Week 6 : week 6 : Physical Layer cont.

Digital subscriber line

ADSL (Asymmetrical DSL)

• ADSL จะคล้ายกับโมเด็ม 56K คือ อัตราเร็วที่ใช้ในการส่งข้อมูลออกไปยังอินเทอร์เน็ตจะมีอัตราเร็วที่ใช้ในการส่งข้อมูลออกไปยังอินเทอร์เน็ต (upstream) จะมีค่าน้อยกว่าอัตราเร็วของการส่งข้อมูลจากอินเทอร์เน็ต (downstream) มายังผู้ใช้ ซึ่งไม่เหมาะสมกับลูกค้าระดับองค์กรที่ต้องการทั้งการส่งและการรับข้อมูลด้วยความเร็วสูง
• สาเหตุที่ADSL มีอัตราเร็วที่สูงกว่าการใช้โมเด็ม เพราะระบบโทรศัพท์นั้นได้มีการใช้ตัวกรองสัญญาณ (filter) เพื่อที่จะจำกัดแบนด์วิดธ์ของผู้ใช้แต่ละรายให้อยู่ที่ 4 KHz ทั้งๆที่สายโทรศัพท์มีแบนด์วิดธ์ที่กว้างถึง 1.1 MHz ดังนั้นถ้าตัดตัวกรองสัญญาณออกไปแล้ว จะทำให้การส่งข้อมูลสามารถใช้แบนด์วิดธ์ของสายได้อย่างเต็มที่ ในการใช้งานจริงยังมีอีกหลายปัจจัยที่จะทำให้แบนด์วิดธ์มีค่าน้อยกว่า 1.1 MHz เช่น ระยะทางจากบ้านไปยังชุมสายโทรศัพท์ ขนาดของสาย สัญญาณที่ส่ง เป็นต้น ดั้งนั้น ADSL จึงไม่ได้กำหนดตายตัวว่าผู้ใช้จะมีอัตราเร็วในการรับส่งข้อมูลเท่าใด เนื่องจากจะต้องมีการทดสอบผลกระทบต่าง ๆ เสียก่อน แล้วจึงจะทำการกำหนดอัตราเร็วในการรับส่งข้อมูลให้กับผู้ใช้ตอนติดตั้งระบบ

DMT (Discrete multitone technique)

• เทคโนโลยี ADSL จะใช้เทคนิคการมอดูเลชันแบบ DTM ซึ่ง DTM เกิดจากการรวมกันของเทคนิค QAM (quadrature amplitude modulation) และ FDM (Frequency-division multiplexing) โดยเมื่อสายมีแบนด์วิดธ์ 1.104 MHz จะทำการแบ่งออกเป็นช่องสัญญาณสื่อสารได้ 256 ช่อง แต่ละช่องจะมีแบนด์วิดธ์ 4.312 KHz

ADSL modem

• ADSL ตามบ้านเรือนของผู้ใช้ จะเชื่อมโยงกับชุมสายโทรศัพท์ที่ใกล้ที่สุด ซึ่งเราเรียกกันโดยทั่วไปว่า โลคอลลูป(Local loop) โลคอนลูปจะเชื่อมต่อกับตัวกรองสัญญาณซึ่งจะทำหน้าที่แยกสัญญาณเสียงและสัญญาณข้อมูล ส่วนโมเด็ม ADSL จะใช้หลักในการมอดูเลชันแบบ DMT เพื่อสร้างช่องสื่อสารสัญญาณสำหรับการส่งข้อมูลออกไปและรับข้อมูลเข้ามา

DSLAM (Digital subcriber line access multiplexer)

• นอกจากโมเด็ม ADSL ที่ต้องติดตั้งตามบ้านของผู้ใช้แล้ว ที่ชุมสายโทรศัพท์จะต้องติดตั้งอุปกรณ์ที่มีลักษณะการทำงานที่คล้ายกับโมเด็ม ADSL ซึ่งเรียกกันว่า DSLAM อุปกรณ์นี้จะทำหน้าที่ส่งข้อมูลที่ได้รับมาออกไปยังอินเทอร์เน็ตต่อไป

Multiplexing

• Multiplexing เป็นเทคนิคที่ใช้ในการรวมสัญญาณหลาย ๆ สัญญาณเข้าด้วยกันและส่งออกไปพร้อมกันภายในเส้นทางที่ใช้ในการสื่อสารเพียงเส้นทางเดียว

FDM (Frequency-division multiplexing)

• FDM การผสมสัญญาณโดยแบ่งความถี่ เป็นการรวมสัญญาณอะนาล็อกจากหลายๆที่เข้าด้วยกัน แล้วส่งไปทางเดียวกัน โดยที่แบนด์วิดธ์ของเส้นทางที่ใช้ในการสื่อสารนั้นจะต้องกว่างพอ ซึ่งต้องมากกว่าแบนด์วิดธ์ของทุกสัญญาณที่นำมารวมกัน สัญญาณอะนาล็อกที่ถูกส่งมาจากแต่ละอุปกรณ์นั้น จะต้องผ่าย Modulator โดยที่ Modulatr แต่ละตัวนั้น จะมีคลื่นพาห์ (Carrier) ที่มีความถี่ที่แตกต่างกัน จะทำหน้าที่ในการกล้ำสัญญาณ (Modulate) จากอุปกรณ์เข้ากับคลื่นพาห์
  Minimum bandwidth of the link = Channel x Bandwidth(KHz) + Guard band x KHz for Guard band

WDM (Wave-division multiplexing)

• WDM การผสมสัญญาณโดยแบ่งความยาวคลื่น ได้ถูกออกแบบให้ใช้กับสายไฟเบอร์ออปติกจะมีแบนด์วิดธ์ที่กว้างมากและมีอัตราการส่งข้อมูลที่สูง WDMจะมีหลักการเหมือนกับFDM แตกต่างกันที่ WDM นั้นจะใช้แสงเป็นตัวนำส่งสัญญาณ ดังนั้นในวิธีการผสมสัญญาณ (Multiplexing) และการแยกสัญญาณ(Demultiplexing)จึงแตกต่างกัน

TDM (Time-division multiplexing)

• TDM เป็นเทคนิคที่ใช้กับสัญญาณดิจิตอล โดยจะทำการแบ่งเวลาในการส่งข้อมูลให้กับอุปกรณ์ ตามลำดับ เมื่อครบทุกเครื่องแล้วก็จะวนกลับไปที่เครื่องเริ่มต้น และเรียงตามลำดับจนถึงเครื่องสุดท้ายเพื่อทำการส่งข้อมูลอีกครั้ง ข้อมูลที่ถูกส่งมากจากทุกเครือ่งจะถูกนำมารวมกันเป็นเฟรม (Frame) และช่วงเวลาที่แบ่งให้กับแต่ละเครื่องเรียกว่า ช่องเวลา (Time slot)

STDM (Statistical time-division multiplexing)

• STDM ใน synchronous จะมี slot เท่ากันทุกตัวและจะสร้าง slot ตามความต้องการของข้อมูล จะมีMultiplexing คอยตรวจสอบข้อมูลใน line และส่งข้อมูลจน frame เต็ม จะมีอัตรการข้อมูลที่ส่งต่ำกว่าอุปกรณ์ที่จะส่ง

IMUX (Inverse Multiplexing)

• IMUX เป็นวิธีการส่งสัญญาณจากสื่อที่มีความเร็วสูง แยกลงสื่อที่มีความเร็วต่ำกว่าหลายๆเส้น
  

Week 5 : Physical Layer(2) & Error Detection and Correction

Physical Layer (2)

Noiselless Channel : Nyquist Bit Rate

เป็นการคำนวณอัตราการส่งบิตโดยที่ช่องสื่อสารไม่มีสัญญาณรบกวน ซึ่งเรียกได้ว่าเป็นอัตราเร็วสูงสุดของการส่งข้อมูล ใช้สมการดังนี้
- Bitrate = 2*bandwidth *log2L
bandwidth หมายถึง bandwidthของช่องสื่อสาร
L หมายถึง จำนวนระดับของสัญญาณที่ใช้แทนข้อมูล

Noisy Channel : Shannon Capacity

ในความเป็นจริงแล้วมันเป็นไปไม่ได้ที่ช่องสื่อสารจะไม่มีสัญญาณรบกวนเลย จึงพัฒนาสมการใหม่สามารถคำนวณหาอัตราการส่งบิตข้อมูลภายในช่องสื่อสารที่มีสัญญาณรบกวน
- Capacity = bandwidth * log2(1+SNR)
Capacity เป็นความสามารถของการส่งข้อมูลภายในช่องสื่อสารที่มีสัญญาณรบกวน
bandwidth หมายถึง bandwidth ของช่องสื่อสาร
SNR (Signal-to-noise ratio) เป็นอัตราส่วนระหว่างพลังงานของสัญญาณที่ใช้ในการส่งข้อมูลพลังงานของสัญญาณรบกวน

Error Detection and CorrectionNetwork
- Network errors
- Human errors

Categories of Network Errors
- Corrupted (data changed)
- Lost data

Type of Error
- Single-Bit Error
- Burst error

Major functions
- Preventing errors
- Detecting errors
- Correcting errors

Differential Manchester

คือ จะมีการเปลี่ยนสัญญาณช่วงตรงกลางบิตข้อมูล แต่จะแตกต่างจากวิธี manchester ตรงที่วิธีการแบบนี้จะไม่สนใจว่าแรงดันไฟฟ้าจะเป็นบวกหรือลบ การเปลี่ยนสัญญาณจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อบิตมีค่าเป็น "0" เท่านั้น ถ้าบิตข้อมูลมีค่าเป็น "1" ไม่ต้องมีการเปลี่ยนแปลงสัญญาณ

Pulse Amplitude Modulation (PAM)

วิธีการหนึ่งที่ใช้สำหรับแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล คือ pulse amplitude modulation (PAM) ซึ่งเทคนิคแบบนี้จะทำการสุ่มสัญญาณอะนาล็อกตามช่วงเวลาต่าง ๆ โดยจะแบ่งแต่ละช่วงเวลาของการสุ่มให้เท่าๆ กัน ผลที่ได้จากการสุ่มจะเป็นลักษณะลำดับของ pulse และ ขนาดของ pulse จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับสัญญาณอะนาล็อก ดังนั้น pulse ที่ได้จะแทนถึงสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอลและเป็นพื้นฐานของวิธีแบบ Pulse code modulatio (PCM)

Pulse Code Modulation (PCM)

PAM นั้นยังไม่ได้สร้างเป็นสัญญาณดิจิตอลที่แท้จริง ดังนั้นจึงมีการดัดแปลงPAM ใหม่ โดยเรียกว่า Pulse code modulation (PCM) เพื่อนที่จะให้เป็นการแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอลได้โดยสมบูรณ์
การแปลงสัญญาณแบบ PCM สัญญาณอะนาล็อกจะถูก Quantization หรือ กำหนดค่าตัวเลขให้กับ pulse ตัวเลขที่กำหนดให้กับ pulse นั้นจะได้มาจากขนาดของสัญญาณอะนาล็อกที่ถูกสุ่มสัญญาณ
ขนาดของ pulse ที่ได้จาการสุ่มสัญญาณ จะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของเลขฐานสอง
เมื่อได้กลุ่มตัวเลขที่เป็นบิตของข้อมูลแล้วก็จะสามารถที่จะแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิตอลได้ โดยการใช้เทคนิคของ line coding จะแสดงตัวอย่างของผลที่ได้จาก PCM โดยใช้วิธีการแบบ unipolar ในการแปลงบิตข้อมูลให้เป็นสัญญาณดิจิตอล

วิธีการของ PCM นั้นสรุปกระบวนการทำงานได้ดังนี้
1. PAM
2. Quantization
3. Binary encoding
4. Line coding

Sampling Rate
Highest frequency = x Hz
Sampling rate = 2x samples/s

Transmission Modes

- Parallel mode
เป็นการส่งข้อมูลออกไปพร้อมๆกันได้คราวละหลายบิต ทำให้ส่งขอ้มูลได้เร็ว แต่ค่าใช้จ่ายสูง เพราะจะต้องใช้จำนวนของสายมาก นอกจากนั้นแล้วการส่งข้อมูลภายในสายอาจจะไปถึงปลายทางไม่พร้อมกัน ทำให้เกิดความผิดพลาดของการรับส่งข้อมูลได้

- Serial mode
เป็นการส่งข้อมูลที่ใช้สายส่งเพียงเส้นเดียว บิต่ถูกส่งออกจะเรียงตามลำดับกันไป การติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอกเครื่องคอมพิวเตอร์ต้องใช้การส่งข้อมูลแบบอนุกรมแล้ว จะต้องทำการแปลงข้อมูลจากแบบขนานไปเป็นแบบอนุกรม (Parallel-to-serial) เสียก่อน ส่วนเครื่องคอมพิวเตอร์ฝั่งรับก็จะต้องแปลงข้อมูลแบบอนุกรมจากสายส่งไปแบบขนานด้วย (Serial-to-parallel)

Types of Serial Transmission

- Asynchronous
ส่งข้อมูลครั้งละไบต์ (1 Byte = 8 bit) ในแต่ลไบต์ที่ถูกส่งออกไปจึงต้องมีบิตเริ่มต้น (Start bit) ซึ่งจะกำหนดค่าเป็น "0" และบิตสิ้นสุด (Stop bit) ซึ่งจะกำหนดค่าใหเป็น "1"

- Synchronous
ใช้การนับจำนวนบิตของข้อมูลที่เข้ามาให้ได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ การส่งแบบ Synchronous จะมีความเร็วของการรับส่งข้อมูลได้เร็วกว่าแบบ Asynchronous เนื่องจากไม่ต้องมีบิตพิเศษเพิ่มเติมเข้ามา และไม่มีช่องว่างเกิดขึ้นระหว่างไบต์ของข้อมูลอีกด้วย

- Isochronous

Digital to analog conversion

- Bit rate คือ จำนวนของบิตข้อมูลที่สามารถส่งได้ใน 1 วินาที มีหน่วยเป็น bps

- Baud rate คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงสัญญาณใน 1 วินาที มีหน่วยเป็น baud/s

Amplitude Shift Keying (ASK)

เป็นเทคนิคในการแปลงบิตข้อมูลให้เป็นสัญญาณอะนาล็อก โดยหลักการ Modulat บิตข้อมูลกับสัญญาณคลื่นพาห์แบบ ASK นั้นจะให้ความถี่ และเฟสคงที่ แต่จะให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไปตามบิตข้อมูล

Phase Shift Keying (PSK)

เป็นเทคนิค Modulat บิตข้อมูลกับสัญญาณคลื่นพาห์แบบ PSK นั้นจะให้เฟสของสัญญาณเปลี่ยนแปลงไปตามบิตข้อมูล โดยให้แอมพลิจูด และความถี่คงที่ ดังนั้นเทคนิคแบบ PSK นี้บิตข้อมูลจะเป็นตัวกำหนดว่าจะให้เฟสของสัญญาณมีค่าเท่าไหร่