Компютърни и комуникационни системи (ККС)

Пълен учебен документ за подготовка за теста — съставен 100% по записите от дъските и аудио транскрипциите на гл. ас. Красен Ангелов

Регламент за контролното (от последната лекция):

1. Комуникационни системи — Аналогова и Цифрова

Изисква се ЧЕРТАНЕ на една от двете схеми

Основна концепция (от лекцията): Комуникационните системи предават информация от източник до получател през комуникационен канал. При преминаване през канала се наслагват шум и смущения (водещи до затихване и изкривяване на сигнала).

1.1. Блок-схема на АНАЛОГОВА комуникационна система (от дъската)

Аналогов входен сигнал Modulator M U X Channel Noise (затихване, изкривяване) D E M U X Demodulator Аналогов изходен сигнал
Фиг. 1.1: Блок-схема на аналогова комуникационна система (точно възпроизведена от дъската)

1.2. Блок-схема на ЦИФРОВА комуникационна система (от дъската)

Аналогов входен сигнал A/D АЦП Цифров входен сигнал Кодиране и компресиране на източника Кодиране на канала М У Л Т. Модулатор Ком. канал за връзка Шум, смущения Демодулатор Д Е М У Л Т. Декодиране на канала Декодиране на източника Цифров изходен сигнал ЦАП D/A Аналогов изходен сигнал
Фиг. 1.2: Блок-схема на цифрова комуникационна система (точно възпроизведена от дъската)

Роля на блоковете в предавателната част:

  • АЦП (A/D): Преобразува аналоговия входен сигнал в цифров входен сигнал.
  • Кодиране и компресиране на източника: Отстранява излишъка от информация (компресия) и представя данните в двоичен вид.
  • Кодиране на канала (шумоустойчиво кодиране): Въвежда контролиран излишък (контролни битове) за откриване и коригиране на грешки от канала.
  • Мултиплексор (MUX / Мулт.): Обединява няколко информационни потока за предаване по общ физически канал.
  • Модулатор: Пренася сигнала върху високочестотен носещ сигнал, подходящ за преносната среда.

Роля на блоковете в приемната част:

  • Демодулатор: Извлича модулиращия сигнал от високочестотната носеща.
  • Демултиплексор (DEMUX / Демулт.): Разделя груповия сигнал обратно на отделни канали.
  • Декодиране на канала: Открива и/или коригира възникналите в канала грешки.
  • Декодиране на източника: Възстановява оригиналния цифров поток след компресията.
  • ЦАП (D/A): Преобразува цифровия изходен сигнал обратно в аналогов изходен сигнал.

2. Шумоустойчиви кодери — Класификация и Режими на работа

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ (без чертане на дървото)
Точен запис от дъската:
Предназначение: Предназначени са за коригиране на грешки при предаване на цифрова информация в преносна среда с шумове.
а) Блокови кодери: дефинират се като устройства без памет; при подадени $k$ входни бита на изхода на кодера се получават $n$ бита.
б) Конволюционни (дървовидни): разглеждат се като устройства с памет. Тук изходните $n$ бита зависят от предходните $m$ бита, като $m$ се дефинира като „памет на кодера“.

2.1. Пълна класификация на шумоустойчивите кодери (списъчно и визуално от дъската)

Шумоустойчиви кодери Блокови Непрекъснати Рекурентни Конволюционни Разделими Неразделими С постоянно тегло Кодери на Плоткин Каскадни Линейни Нелинейни Кодове на Хеминг Циклични Кодове на Рид-Соломон Кодове на Файър Итерационни С контролно сумиране
Фиг. 2.1: Класификация на шумоустойчивите кодери (за визуална памет; на теста само се изброяват!)

2.2. Режими на работа на шумоустойчивите кодери (от дъската)

При код с кодово разстояние $d_0$ (минималното разстояние на Хеминг между две кодови комбинации):

3. Цифрови филтри — Схема, Параметри и Спецификации

ЧЕРТАНЕ на графиките + ИЗБРОЯВАНЕ на параметрите

4.1. Функционална схема — градивни елементи:

  • Суматор ($\oplus$)
  • Закъснително звено ($z^{-1}$)
  • Умножител ($a$)

Изходният сигнал се описва с: $y[n] = x[n] + a \cdot y[n-1]$ (рекурсивен цифров филтър от първи ред).

4.2. Основни параметри на цифровите филтри (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

  1. Ред на филтъра (определя броя на закъснителните звена и стръмността на характеристиката);
  2. Тип на филтъра:
    • НЧФ (нискочестотен филтър)
    • ВЧФ (високочестотен филтър)
    • ЛФ (лентов филтър)
    • РФ (режекторен филтър)
  3. Честота на дискретизация;
  4. Гранични честоти в лентата на пропускане / задържане;
  5. Пулсации (неравномерности в лентата на пропускане и задържане);
  6. Затихване.

Функционална схема и детайлна АЧХ на НЧФ (от дъската)

4.1. Функционална схема x[n] + y[n] z⁻¹ a АЧХ на НЧФ (с ленти и пулсации) пропускане задържане АЧХ на НЧФ
Фиг. 3.1: Функционална схема на цифров филтър и реална АЧХ на НЧФ с пулсации (от дъската)

4.3. Спецификации на цифровите филтри — 4-те графики (ЗА ЧЕРТАНЕ НА ТЕСТА!)

Важно при чертане на теста: Ординатата (вертикалната ос) винаги се надписва „преминал сигнал, dB“, а абсцисата (хоризонталната ос) — „$f$“ (честота).

преминал сигнал, dB „НЧФ“ f преминал сигнал, dB „ВЧФ“ f преминал сигнал, dB „ЛФ“ f преминал сигнал, dB „РФ“ f
Фиг. 3.2: 4.3. Спецификации на цифровите филтри — НЧФ, ВЧФ, ЛФ, РФ (точно както се изискват за чертане на теста)

4. Амплитудна и честотна аналогова модулация (Точка 5.2 от дъската)

Допълнителна тема от дъските

Общ принцип (от дъската): Информацията за амплитудата на сигнала в основната лента се съдържа в амплитудата, честотата или фазата на модулирания сигнал.

а) Амплитудна аналогова модулация (АМ)

  • Притежава най-тясната честотна лента, но може значително да се влияе от външни смущения.
  • Дефинира се като най-слабо защитения вид модулация.
  • Основна метрологична характеристика, която се въвежда, е „$m$ — дълбочина на модулацията“ ($0.5$ — оптимална стойност, т.е. 50%).

б) Честотна аналогова модулация (ЧМ / FM)

  • Информацията за амплитудата на сигнала в основната лента се съдържа в честотата на модулирания сигнал.
  • Притежава по-широка честотна лента, която има възможност за ограничаване.
  • Осигурява по-високо качество на сигнала при относително прости приемници и ефективно използване на мощността на предавателите.
  • При тясна честотна лента ($B \ll f_m$): измерва се разстоянието между спектралните съставящи $f_m$.
  • При широка честотна лента ($B \gg f_m$): измерва се честотната девиация $\Delta f_{peak}$ (размах $2\Delta f_{peak}$).

5. Ресурсни брокери (РБ)

Изисква се ДЕФИНИЦИЯ (3–4 изречения)
Готова дефиниция за контролното (1:1 от дъската — точно 4 изречения):
1. Ресурсните брокери проследяват заетостта и натоварването на отделните системни ресурси.
2. При възникване на заявка със задача (задачи) от страна на конкретно приложение, ресурсният брокер извършва филтриране и ранкиране чрез услугата „Информационно обслужване“.
3. Извършва предоставяне на свободни и подходящи ресурси за изпълнение на заявените задачи.
4. Провежда се сравнителен анализ между присвоените ресурси и капацитета на наличните свободни физически ресурси на системата.

Визуална справка: 1. Функционална архитектура и 2. Блок-схема на алгоритъма на РБ (от дъската)

1. Функционална архитектура Приложение Филтриране на ресурси Търсене на ресурси Ранкиране на ресурсите Съвпадение Информ. обслужване 2. Блок-схема на алгоритъма на РБ Приложение Анализ на сорс кода Междинен слой на приложението Определяне на необходимите ресурси Информационни услуги Ресурсен брокер списък на налични ресурси заявка за ресурси Системен монитор обратна връзка промяна на наличните ресурси Списък с подходящи ресурси подходящи ресурси обратна връзка
Фиг. 5.1: Функционална архитектура и блок-схема на алгоритъма на Ресурсен Брокер (от дъската)

6. Машинни инструкции — Понятие и Функционални групи

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ на функционалните групи

1. Понятие и структура на машинна инструкция (от дъската)

0110 код на операцията 00001 адрес на операнд 1 0010 адрес на операнд 2 000000101011110 адрес на резултата
Функционални групи инструкции (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА — всичките 9 от дъската):
  1. Инструкции за трансфер на данни;
  2. Инструкции за управление на системата;
  3. Инструкции за предаване на управлението;
  4. Инструкции за аритметична обработка;
  5. Инструкции за логическа обработка;
  6. Инструкции за символна обработка;
  7. Инструкции за условен преход;
  8. Инструкции за безусловен преход;
  9. Инструкции за вход и изход.

7. Паралелни архитектури (Класификация на Флин, VLIW, CISC/RISC, Изпълнение)

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ / Класификация

7.1. Архитектури, основани на ниво паралелизъм в ДАННИТЕ (Класификация на Флин)

а) SISD (Single Instruction Single Data system)

Подходящи са за опериране с единична инструкция при единичен информационен поток. Всички инструкции и данни се съхраняват в първичната памет. Характеризират се с ниско бързодействие.

б) MISD (Multiple Instruction Single Data system)

Подходящи са за изпълнение на различни инструкции на различни PEs (процесорен елемент — най-малката хардуерна единица в паралелната архитектура, извършваща аритметични и логически операции) върху един поток от данни.

в) SIMD (Single Instruction Multiple Data)

Оперира се с единична инструкция при множество информационни потоци. Подходящи са за приложения с научна насоченост, където е налице необходимост от векторни и матрични изчисления.

г) MIMD (Multiple Instruction Multiple Data system)

Подходящи са при опериране с множество инструкции и множество информационни потоци. Разделят се на два подкласа:

  • shared-memory MIMD (със споделена памет);
  • distributed-memory MIMD (с разпределена памет).
а) SISD Instruction pool Data pool PROCESSOR б) MISD Instruction pool Data pool PROCESSOR PROCESSOR в) SIMD Instruction pool Data pool PROCESSOR PROCESSOR PROCESSOR PROCESSOR г) MIMD Instruction pool Data pool PROCESSOR PROCESSOR PROCESSOR PROCESSOR PROCESSOR PROCESSOR
Фиг. 7.1: Схеми на SISD, MISD, SIMD и MIMD по класификацията на Флин (от дъската)

7.2. Архитектури на основата на паралелизъм в ИЗПЪЛНЕНИЕТО (Точка 5 от дъската — ЗА ИЗБРОЯВАНЕ!)

Точен списък от дъската:
  • а) Многоядрени пресмятания
  • б) Симетрични мултипроцесорни изчисления (SMP)
  • в) Разпределени изчисления:
    • Клъстерни изчисления;
    • Масивно паралелни изчисления (MPP);
    • Грид изчисления (Grid computing).
  • г) Специализирани паралелни компютри:
    • Векторни процесори;
    • Изчисления върху GPU (Graphics Processing Units).

7.3. Паралелни архитектури VLIW (Very Long Instruction Word) (Точка 3 от дъската)

7.4. Сравнителна таблица: CISC, RISC и VLIW архитектури (Точка 4 от дъската)

Характеристика CISC (Complex Instruction Set Computing) RISC (Reduced Instruction Set Computing) VLIW (Very Long Instruction Word)
Дължина на инструкцията Променлива (от 16 до 64 бита) Еднаква (фиксирана, обикновено 32 бита) Еднаква
Формат на инструкцията Разположението на полетата се променя Регулярно, разположението на полетата не се променя Регулярно, разположението на полетата не се променя
Семантика на инструкцията Променя се от проста до сложна (многоетапни операции на ниско ниво: четене, запис, аритм. опер.; 120 до 350+ инструкции) Само една операция (опростен набор до 100 инструкции, изпълнявани в 1 тактов цикъл) Множество прости независими операции в един пакет
Регистри Малко (ограничен брой от 32 до 64), понякога специализирани Много, универсални (за бърз достъп до паметта) Много, универсални (общ регистров файл)
Достъп до паметта Обвързан с операции на различни типове инструкции (4 до 16 режима на адресиране) Не са обвързани с операции, LOAD / STORE архитектури Не са обвързани с операции, LOAD / STORE архитектури
Акцент при проектирането на хардуера Използване на микрокодирани имплементации Имплементации с един конвейер и без микрокод Имплементации с множество конвейери, без микрокод, без сложна логика

8. Електромагнитна интерференция — EMI излъчване

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ (Източници, Смущавани у-ва, Ефекти)

Механизъм на възникване (от дъската): Между EMI източника и смущаваното устройство възниква взаимодействие по два начина:

1. EMI източници (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

  • Синтезатори;
  • Осцилатори;
  • Управляеми превключватели;
  • Цифрови ключове и др.

2. Смущавани системи (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

  • Компютърни системи;
  • Телефонни системи;
  • Защитни системи;
  • Цифрови процесори и др.

3. Типове негативни ефекти (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

Върху хардуера и елементите:

  • Паразитни линии по платките;
  • Дефектиране на индуктивни и капацитивни елементи;
  • Пробив в корпуса;
  • Частично или пълно дефектиране на заземявания и др.

Върху приемания сигнал:

  • Интерференция;
  • Затихване;
  • Деградиране на спектъра на сигнала и др.

2. Пътища на проникване на EMI в приемника (от дъската)

Екраниран проводник при падащо лъчение падащо лъчение (външен екраниращ проводник) вътрешен проводник Z₁ Z₂ Z₁ Z₂ 2. Пътища на проникване на EMI Антена „директен път“ (ограничаване чрез филтри и съгласуващи звена) Приемник „индиректен път — Ep, Hp“ Пробив в корпуса Захранване „индиректен път — нестабилности и пулсации“ Интерфейс „индиректен път — вътрешни паразитни връзки (Ip, Up)“
Фиг. 8.1: Пътища на проникване на EMI (директен и индиректни пътища) — точно по схемата от дъската

3. Класификация на EMI (Точки 3.1 и 3.2 от дъската)

3.1. От гледна точка на начина на въздействие върху приемника:

  • Източници на теснолентови емисии;
  • Източници на широколентови емисии;
  • Източници на пулсиращи моментни емисии.

3.2. От гледна точка на физическата причина за възникване:

  • Предаватели с кратни и огледални честоти;
  • Неправилно модулирани източници (сигнали);
  • Електрически мотори и прекъсвачи;
  • Атмосферни и климатични явления;
  • Електрически силови линии на промишлена честота и трансформатори и др.