Билет №5

1. Дискретизация сигналов по времени. Квантование сигналов по уровню. Теорема Котельникова.

Для того, чтобы аналоговый сигнал перевести в цифровой необходимо провести операции (дискретизация, квантование и кодирование)

Теорема Котельникова (Найквиста, Уиттакера, Шеннона). Любой непрерывный аналоговый сигнал с ограниченным частотой можно восстановить по его дискретным отсчетам при условии, что частота дискретизации должна быть вдвое большей максимальной частоты сигнала. То есть период дискретизации будет .

Дискретизация по времени. Преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретный можно по Теореме Котельникова.

Дискретизация — это получение мгновенных значений сигнала (отсчетов) через определенные промежутки времени (т.е. с определенной частотой — частотой дискретизации).

При выполнении дискретизации необходимо правильно выбрать частоту дискретизации, которая определяется параметром непрерывного сигнала: . При передаче телефонных сигналов частота дискретизации стандартизирована во всем мире и равна Fд = 8 кГц

(На всякий надо вспомнить про АИМ 1,2 рода)

Квантование по уровню. Квантование — это «округление» полученных мгновенных значений до ближайших заранее заданных уровней. Например, если у нас есть 5 уровней с шагом 2: 0, 2, 4, 6, 8, а некоторые мгновенные значения равны 3.6, 7.1, 2, 0.5, 1.8, то они будут округлены до 4, 8, 2, 0, 2 соответственно.

Шаги квантования производители выбирают сами, но на практике обычно получаются 0,5.

Шаг квантования – разница между двумя соседними разрешенными уровнями.

Если амплитуда отсчета превышает половину шага квантования /2 то ее значение увеличивается в большую сторону. А разница считается как ошибка квантования.

Произведя «нумерацию» уровней квантования, можно передавать не

сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде.

Выбор шага квантования и количество уровней квантования lмакс

определяются, во - первых параметрами преобразуемого сигнала, в частности величиной Uмакс, а во-вторых допустимой величиной помех, возникающих в канале, поскольку ошибки квантования при передаче, на-

пример, телефонного сигнала воспринимаются как специфический шум

квантования, имеющий некоторую мощность Рш кв.

Энергетический спектр шумов квантования аналогичен энергетическому спектру «белого шума» и имеет равномерный характер в диапазоне частот: –∞ < f < ∞.

Плотность распределения вероятности W(x) шума квантования в пределах одного шага квантования в интервале от – /2 до /2, также имеет

равномерный вид.

Средняя мощность случайного процесса с нулевым средним значением и одномерной плотностью распределения вероятности (каковым является шум квантования), определяется следующим образом [8]:

Pш кв = 12. (3.3)

Мощность шума квантования не должна превышать допустимую

норму на помехи на выходе канала, предназначенного для передачи различных аналоговых сигналов. Поскольку системы передачи с ИКМ плезиохронной цифровой иерархии (PDH) разрабатывались для передачи телефонных сообщений, далее определим минимально необходимое число

уровней квантования при организации телефонного канала в ЦПС с ИКМ.

Известно, что согласно требованиям МСЭ-Т [8, 9] суммарная допустимая мощность помех на выходе канала тональной частоты (ТЧ)

эталонной цепи в точке нулевого относительного уровня (ТНОУ) в

час наибольшей нагрузки (ЧНН) не должна превышать величины

10000 пВт псоф. В канале ТЧ ЦСП с ИКМ величина помехи определяется только шумом квантования (при отсутствии ошибок при передаче двоичных символов по линейному тракту): Рш кв доп = =

= 10000 пВт псоф.

При этом эффективное значение допустимой мощности шума квантования будет равно:

где Кпс = 0,75 псофометрический коэффициент, учитывающий чувствительность человеческого уха к различным частотным составляющим помех.

Р ш кв эфф доп =10000/0,5625 = 17778

Наконец, учтем то обстоятельство, что мощность квантования в

низкочастотном диапазоне распределена в полосе частот 0 fмакс, где

fмакс = Fд/2 [7]. Тогда Рш кв на 1 Гц полосы частот в общем виде имеет

выражение:

Для оценки действия помех в каналах систем передачи пользуются

параметром, который называется защищенностью и определяется следующим образом: Rм = Рс/Рп или Rн = Uс/Uп в относительных единицах, АЗ = 10 lg Rм, дБм или АЗ = 20 lg Rн, дБм в логарифмических единицах,

где Рс, Рп, Uс, Uп – мощности и напряжения сигнала и помехи соответственно.

Величина средней мощности телефонного сигнала при передаче по

каналу ТЧ известна [8,10] и равна величине Рср тф = 32 мВт.

Отсюда допустимая защищенность от шумов квантования

Поставим (3.4) и (3.5) в выражение для защищенности Rш кв м, приравняем его допустимому значению Rш кв доп

Такое число уровней квантования оказывается чрезмерно большим,

но его можно значительно снизить, принудительно уменьшая пик-фактор ТФ сигнала на передаче и восстанавливая его на приеме. Так, если

уменьшить пик-фактор на передаче до величины q = 4,75 количество

уровней квантования также резко уменьшится и составит величину

lмакс = 102.

На практике изменение и восстановление пик-фактора сигнала (или

динамического диапазона) осуществляется при помощи системы компандирования: на передающей стороне на входе АЦП включается устройство, которое называется компрессором (сжимателем) динамического диапазона, а на приеме на выходе ЦАП включается экспандер (расширитель) динамического диапазона.

2. Технология Ethernet. Типы интерфейсов физического уровня. Формат кадра. Метод доступа к среде csma/cd (множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий).

https://www.youtube.com/watch?v=Z-a7MNStFQs --- сморите видеоролик начинается Основы Ethernet где то в середине.

Основы Ethernet

Ethernet-семейство технологий пакетной передачи данных в компьютерных сетях, использующих метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий – CSMA/CD. В процессе развития Ethernet стал самой популярной технологией LAN.

Первой физической схемой подключения (физической топологией) Ethernet была «шина». Все устройства конфликтуют за среду передачи данных. Передача ведется в режиме half-duplex на скорости до 10Мбит/с.

Терминатор -

Коаксиональный кабель

Имеет всего одну пару проводников для передачи данных.

(не удобный в работе, тяжело очищать, загибать (маленьким радиусом))

Задачи требующие решения(недостатки)

1. Решить вопрос с адресацией пакетов (не понятно кому передаешь)

2. Решить вопрос проверки целостности фрейма после приема

3. Решить, какому протоколу отдать этот пакет для дальнейшей обработки.

4. Решить проблему с множественным доступом к среде передачи данных

Формат Ethernet фрейма

В качестве адресации устройств придумали МАС (media access control) адрес

МАС адрес – уникальное (относительно) 6-ти байтовой число, которое принято записывать в НЕХ виде, например: 00-11-95-1С-D8-02

Data- L3 пакет размером от 46 до 1500 байт. (полезные данные которые нужно передать 46-1500 это значение МТU).

Dst_mac- MAC адрес назначения, может быть юникастом, мультикастом, бродкастом.

(мас адрес получателя).

Src_mac - MAC адрес отправителя. Всегда юникаст. (свой мас-адрес).

Tupe – Идентифицирует L3 протокол (к примеру 0x0800 – Ipv4, 0x86DD – IPv6, 0x8100- указывает что фрейм тегирован заголовком 802.1q, и т.д. (код протокола (IP)).

Все это заголовок Ethernet

FCS- 4 байтное значение CRC используемое для выявления ошибок передачи. Вычисляется отправляющей стороной, и помещается в поле FCS. Принимающая сторона вычисляет данное значение самостоятельно и сравнивает с полученным. (чтобы проверить целостность фрейма)

Фрейм передается по физическому каналу.

МАС- адрес

МАС адрес состоит из двух частей, первая распределяется между производителями оборудования, а вторая распределяется самим производителем. Таким образом по МАС адресу можно понять фирму-производитель оборудования.

Первым трем байтам можно понять производителя.

Коллизии

Коллизии – это «столкновение» двух и более сигналов, когда несколько станций начинают передачу со слишком маленькой разницей во времени. В результате, передаваемые данные становятся испорченными.

Тогда фрэйм потерян

CSMA/CD

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий) — технология (IEEE 802.3) множественного доступа к общей передающей среде в локальной компьютерной сети с контролем коллизий. CSMA/CD относится к децентрализованным случайным (точнее, квазислучайным) методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet).

Если во время передачи кадра рабочая станция обнаруживает другой сигнал, занимающий передающую среду, она останавливает передачу, посылает сигнал преднамеренной помехи и ждёт в течение случайного промежутка времени (известного как «backoff delay» и находимого с помощью экспоненциального двоичного алгоритма выдержки), перед тем как снова отправить кадр.

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи.

Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается сигнал преднамеренной помехи, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.

Ethernet является классическим примером протокола CSMA/CD.

Сигнал преднамеренной помехи (англ. jam signal) в телекоммуникациях — сигнал с битовым шаблоном, отправленным станцией, чтобы информировать остальные станции о том, что они не должны осуществлять передачу.