voi aiheuttaa kohinaa.

Ilmakehän seuraavana kerroksena on ionosfääri, joka ulottuu noin 60 km:stä 100 km:iin. Ionosfäärissä on auringon ultravioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimaa plasmaa eli vapaita elektroneita ja ioneja. Ionosfääriä radioaalto ei pääse läpäisemään sen tilasta riippuvan rajataajuuden ( n.10 MHz ) alapuolella ja näin ollen se vain heijastuu siitä.

Diffraktiota, sirontaa ja heijastuksia radioaalloille aiheuttavat maaston erilaiset kohteet ja rakennukset. Matalilla taajuuksilla pintaa pitkin etenevien aaltojen vaimennus riippuu paljolti maanpinnan sähköisistä ominaisuuksista.

54


• Radioaaltojen etenemismallit:

Radioyhteyksissä käytetyt tärkeimmät etenemismekanismit (alenevan taajuuden mukaisessa järjestyksessä ):

1. Eteneminen näköyhteysreittiä pitkin. Muistuttaa lähinnä likimäärin vapaan tilan etenemistä. Aallon kaartumisen takia radiohorisontti on geometristä horisonttia kauempana. UHF-, SHF- ja EHF- alueilla tämä on tärkein etenemismekanismi. Sateen ja ilmakehän kaasujen aiheuttama vaimennus rajoittaa yhteydet lyhyiksi millimetriaaltoalueella ja infrapuna-alueella.

2. Eteneminen ilmakehän homogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla. Esitellyn mekanismin taajuusalue on noin 0,3 - 10 GHz.

3. Eteneminen ionosfäärin kautta. Ionosfäärin kautta radioaalto voi heijastua alle 30 MHz:n taajuuksilla. Uudelleen heijastumalla maanpinnasta on ympäri maapallon eteneminen mahdollista.

4. Eteneminen maanpinta- aaltona. Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden kasvaessa maanpinta-aallolla. Tämän vuoksi eteneminen rajoittuu noin alle 10 MHz:n taajuuksille.

55


Radiolinkkijärjestelmät

• Radiolinkki käyttää signaalin siirtoon voimakkaasti suunnattuja radioaaltoja• Lautas- tai torviantennit => hyvin kapea antennikeila• Televerkon runkoyhteyksillä, tukiasemayhteyksillä ja televisiokuvan siirrossa lähetysasemille• Digitaaliset SDH-linkit käyttävät FSK- tai PSK-modulointia• Mikroaallot => näköyhteys lähetys- ja vastaanottoantennin välillä• Lähetystehot 0,1…1W• Yleisiä taajuuksia 15, 18, 23, 26, 28, 38, 53 ja 58 GHz• Maksimipituus 40-50 km yhdellä hypyllä (2 GHz), suurempitaajuuksisilla lyhemmät etäisyydet• Tarvitaan yksi radiokanava molempiin suuntiin• Kaupallinen toteutus esim. Nokian DMR18

– Taajuusalue 18 GHz– Siirtokapasiteetti 2*2, 4*2, 8*2, 16*2 tai 1*34 Mbit/s

• Lyhyillä etäisyyksillä käytetty paljon minilinkkejä (pienet antennit, radio-osa mastossa)

sisältö: 1. johdanto tietoliikenteeseen 2. perusteoriaa … · 2005. 8. 30. · 1 30.8.2005...

Documents