Tec4 - ‫מבוא לתקשורת‬ ‫נתונים‬...

Info iconThis preview shows page 1. Sign up to view the full content.

View Full Document Right Arrow Icon
This is the end of the preview. Sign up to access the rest of the document.

Unformatted text preview: ‫מבוא לתקשורת‬ ‫נתונים‬ ‫השכבה הפיזית‬ ‫הגדרות: נתונים, תקשורת ותקשורת‬ ‫נתונים‬ ‫‪ ‬נתונים )‪ – (data‬סימנים אלפא נומריים או‬ ‫גראפיים המיוצגים במחשב בצורה של סיביות‬ ‫)‪.(bits‬‬ ‫‪ ‬תקשורת )‪ – (communication‬העברת‬ ‫מסרים בין שתי קצוות.‬ ‫‪ ‬תקשורת נתונים )‪– (data communication‬‬ ‫תהליך של העברת סיביות בין שתי קצוות‬ ‫)מחשבים, מסופים(.‬ ‫2‬ ‫ייצוג המידע במחשב‬ ‫כל המידע המאוחסן במחשב מבוסס על קומבינציה של שני‬ ‫מצבים חשמליים :‬ ‫‪OFF ON‬‬ ‫מצב חשמלי זה נקרא‬ ‫‪BIT‬‬ ‫) ‪(BINARY DIGIT‬‬ ‫במחשבים אישיים נהוג להשתמש בשתי שיטות קידוד‬ ‫עיקריות:‬ ‫‪ - ASCII‬המשתמשת בקוד של 8 ביטים שיכול לייצג 652‬ ‫3‬ ‫סימנים.‬ ‫‪BYTE‬‬ ‫בית אחד - מייצג במחשב אות אחת או ספרה אחת או סימן‬ ‫כלשהו.‬ ‫)בית( ‪)= byte‬ביט( ‪8 bit‬‬ ‫‪1024 byte = 1 Kilo byte‬‬ ‫‪1024 Kilo byte = 1 Mega byte‬‬ ‫‪1024 Mega byte = 1 Giga byte‬‬ ‫‪1024 Giga byte = 1 TB‬‬ ‫.....‬ ‫יחידות מידה אלו משמשות למדידת נפחי אחסון של המידע‬ ‫המאוחסן ברכיבים שונים של המחשב‬ ‫4‬ ‫מודל בסיסי של תקשורת‬ ‫נתונים‬ ‫מקור‬ ‫ממיר מסוף‬ ‫)מודם( מחשב‬ ‫תחנת עבודה‬ ‫תווך תקשורת‬ ‫ממיר‬ ‫)מודם(‬ ‫מסוף‬ ‫מחשב‬ ‫תחנת עבודה‬ ‫יעד‬ ‫אות אנלוגי‬ ‫אות אנלוגי‬ ‫5‬ ‫תקשורת אנלוגית‬ ‫מערכת תקשורת אנלוגית )תקבילית(- מערכת שנועדה‬ ‫להעביר אותות )סיגנלים( אנלוגיים, כלומר, סימנים/ אותות‬ ‫המייצגים רצף.‬ ‫השימוש הוא בעיקר למערכות להעברת קול. לדוגמה:‬ ‫טלפון.‬ ‫אות אנלוגי הוא גל אלקטרומגנטי שעוצמתו משתנה באופן‬ ‫רציף.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫6‬ ‫תקשורת דיגיטאלית‬ ‫מערכת תקשורת דיגיטאלית )ספרתית(- מערכת בדידה‬ ‫המיועדת להעביר אך ורק שני סוגי סימנים.‬ ‫השימוש הוא בספרות בינאריות 0 ו- 1 הנקראות סיביות‬ ‫)‪.(Bits‬‬ ‫השימוש הוא לתקשורת נתונים.‬ ‫אות ספרתי הוא גל אלקטרומגנטי שעוצמתו משתנה באופן‬ ‫בדיד, ז"א עוצמת האות נשארת קבועה במשך זמן כלשהו ואז‬ ‫משתנה לרמה קבועה אחרת.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫7‬ ‫המעבר מאנלוגי לדיגיטאלי‬ ‫)1(‬ ‫8‬ ‫המעבר מאנלוגי לדיגיטאלי‬ ‫)2(‬ ‫9‬ ‫המעבר מאנלוגי לדיגיטאלי‬ ‫)3(‬ ‫01‬ ‫תמסורת אנלוגית מול תמסורת דיגיטאלית‬ ‫תמסורת אנלוגית מחייבת מגברים. מגברים אלה‬ ‫מוסיפים רעשים למערכת וגם מגבירים רעשים ישנים‬ ‫שהגיעו אליהם כקלט.‬ ‫תמסורת דיגיטאלית מהווה פיתרון מעולה לבעיית‬ ‫הרעשים :‬ ‫ה -‪ repeater‬צריך רק לזהות את האות שהגיע אליו ברגע‬ ‫נתון 0 או 1, לאחר החלטה זו הוא איננו מגביר את האות‬ ‫אלא מייצר אות חדש, נקי מרעשים קודמים, לפי הות‬ ‫שהתקבל.‬ ‫יתרון נוסף, לצרכי תקשורת נתונים, של התמסורת‬ ‫הדיגיטאלית, הינו בכך שאין צורך בתרגום האותות‬ ‫מדיגיטאליים לאנלוגיים וההפך.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫11‬ ‫כיווניות זרימת המידע‬ ‫מסר יוצא‬ ‫מסר‬ ‫שנשל‬ ‫ח‬ ‫מסר‬ ‫שהגיע‬ ‫21‬ ‫מקבילי או סדרתי‬ Parallel or Serial 13 ‫מהו מודם ?‬ ‫המודם מאפשר תמסורת נתונים ספרתיים דרך אמצעים‬ ‫אנלוגיים )קו טלפון(.‬ ‫המודם ממוקם בין מקור הנתונים לבין תווך התקשורת ובין‬ ‫תווך התקשורת ליעד הנתונים.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫41‬ ‫תפקידי המודם -‬ ‫‪modulator - demodulator‬‬ ‫תרגום האותות הדיגיטאליים היוצאים מן המחשב/מסוף‬ ‫לקולות צלילים. בכך מקבלים אותות הניתנים להעברה‬ ‫במערכת הטלפון )צלילים במקום אותות שאינם ניתנים‬ ‫להעברה ברשת הטלפונים )דיגיטאליים(. כמובן שבקצה‬ ‫השני הנקרא לעיתים גם הקצה הרחוק, מבוצעת פעולת‬ ‫תרגום הפוכה - מצלילים לאותות דיגיטאליים.‬ ‫ל"רמות" את מערכת הטלפונים החושבת שהיא מעבירה‬ ‫צלילים בעוד שלמעשה היא מעבירה נתונים.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫51‬ ‫פרוטוקול‬ ‫אוסף חוקים ופרוצדורות‬ ‫לניהול שידור בין שני‬ ‫רכיבים ברשת.‬ ‫61‬ ‫קידוד סיביות באמצעות אות‬ ‫ספרתי‬ ‫אות ספרתי מורכב מסדרה של דופקי מתח בדידים. כל דופק‬ ‫)‪ (Pulse‬כזה נקרא יחידת אות.‬ ‫נתונים בינאריים משודרים על ידי המרת כל סיבית ליחידות אות.‬ ‫במקרה הפשוט ביותר, כל סיבית מקודדת באמצעות יחידת אות‬ ‫אחת.‬ ‫כדי שהמקלט יפענח אות, עליו לדעת קודם-כל מתי מתחילה כל‬ ‫יחידת אות ומתי היא נגמרת, אחרי-כן צריך המקלט לקבוע אם‬ ‫רמת יחידת האות גבוהה )1( או נמוכה )0(.‬ ‫בדרך כלל המקלט מבצע דגימת האות באמצע היחידה, ומשווה‬ ‫את ערך הדגימה לערך קבוע מראש) לפי הפרוטוקול ( ולפי זה הוא‬ ‫קובע אם הערך הוא 1 או 0.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫71‬ ‫שיטות קידוד:‬ ‫1( לא חוזר לאפס ‪NRZ‬‬ ‫‪ ‬קידוד רמת המתח קבועה, במשך כל זמן שידור סיבית,‬ ‫ואינה חוזרת לרמה אפס במהלך שידור סיבית.‬ ‫למשל:‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫81‬ ‫שיטות קידוד:‬ ‫2( לא חוזר לאפס )רמה )‪NRZ-LL‬‬ ‫‪ ‬שיטת קידוד ממשפחת ‪ NRZ‬שבה הספרה 1 מיוצגת‬ ‫על ידי רמת מתח שלילית קבועה, והספרה 0 מיוצגת על‬ ‫ידי רמת מתח חיובית קבועה.‬ ‫למשל:‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫91‬ ‫‪NRZ‬‬ ‫חסרון שיטת הקידוד‬ ‫‪‬‬ ‫הבעיה העיקרית של השיטה הזו הוא הקושי לסנכרן‬ ‫) כלומר לתאם זמנים( בין המקלט למשדר.‬ ‫כדי לאפשר פענוח נכון של המידע, המקלט צריך‬ ‫לדגום את האות, בהפרשי זמן הזהים בדיוק לקצב‬ ‫שידור הסיביות ל ידי המשדר.‬ ‫הסנכרון בין המשדר למקלט אינו משימה קלה.‬ ‫הבעיה חמורה כאשר משדרים סידרה ארוכה של 1 או‬ ‫0-ים , במקרה כזה כל אי התאמה תגרום לאובדן נתונים‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫02‬ ‫‪NRZ‬‬ ‫חסרון שיטת הקידוד‬ ‫‪‬‬ ‫הבעיה העיקרית של השיטה הזו הוא הקושי לסנכרן‬ ‫) כלומר לתאם זמנים( בין המקלט למשדר.‬ ‫כדי לאפשר פענוח נכון של המידע, המקלט צריך לדגום את‬ ‫האות, בהפרשי זמן הזהים בדיוק לקצב שידור הסיביות על‬ ‫ידי המשדר.‬ ‫הסנכרון בין המשדר למקלט אינו משימה קלה.‬ ‫הבעיה חמורה כאשר משדרים סידרה ארוכה של 1 או 0-ים‬ ‫, במקרה כזה כל אי התאמה תגרום לאובדן נתונים‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫אות‬ ‫זמן‬ ‫קליטת אות‬ ‫פספוס‬ ‫12‬ ‫שיטות קידוד:‬ ‫3( מנצ'סטר - קידוד דו פאזי‬ ‫שיטות קידוד דו פאזי מתגברות על בעיית הסנכרון של‬ ‫שיטת ‪NRZ‬‬ ‫בקידוד מנצ’סטר יש מעבר של רמת המתח באמצע זמן‬ ‫השידור של כל סיבית. מעבר זה משמש הן כמנגנון סנכרון‬ ‫והן להעברת נתונים.‬ ‫0=‬ ‫1=‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫22‬ ‫שיטות קידוד:‬ ‫4( מנצ'סטר דיפרנציאלי - קידוד דו פאזי‬ ‫בקידוד מנצ'סטר דיפרנציאלי, המעבר באמצע‬ ‫כל סיבית משמש לסנכרון בלבד. הקידוד של 0‬ ‫מיוצג על ידי קיום מעבר ) כלשהו: מגבוה לנמוך‬ ‫או להפך( .‬ ‫1 מיוצג על ידי היעדר מעבר בתחילת הסיבית, 0‬ ‫ יש מעבר בתחילת הסיבית.‬‫מעבר‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫אין‬ ‫מעבר‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫0‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫0‬ ‫32‬ ‫שיבושי שידור והשפעתם‬ ‫על קצב השידור המרבי‬ ‫אותות המתפשטים בתווך תקשורת משתבשים בדרכים‬ ‫אחדות, וכאשר הם מגיעים למקלט הם שונים מכפי שהין‬ ‫בעת השידור.‬ ‫השיבושים הנגרמים לאותות מפחיתים את יכולת העברת‬ ‫המידע.‬ ‫קיימים שלושה סוגים עיקריים של שיבושים:‬ ‫ ניחות: ירידת עוצמת האות המתפשט בתווך.‬‫ עיוות השהיה: נגרמים מכך שלרכיבי תדר שונים של האות‬‫יש השהיה שונה )‪(Delay‬‬ ‫ רעש )‪.(Noise‬‬‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫42‬ ‫רעש - ‪Noise‬‬ ‫לכל אות המשודר במערכת תקשורת, מתוספים‬ ‫אותות שונים, לא רצויים, המכונים רעש.‬ ‫הרעש הוא חלק בלתי נפרד מהמציאות של‬ ‫מערכות תקשורת- אפשר לנסות לצמצמו, אך אי‬ ‫אפשר לבטלו כליל.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫52‬ ‫רעש - ‪Noise‬‬ ‫סיווג של רעשים על פי הסיבות להיווצרותם:‬ ‫‪‬‬ ‫ רעש תרמי – נוצר כתוצאה מהתנועות האלקטרונים‬‫בתוך המוליך, רעש זה הינו בעל עוצמה נמוכה יחסית‬ ‫וקבועה.‬ ‫ רעש דיבור )‪ – (Cross Talk‬נוצר עקב השרה‬‫אלקטרומגנטית מקווים סמוכים‬ ‫ רעש פרצים )‪ (Burst Noise‬נוצר כתוצאה מקרינה‬‫אלקטרומגנטית ממקורות חיצוניים כגון: בקרים, ציוד‬ ‫חשמלי בפעולה, מנורות פלורוסנט ... רעש זה הינו בעל‬ ‫עוצמה גבוהה יחסית, הוא מופיע בזמנים אקראיים‬ ‫ונמשך פרק זמן קצר יחסית.‬ ‫62‬ ‫איך רעש משפיע על‬ ‫התקשורת?‬ ‫רעשים יכולים לגרום לשגיאות ברצף של סיביות, הוא יכול‬ ‫לגרום, למשל, לכך שברצף מסוים כל הסיביות יפוענחו‬ ‫כסיביות 1, ללא תלות בערכי הסיביות ששודרו.‬ ‫שיטות גילוי השגיאות מבוססות על הוספת סיביות בדיקה‬ ‫לסיביות המידע המשודרות. כאשר התחנה הקולטת‬ ‫מקבלת את המסגרת, היא מפעילה על סיביות המידע‬ ‫פונקציה זהה, ומשווה את התוצאות עם סיביות הבדיקה‬ ‫שקלטה. אי התאמה מעידה על שגיאות במסגרות.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫72‬ ‫גילוי ותיקון שגיאות‬ ‫שיטת הזוגיות:‬ ‫שיטת הזוגיות משמשת בדרך כלל לגילוי שגיאות בשידור‬ ‫של תווים. בשיטה זו מוסיפים סיבית בדיקה אחת לכל תו‬ ‫משודר, הסיבית שמוספים: 1 או 0. ביעד המחשב מבצע‬ ‫פונקצית בדיקה לנתונים וסיבית הבקרה ולפי זה מגלה אם‬ ‫נפלה שגיאה.‬ ‫בזוגיות זוגית: השלמת מספר ה- 1 למספר זוגי.‬ ‫בזוגיות אי זוגית: השלמת מספר ה- 1 למספר אי זוגי.‬ ‫למשל: אם המידע המשודר הוא: 10011001 אז בזוגיות זוגית‬ ‫מוסיפים את הספר 0 ) מספר ה-1 זוגי ואין צורך להוסיף 1(‬ ‫בזוגיות אי זוגית מוסיפים 1.‬ ‫זוגיות זוגית חבילת המידע המשודרת: 010011001‬ ‫1 10011001‬ ‫זוגיות אי זוגית:‬ ‫82‬ ‫1.‬ ‫היתרונות והחסרונות של שיטת‬ ‫הזוגיות‬ ‫יתרונות:‬ ‫שיטה פשוטה וקלה.‬ ‫1‬ ‫התקורה )בזבוז( שלה מזערית, סיבית לכל מסגרת‬ ‫מסגרת‬ ‫מידע.‬ ‫1מסגרת‬ ‫−‬ ‫נצילות הקוד של שיטה זו גבוה יחסית מסגרת‬ ‫חסרון:‬ ‫השיטה מגלה רק שיבושים הגורמים למספר אי זוגי‬ ‫של שגיאות!!‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫92‬ ‫גילוי ותיקון שגיאות‬ ‫זוגיות אופקית ואנכית:‬ ‫בשיטת הזוגיות האופקית והאנכית מארגנים כל‬ ‫מסגרות השידור כמערך דו-מימדי של סיביות , לכך‬ ‫שורה מוסיפים כרגיל, סיבית זוגיות אחת, ובנוסף‬ ‫מוסיפים סיבית זוגיות אנכית לכל עמודה במערך ,‬ ‫למשל:‬ ‫2.‬ ‫03‬ ‫היתרונות והחסרונות של שיטת‬ ‫הזוגיות האופקית והאנכית‬ ‫יתרון: גילוי את רוב הצירופים של השגיאות, דוגמה‬ ‫לצירוף שלא מתגלה:‬ ‫‪‬‬ ‫חסרון נוסף הוא מספר סיביות הבדיקה הגבוה‬ ‫)תקורה(.‬ ‫‪‬‬ ‫13‬ ‫גילוי ותיקון שגיאות‬ ‫שיטת ‪CRC‬‬ ‫בשיטה זו סיביות הבדיקה מתקבלות מתוך סיביות‬ ‫המידע, על ידי חישוב של פונקציה מתמטית מסובכת‬ ‫יותר. פונקציה זו מבטיחה הסתברות גבוהה יותר‬ ‫לגילוי שגיאות.‬ ‫ התקנים הבינלאומיים המקובלים הם‬‫21 ( : 61-‪CRC-12 , CRC‬סיביות בדיקה, 61 סיביות‬ ‫בדיקה(‬ ‫ שיטה זו מבטיחה גילוי כל שגיאה, שתי שגיאות, כל‬‫מספר אי זוגי של שגיאות, כל השגיאות באורך עד‬ ‫61, %799.99 שגיאות בארוך 71, %899.99 שגיאות‬ ‫באורך 81 ומעלה.‬ ‫1.‬ ‫23‬ ‫היתרונות והחסרונות של‬ ‫שיטת ‪CRC‬‬ ‫יתרון: מספר קטן יחסית של סיביות בדיקה.‬ ‫גילוי את רוב השגיאות בהסתברות %799.99‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫33‬ ‫חסמים על קצב השידור‬ ‫קצב העברת הנתונים שנקרא גם קצב השידור או קיבולת,‬ ‫הוא פרמטר מרכזי של ערוץ התקשורת.‬ ‫ככל שקצב זה גבוה יותר , כך גדלה התועלת המופקת‬ ‫מהערוץ. ברור שנשאף להגדיל את קצב העברת הנתונים‬ ‫ככל האפשר, אולם לכל ערוץ יש מגבלות פיזיקאליות.‬ ‫הקצב המרבי שאליו אפשר להגיע נקרא החסם התיאורטי‬ ‫של קצב העברת הנתונים.‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫43‬ ‫כיצד לחשב את החסם‬ ‫התיאורטי?‬ ‫על ידי השימוש בנוסחת ניקוויסט:‬ ‫‪‬‬ ‫‪c ≤ 2 w ⋅ log 2 L‬‬ ‫‪ -C‬קצב העברת נתונים בסל"ש‬ ‫‪ – L‬מספר הרמות.‬ ‫‪ - D‬מהירות האיתות.‬ ‫‪ – W‬רוחב הפס של הערוץ‬ ‫נוסחת שנון:‬ ‫‪‬‬ ‫‪s‬‬ ‫‪ - C‬קיבולת הערוץ בסל"ש) + 1( 2 ‪c = w ⋅ log‬‬ ‫הפס‬ ‫‪ – -W‬רוחב האות של הערוץ ‪n‬‬ ‫‪ S‬עוצמת‬ ‫‪ -N‬עוצמת רעש.‬ ‫53‬ ‫דוגמה לשימוש בנוסחאות:‬ ‫נתון ערוץ שרוחב הפס שלו ‪ 10KHz‬ומשתמשים בו בשיטת‬ ‫קידוד בעלת 8 רמות מתח, האם ייתכן תיאורטית, לשדר‬ ‫בערוץ זה בקצב ‪ 50K‬סל"ש?‬ ‫פתרון:‬ ‫התשובה כן. לפי נוסחת ניקויסט החסם התיאורטי הוא:‬ ‫‪‬‬ ‫‪c = 2 ⋅10 K ⋅ log 2 8 = 60 Kbps‬‬ ‫63‬ ‫דוגמה 2‬ ‫מהו קצב השידור המרבי בקו טלפון שרוחב הפס‬ ‫שלו ‪ 3100Hz‬ויחס האות לרעש בו 1:5904 ؟‬ ‫תשובה לפי נוסחת שנון:‬ ‫‪‬‬ ‫6904 2 ‪c = 3100 ⋅ log‬‬ ‫21⋅ 0013 =‬ ‫‪= 37200bps‬‬ ‫73‬ :‫להזכירכם‬ log10 m log n m = log10 n log10 1024 log 2 1024 = log10 2 :‫דוגמה‬ 38 :‫להזכירכם‬ log a b = x → a = b x log 3 27 = x → 3 = 27 x 39 ...
View Full Document

This note was uploaded on 01/10/2010 for the course CS 463 taught by Professor Can'tsay during the Spring '09 term at Haaga - Helia University of Applied Sciences.

Ask a homework question - tutors are online