Transmisja sygnałów i media transmisyjne

Głównym celem przedmiotu jest zaznajomienie studentów (studentek) z podstawami transmisji sygnałów w mediach transmisyjnych oraz z podstawami współczesnej telekomunikacji cyfrowej. Student(ka) po ukończeniu kursu będzie posiadać wiedzę niezbędną do rozumienia zagadnień związanych z podstawami transmisji cyfrowej: informacją, kodowaniem informacji, modulacjami cyfrowymi, ograniczeniami transmisji w kanale transmisyjnym, wykrywaniem i korekcją błędnie odebranych bitów. Istotnym komponentem przedmiotu jest zaznajomienie studentów (studentek) z podstawowymi własnościami wykorzystywanych w transmisji mediów transmisyjnych, tj. transmisją radiową, światłowodową, oraz transmisją w mediach kablowych miedzianych. Studenci zostaną również zaznajomieni z zagadnieniami związanymi z bezpieczeństwem informacji na poziomie warstwy fizycznej.

Treść wykładu

1. Kodowanie źródłowe. Pojęcia entropii, informacji i kanału transmisyjnego. Kanał bez pamięci. Informacja wzajemna. Twierdzenie Shannona. (2 godz.)
2. Sygnał jako nośnik informacji w postaci cyfrowej. Modulacje cyfrowe w paśmie podstawowym (kody transmisyjne) oraz poza pasmem podstawowym. Kluczowanie amplitudy, fazy i częstotliwości. Kwadraturowa modulacja amplitudy. Ortogonalne zwielokrotnienie wielu podnośnych. Twierdzenie Nyquista o transmisji bez interferencji międzysymbolowej. (2 godz.)
3. Odbiór optymalny, odbiornik korelacyjny, pojęcie SNR i bitowej stopy błędu, oraz wzajemna zależność pomiędzy nimi. (2 godz.)
4. Kodowanie korekcyjne. Kody blokowe, cykliczne, splotowe, BCH, Reeda-Solomona. Zysk kodowania. Modulacja Kodowana kratowo. Dekoder Vitterbiego. Przeplot. (2 godz)
5. Transmisja w kanale radiowym. Pojęcia zysku i apertury anteny. Równanie transmisyjne Friisa. Szum w torze radiowym. Bilans mocy. Odbiornik superheterodynowy. (2 godz.)
6. Rodzaje kanałów radiowych. Kanał w wolnej przestrzeni, strefy Fresnela, kanał wielodrogowy, efekt Dopplera. Rozmycie sygnału w czasie i w częstotliwości. Zaniki wolne i szybkie oraz płaskie i selektywne. (2 godz.)
7. Rodzaje anten i ich własności. Anteny dipolowe, aperturowe oraz szyki antenowe. (2 godz.)
8. Transmisja sygnału w linii długiej. Równania telegrafistów. Stała propagacji linii i impedancja charakterystyczna. Odbicie sygnału w linii. (2 godz.)
9. Rodzaje mediów miedzianych i ich charakterystyka. Optymalne wykorzystanie pasma dostępnego w kanale na przykładzie systemów xDSL. Korekcja cyfrowa sygnału. (2 godz.)
10. Prowadzenie światła w falowodzie optycznym. Podejście optyki geometrycznej. Mody światłowodu. (2 godz.)
11. Tłumienie sygnału w światłowodzie. Dyspersja w światłowodach i rodzaje dyspersji. (2 godz.)
12. Źródła światła z modulacją bezpośrednią i zewnętrzną. Laser oraz dioda półprzewodnikowa. Wzmacniacz optyczny światłowodowy oraz półprzewodnikowy. (2 godz.)
13. Odbiorniki: fotodioda p-i-n oraz lawinowa. Szum w odbiorniku światłowodowym. (2 godz.)
14. Światłowodowe systemy transmisyjne. (2 godz.)
15. Bezpieczeństwo w mediach transmisyjnych. (2 godz.)

Zakres laboratorium

Zajęcia laboratoryjne będą stanowiły praktyczną ilustrację do zagadnień poruszanych na wykładzie. W zależności od ćwiczenia, będą się one odbywały z wykorzystaniem:

• oprogramowania napisanego przez prowadzących w języku Matlab,
• oprogramowania PHOTOSS do symulacji światłowodowych systemów transmisyjnych,
• kabli koncentrycznych, elementów RLC oraz generatorów sygnałowych i oscyloskopu,
• nadajników i odbiorników radiowych z wykorzystaniem modułów radia programowalnego,
• układów do transmisji w światłowodzie.

Laboratorium podzielono na 6 ćwiczeń:

1. Badanie własności miedzianych mediów transmisyjnych. Zjawiska zachodzące w czasie transmisji sygnałów impulsowych w linii długiej, przy różnych warunkach dopasowania/niedopasowania na obu końcach badanej linii. Badane są przebiegi przy dwóch rodzajach pobudzania linii: krótkim impulsem prądu i skokiem prądu dla fali prostokątnej. Medium badanym są: linia współosiowa 50 i 75 ohm.
2. Badanie sprawności kodów korekcyjnych FEC (forward error correction). Zysk kodowania kodów splotowych, cyklicznych oraz Reeda-Solomona w zależności od sprawności.
3. Badanie kodowania źródłowego. Kodowanie bezstratne obrazów. Rodzaje redundancji. Kodowanie różnicowe, entropia. Kwantyzacja obrazów. Zasada działania Kodowania transformacyjnego obrazów. Transformacja DCT. Obserwacja upakowania energii. Alokacja bitów do kwantyzerów w koderze transformacyjnym.
4. Badanie modulacji cyfrowych w kanale radiowym. Na laboratorium studencie badają widmo i obwiednię modulacji cyfrowych: PSK, QAM, OQPSK, OFDM i przeprowadzają eksperyment transmisyjny.
5. Badanie światłowodowego systemu transmisyjnego z kluczowaniem on/off. Pomiar tłumienia, dyspersji, SNR, diagramu oka, bitowej stopy błędu.
6. Badanie transmisji w światłowodzie wielomodowym. Pomiar dyspersji modowej. Charakteryzacja źródeł światła oraz fotodiody.

Sprawdzanie założonych efektów kształcenia realizowane jest przez:

• ocenę wiedzy i umiejętności związanych ze zrozumieniem wykładu przez rozwiązanie zadań na dwóch kolokwiach w trakcie semestru,
• weryfikację wiedzy teoretycznej na praktycznych zajęciach laboratoryjnych: sprawdzenie czy student(ka) wyciąga prawidłowe wnioski z obserwowanych eksperymentów.