ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο

2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 2.1 .1α. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο του χρόνου 2.1 .1β. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο της συχνότητας 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων Αναλογικά Δεδομένα – Αναλογικό σήμα Αναλογικά Δεδομένα – Ψηφιακό σήμα Ψηφιακά Δεδομένα – Αναλογικό σήμα Ψηφιακά Δεδομένα – Ψηφιακό σήμα 2.3 Το μοντέλο του επικοινωνιακού συστήματος 2.3.1. Απλουστευμένο μοντέλο συστήματος επικοινωνίας 2.3.1. Αναλυτικό μοντέλο συστήματος επικοινωνίας Περιεχόμενα Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές - Επικοινωνιακά Συστήματα 2.1 .1α. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο του χρόνου 2.1 .1β. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο της συχνότητας 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Επικοινωνιακά Συστήματα Με τη βοήθεια των Επικοινωνιακών συστημάτων μεταδίδονται σε απόσταση οι πληροφορίες (δεδομένα – σήματα) (φωνή, εικόνα, κείμενο) 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα Δεδομένα & Σήματα Τι εννοούμε με τον όρο δεδομένα; Τα δεδομένα είναι οντότητες που μεταφέρουν πληροφορία (π.χ. ήχος & εικόνα) Αναλογικά Σήματα Τι είναι τα σήματα; Τα σήματα είναι ηλεκτρική ή ηλεκτρομαγνητική αναπαράσταση των δεδομένων Ψηφιακά Σήματα 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα Αναλογικά σήματα Τα αναλογικά σήματα (π.χ. η φωνή, το video ) είναι σήματα συνεχή στον χρόνο και έχουν τη μορφή ημιτονοειδούς καμπύλης. Ο ακουστικός ήχος είναι ένα αναλογικό σήμα. Μια νότα είναι ένας απλός ήχος μιας συχνότητας (πχ. 4 KHz) Η ομιλία είναι ένα σύνθετο σήμα 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Αναπαράσταση σημάτων ως προς το χρόνο συνεχή σήματα διακριτά σήματα περιοδικά σήματα μη περιοδικά σήματα 2.1 .1α. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο του χρόνου 10/3/2010

2.1 .1α. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο του χρόνου Σύνθεση Σημάτων Κάθε σήμα προκύπτει από τη σύνθεση σημάτων διαφόρων συχνοτήτων 2.1 .1α. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο του χρόνου 10/3/2010

2.1 .1β. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο της συχνότητας Συχνότητα Σήματος Φάσμα διαπασών Σήμα που περιέχει μόνο μια συχνότητα περιγράφεται στο πεδίο συχνοτήτων , από μία γραμμή σε ένα σημείο στον άξονα των συχνοτήτων 2.1 .1β. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο της συχνότητας 10/3/2010

Φάσμα ανθρώπινης ομιλίας Φάσμα Σήματος Φάσμα ανθρώπινης ομιλίας Στα σήματα που περιέχουν περισσότερες από μία συχνότητες (σε μια περιοχή συχνοτήτων) ορίζεται το φάσμα συχνοτήτων ή αλλιώς το εύρος ζώνης (bandwidth) Στο σήμα ομιλίας, η μεγαλύτερη συσσώρευση γίνεται στις χαμηλές συχνότητες. Γι’ αυτό στις τηλεφωνικές επικοινωνίες περιορίζεται η ζώνη μετάδοσης από 100Hz έως 3400 Hz 2.1 .1β. Αναπαράσταση σημάτων στο πεδίο της συχνότητας 10/3/2010

Ψηφιακή Τεχνολογία Στη φύση όλα τα μεγέθη είναι αναλογικά, π.χ. ο ήχος, το φως, το ηλεκτρικό ρεύμα κλπ. Παίρνουν δηλ. άπειρες τιμές (Πόσοι αριθμοί υπάρχουν ανάμεσα στο 1 και το 2;) Στην Ψηφιακή Τεχνολογία η πληροφορία είναι αποθηκευμένη ψηφιακά. Παίρνει συγκεκριμένες, διακριτές τιμές (αριθμούς) 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα Ψηφιακά σήματα Παίρνουν διακριτές τιμές μέσα στο χρόνο. Το δυαδικό σήμα, έχει δυο καταστάσεις (1 ή 0) και συνήθως αντιστοιχούν σε ηλεκτρικές τάσεις +5 Volt (ένας παλμός) και (0 Volt) (απουσία παλμού) Οι παλμοί έχουν το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα. 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Επικοινωνία Δεδομένων Η επικοινωνία των δεδομένων γίνεται με σήματα που ανταλλάσσονται από τις συσκευές επικοινωνίας Μετάδοση είναι η ανταλλαγή δεδομένων με τη βοήθεια της διάδοσης και επεξεργασίας των σημάτων Τα σήματα μπορεί να είναι Αναλογικά ή Ψηφιακά Το είδος του σήματος που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από τη συσκευή, την υπηρεσία και το μέσο μετάδοσης Έτσι πολλές φορές γίνεται μετατροπή από τη μία μορφή στην άλλη. 01100101 11000101 10101100 1111 01100001 1001 1101 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Ψηφιακές / Αναλογικές πηγές Ψηφιακή Πηγή: Η ψηφιακή πηγή πληροφορίας παράγει πεπερασμένο πλήθος πιθανών μηνυμάτων. Οι ψηφιακές πηγές παράγουν μηνύματα ή σήματα διακριτά και πεπερασμένα π.χ. η γραφομηχανή Αναλογική Πηγή: Η αναλογική πηγή πληροφορίας παράγει μηνύματα, που ανήκουν στο συνεχές πεδίο τιμών (άπειρο πλήθος). Οι αναλογικές πηγές παράγουν μηνύματα ή σήματα συνεχή. π.χ. το μικρόφωνο 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Παραδείγματα πηγών Πληροφορίας 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Πλεονεκτήματα Ψηφιακών Συστημάτων Επικοινωνίας Χρησιμοποιούν σχετικά φθηνά ψηφιακά κυκλώματα Εφαρμόζουν εύκολα τεχνικές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Είναι ασφαλή λόγω της κρυπτογράφησης των δεδομένων Ενοποιούν μέσα από το ίδιο ψηφιακό σύστημα ποικίλο είδος δεδομένων: ήχος, εικόνα, video, κείμενο Η αλλοίωση του σήματος κατά τη μετάδοση αντιμετωπίζεται ευκολότερα με τη χρήση αναγεννητικών σταθμών και κατάλληλης κωδικοποίησης Μειονέκτημα: Τα ψηφιακά σήματα απαιτούν πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης από ότι τα αναλογικά και συγχρονισμό μεταξύ εκπομπής και λήψης Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων Αναλογικά Δεδομένα – Αναλογικό σήμα Αναλογικά Δεδομένα – Ψηφιακό σήμα Ψηφιακά Δεδομένα – Αναλογικό σήμα Ψηφιακά Δεδομένα – Ψηφιακό σήμα 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα Μετάδοση σήματος Για την επικοινωνία, τα μηνύματα πρέπει να μεταφερθούν με τη βοήθεια του μέσου μετάδοσης, από τον πομπό στο δέκτη. Τα μηνύματα μπορούν να μεταφερθούν είτε σαν αναλογικά είτε σαν ψηφιακά σήματα. 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Ανάγκη μετατροπής σημάτων Οι υπολογιστές χειρίζονται δεδομένα που βρίσκονται σε ψηφιακή μορφή (δηλαδή που αναπαρίστανται με ακολουθίες των ψηφίων 0 και 1) Γι’ αυτό υπάρχει η ανάγκη μετατροπής των δεδομένων (ήχου, εικόνας) από αναλογικά σε ψηφιακά για να γίνει η μεταφορά τους ή η επεξεργασία τους Για να παρουσιαστούν στην οθόνη του υπολογιστή πρέπει να μετατραπούν από ψηφιακά σε αναλογικά, χρησιμοποιώντας την αντίστροφη διαδικασία (ψηφιοαναλογική μετατροπή (digital to analog (D/A) conversion). Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

Κωδικοποίηση Δεδομένων Αναλογικά δεδομένα (Σήμα ήχου) Αναλογικά σήματα Αναλογικά σήματα Ψηφιακά δεδομένα (Σήμα Υπολογιστή) Αναλογικά δεδομένα (Σήμα Αναλογικής τηλεφωνικής γραμμής) PCM Ψηφιακά σήματα Ψηφιακά σήματα Ψηφιακά δεδομένα (Σήμα Ψηφιακής τηλεφωνικής γραμμής) ISDN Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

Αναλογικά δεδομένα – Αναλογικά σήματα Αναλογικά δεδομένα μεταδίδονται απευθείας ή διαμορφώνουν μία φέρουσα συχνότητα Τεχνικές διαμόρφωσης: Διαμόρφωση πλάτους, AM (Amplitude Modulation) Διαμόρφωση συχνότητας, FM (Frequency Modulation) Διαμόρφωση φάσης, PM (Phase Modulation) Αναλογικά δεδομένα Αναλογικά σήματα 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

Ψηφιακά δεδομένα – Αναλογικά σήματα Ψηφιοποίηση των αναλογικών δεδομένων (ήχος, εικόνα, βίντεο) και μετάδοση τους με παλμοκωδική διαμόρφωση (PCM, Pulse Code Modulation) Τεχνική μετατροπής Δειγματοληψία Κβαντισμός Κωδικοποίηση Αναλογικά δεδομένα PCM ψηφιακά σήματα 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

Δειγματοληψία (sampling) Η δειγματοληψία είναι το πρώτο στάδιο της μετατροπής ενός σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό. Από το σύνολο των άπειρων τιμών ενός αναλογικού σήματος επιλέγουμε ένα αριθμό δειγμάτων (samples) τα οποία λαμβάνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα T. Ο χρόνος T είναι η περίοδος της δειγματοληψίας (sampling period).

Δειγματοληψία (sampling) Στη δειγματοληψία χάνονται ορισμένες πληροφορίες του σήματος. Η δειγματοληψία πρέπει να γίνεται με τέτοιο ρυθμό ούτως ώστε το σήμα να μπορεί να αναγνωριστεί από τα δείγματα. Αυτό εξαρτάται από το είδος και τη μορφή του σήματος. Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

Κβαντοποίηση (quantizing) Με την κβαντοποίηση βρίσκουμε την πλησιέστερη στάθμη κάθε τιμής που προέκυψε από τη δειγματοληψία. Μετά από αυτό το σημείο το σήμα είναι πλέον ψηφιακό. Με την κβαντοποίηση περιορίζουμε το πεδίο τιμών σε ένα σύνολο πεπερασμένου αριθμού τιμών Μ. Η ευκρίνεια του σήματος καθορίζεται από τον αριθμό Μ. Οι τιμές αυτές αναπαρίστανται με μια σειρά δυαδικών αριθμών 1 και 0. Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

Κωδικοποίηση (encoding) Επιλέγονται οι στάθμες με τις οποίες θέλουμε να αντιπροσωπεύσουμε το σήμα. Αφού επιλεχθούν οι στάθμες, αντιστοιχίζεται σε κάθε μια από αυτές μια λέξη. Μια λέξη μήκους n bits μπορεί να περιγράψει 2n στάθμες. Η επιλογή του αριθμού των σταθμών γίνεται ανάλογα με την ακρίβεια που επιθυμούμε (συμβιβασμός μεταξύ ακρίβειας αναπαράστασης του σήματος, χώρου φύλαξης και χρόνου επεξεργασίας. Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

Αναλογικό - Ψηφιακό Σήμα Το αναλογικό σήμα περιέχει τιμές σε κάθε χρονική στιγμή. Κατά την διάρκεια της δειγματοληψίας (sampling) παίρνουμε τιμές (ή αλλιώς δείγματα – samples) του σήματος ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Πριν γίνει το σήμα ψηφιακό οι διακριτές τιμές στρογγυλοποιούνται (κβαντίζονται) Το ψηφιακό σήμα προέρχεται από το αναλογικό σήμα και κωδικοποιείται με δυαδικούς αριθμούς (0 ή 1). 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Διαμόρφωση PCM -1. Δειγματοληψία Αναλογικά δεδομένα – ψηφιακά σήματα 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

Διαμόρφωση PCM -2. Κβαντοποίηση Αναλογικά δεδομένα – ψηφιακά σήματα 4 3 -3 -4 -2 -1 1 2 t m(t) Volts Κωδικός αριθμός Στάθμη κβαντισμού 3,5 -3,5 -2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5 7 5 6 τιμή δείγματος 1,3 3,6 2,3 0,7 -0,7 -2,4 -3,4 πλησιέστερη στάθμη κβαντισμού κωδικός αριθμός δυαδική παράσταση 101 111 110 100 011 001 000 m(t) 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

Διαμόρφωση PCM -3. Κωδικοποίηση Αναλογικά δεδομένα – ψηφιακά σήματα VH L67 L56 L45 L34 L23 L12 L01 VL s x(t) , xq(t) Δ7 Δ6 Δ5 Δ4 Δ3 Δ2 Δ1 Δ0 m7 m0 m1 m2 m3 m4 m5 m6 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

Ψηφιακά δεδομένα – Αναλογικά σήματα Μετατροπή του ψηφιακού σήματος του υπολογιστή σε αναλογικό, από το modem, ώστε να μπορεί να μεταδοθεί μέσα από απλή τηλεφωνική γραμμή Τεχνικές Ψηφιακή διαμόρφωση πλάτους (ASK, Amplitude shift Keying) Ψηφιακή διαμόρφωση συχνότητας (FSK, Frequency shift Keying) Ψηφιακή διαμόρφωση φάσης (PSK, Phase shift Keying) Αναλογικά σήματα Ψηφιακά δεδομένα 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

Ψηφιακά δεδομένα – Ψηφιακά σήματα Ψηφιακά δεδομένα με σήμα με δυο επίπεδα τάσης Συνήθως αντιστοιχούν σε ηλεκτρικές τάσεις +5 Volt (ένας παλμός) και 0 Volt (απουσία παλμού) Ψηφιακά σήματα Ψηφιακά δεδομένα ISDN 2.2 Κωδικοποίηση Δεδομένων 10/3/2010

2.3 Το μοντέλο του επικοινωνιακού συστήματος 2.3 Το μοντέλο του επικοινωνιακού συστήματος 2.3.1. Απλουστευμένο μοντέλο συστήματος επικοινωνίας 2.3.1. Αναλυτικό μοντέλο συστήματος επικοινωνίας 2.1 Ψηφιακές & Αναλογικές πηγές Επικοινωνιακά Συστήματα 10/3/2010

Απλουστευμένο Μοντέλο Συστήματος Επικοινωνίας 2.3.1 Το Απλουστευμένο μοντέλο του επικοινωνιακού συστήματος 10/3/2010

Απλουστευμένο Μοντέλο Συστήματος Επικοινωνίας Τα σήματα μετατρέπονται σε δεδομένα π.χ εικόνα, ήχος Μετατρέπει τα δεδομένα σε σήματα π.χ Η/Υ ή τηλέφωνο Τηλεφωνική γραμμή ή ασύρματη ζεύξη Αποδιαμόρφωση και μετατροπή της πληροφορίας πριν τη λήψη Διαμόρφωση και κωδικοποίηση της πληροφορίας π.χ modem 2.3.1 Το Απλουστευμένο μοντέλο του επικοινωνιακού συστήματος 10/3/2010

Αναλυτικό Μοντέλο Συστήματος Επικοινωνίας Σύστημα πηγής Σύστημα προορισμού Πομπός Δέκτης Παραμόρφωση Εξασθένιση Θόρυβος Παραγωγή κυματομορφών κατάλληλων προς μετάδοση Μετατροπή συμβόλων σε σειρά bits Έλεγχος σφαλμάτων Μετατροπή των bits σε σύμβολα Ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων Ανάκτηση της δυαδικής ακολουθίας Π. Μαλλιάρα 10/3/2010

Παράδειγμα Σύστημα πομπού (κάρτα δικτύου) Σύστημα πηγής Σύστημα δέκτη (κάρτα δικτύου) Σύστημα προορισμού Π. Μαλλιάρα 10/3/2010