Blok 7: netwerken Les 2 Christian Bokhove

Signalen - Bandbreedte Een belangrijke eigenschap van een signaal is de bandbreedte De bandbreedte van een signaal: Zijn de voorkomende frequenties waarvoor A(f) niet dicht bij 0 zit. Is dus het interval van frequenties die nodig zijn om een goede bandering van het signaal te maken. We schrijven Bs,, gegeven in Hz (Herz) Een signaal met bandbreedte 3100 Hz betekent: Een frequentie-bereik van 3100 Hz is nodig om het signaal te maken.

Signalen – Bandbreedte vb. Harmonisch signaal: bandbreedte is 1 (er is maar één frequentie) Periodiek signaal: Niet-periodiek signaal: Bs=1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 f A(f) Bs=7 Bs~5.9

Signalen doorgeven Golf propagatie) Distortion: Attenuation Dispersion (Dispersie) Noise (Ruis)

Golf propagatie zender ontvanger medium

Golf propagatie (2) Wiskunde van golf propagatie is: Gegeven een signaal dat verstuurd moet worden over een medium van lengte d. Zij: s0(t) het signaal dat bekeken wordt bij de zender sd(t) het signaal dat bekeken wordt bij de ontvanger De tijd die het signaal nodig heeft om door het medium te komen, nomen we td, dan: sd(t) = s0(t - td) td wordt ook wel propagatie vertraging genoemd (voortplantings-vertraging)

Golf propagatie (3) De propagation delay hangt af van: De afstand tot de zender, dus d, en De propagatie snelheid v [m/s]. De relatie ertussen is: td = d / v Propagatie snelheid: is een eigenschap van het medium. Vaak wordt aangenomen dat dit onafhankelijk is van het bronsignaal. In de praktijk is dit niet het geval (het hangt af van de frequentie van het bronsignaal)!

Golf propagatie (4) Een aantal waarden: Propagatie snelheid van electromagnetische golven in vacuum is gelijk aan de lichtsnelheid: dus v = 3*108 m/s Propagatie snelheid van electromagnetische golven in koperdraad of glas is v = 2/3 * c = 2 * 108 m/s Dus: signalen gaan niet sneller door glas dan door koper.

Golf propagatie (5) Er is nog meer over golf propagatie: Gegeven een harmonisch signaa met frequentie f. De periode van dit signaal T is gelijk aan 1/f. De positie die 1 periode verwijderd is van de bron heet de golflengte, , van het harmonische signaal. De relatie tussen v, f en  is:  * f = v

Distortie Als een signaal door een medium gaat, kan het gestoord worden. Vormen van storing (distortion) zijn: Dissipatie Dispersie Ruis

Distortie - dissipatie Een deel van het signaal kan gedempt wording door het medium (waardoor het medium ook in temperatuur stijgt), Het resultaat hiervan is dat de amplitude van het signaal kleiner wordt (daarom wordt de parameter A van een harmonisch signaal kleiner langs een lijn). ontvanger zender medium

Distortie - dissipatie Dissipatie hangt af van de frequentie van het harmonische signaal. Bij sommige frequenties is er weinig dissipatie. Voor andere is er veel Voorbeeld: Bandbreedte van een medium Bc

Distortie - dispersie Dispersie: propagatie snelheid hangt af van de frequentie van harmonische signalen. Dus, gegeven een periodiek signaal of niet-periodiek signaal, passeren de verschillende harmonische signalen waaruit het bestaat, met verschillende snelheden. Dit resulteert in een veranderende vorm bij de ontvanger: Zie het practicum ´Transmissie´

Distortie - ruis Signalen die door een medium gaan, zijn electromagnetische golven. Andere bronnen produceren ook electromagnetische die het signaal kunnen storen. Deze storing heet ruis. Voorbeelden van ruis: Natuur: Thermische ruis (door de ontvanger, natuurkundig principe) Atmosferische ruis (bijv. door onweer) Kunstmatig (door-de-mens) Starten van een auto, tram, lichtknopjes Overspraak (storing tussen draden).

Signalen en Medium Eigenschappen We moeten nu een goede combinatie van signaal en medium eigenschappen vinden, zodat: Signalen kunnen worden doorgegeven zonder te veel dissipatie Signalen worden niet te veel gestoord door dispersie Signalen worden niet te veel gestoord door ruis

Signalen & Medium Eigenschappen – Demo Demonstreert Dissipatie / Bandbreedte van een medium Ruis Zie het practicum ´Transmission´

Andere media eigenschappen Robuustheid (bestendig tegen de omgeving: temperatuur, corrosie, …) Veiligheid (hoe makkelijk signalen kunnen worden afgeluisterd) Kosten (aankoop, installatie, onderhoud, …)

Voorbeeld van een medium Glasvezel: Propagatie vertraging: 2*108 m/s Dissipatie: ~ 0.2 - 0.7 db/km (erg laag). Bandbreedte: ~ 25 THz / 30 THz (THz = 1012 Hz) Ruis: erg ongevoelig voor ruis Kosten: hoog omdat het moeilijk te installeren en repareren is. De kosten van het vezel zelf zijn gemiddeld. Moeilijk af te tappen (maar het kan wel). Kabels van honderden kilometers kunnen worden gebruikt. In het boek meer informatie…

Medium service provider Physical Protocol Entity #1 #2 #3 We kunnen een medium modelleren met OSI concepten: De service provider is het medium De service users zijn: physical protocol entities Service access points: Lucht: antennes Vezel: licht of LED, photo-receptor Gedrag #1 #2 #3 Send_signal(..) Receive_signal(..)

De functies van de fysieke protocol laag Modulatie: omzetten bitreeks naar signalen Demodulatie: omzetten signalen naar bitreeks Andere functies: Multiplexing / de-multiplexing; clock extraction & synchronization Physical Layer Relaying

Modulatie - het principe De methode voor modulatie is om signaal elementen te introduceren. Een signaal element is een signaal met een eindige lengte (zeg T seconden) Voor modulatie definiëren we een verzameling signaal elementen Voorbeeld: twee signaal elementen s0 en s1.

Modulatie – het principe (2) De modulator zet bits om in signaal elementen. Bijvoorbeeld: Bit waarde 0 wordt signaal element s0 Bit waarde 1 wordt signaal element s1 Dus, een bitreeks 1001001 wordt: -1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5 T 1 T T 1 T T T 1 T

Zie applet

Multiplexing Medium service provider 'User' 'User' 'User' 'User' Een andere functie die in de fysieke laag kan zitten, is multiplexing Met behulp van multiplexing kan één medium gebruikt worden om kanalen te maken tussen twee fysieke SAPs 'Users' wisselen via dit kanaal informatie uit. Multiplexing zorgt voor: Flexibel gebruik van een medium Efficiënt gebruik van een medium #1 #2 #3 #4 Physical Protocol Entity Physical Protocol Entity Medium service provider #5 #6 'User' #1 #2 #3 #4 Physical Service Provider

Multiplexing (2) Een mogelijke techniek voor multiplexing is: Om het medium-gebruik in time-slots te verdelen en elk kanaal de volledige capaciteit te laten benutten, gedurende een specifieke slot Dit heet: Time Division Multiplexing (TDM)) t f channel 1 channel 3 channel 2 channel 4 … Maximum Bandwidth

Multiplexing (3) Een tweede techniek: Wijst een deel van de bandbreedte toe aan elk kanaal. Dit deel kan alleen door een specifiek kanaal worden gebruikt. Dit heet Frequency Division Multiplexing (FDM). t f … Maximum Bandwidth channel 1 channel 3 channel 2

Channel capacity (Kanaal Capaciteit) Bekijk systemen A en B: Systeem A: kan 3 signaal elementen gebruiken en 100 signaal elementen per minuut. Systeem A: kan 4 signaal elementen gebruiken en 80 signaal elementen per minuut. Welk systeem zou je kopen? Welke criteria gebruik je hierbij? Physical Protocol Entity Physical Protocol Entity #1 #2 Medium service provider

Capaciteit van kanaal [bits/s] Bandbreedte van kanaal [Hz] Channel capacity Vaak wordt bandbreedte gezegd als bit-rate bedoeld wordt. Algemeen: Capaciteit van kanaal [bits/s]  Bandbreedte van kanaal [Hz]

Vragen Wat is bandbreedte? Welke factoren bepalen de vorm van een signaal? Wat is distortie? Wat is dispersie? Wat is dissipatie? Wat is ruis?

Vragen Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van een medium? Hoe werkt modulatie? Wat is multiplexing? Wat zijn twee vormen van multiplexing? Waarom is de capaciteit van een kanaal (in bits/s) niet gelijk aan de bandbreedte van een kanaal (in Hz)?