HY430 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ Φθινοπωρο 2004 Αποστολος Τραγανιτης tragani@csd.uoc.gr

Σκοπος του μαθηματος Εισαγωγη στην θεωρια των τηλεπικοινωνιακων συστηματων. Εμφαση στις μαθηματικες τεχνικες και στην κατανόηση των βασικων αρχων, των μεθοδων, των θεμελιωδων περιορισμων και των trade-offs των ψηφιακων συστηματων επικοινωνιας εμβαθυνση στις βασικες φυσικες έννοιες με την βοηθεια προσομοιωσεων ( Matlab, SystemView) ελαχιστη αναφορα σε hardware, πρωτοκολλα, βιομηχανικα standards, προιοντα.

Περιεχομενα του μαθηματος Εισαγωγικα, Ιστορικα στοιχεια Ανασκόπηση Θεωριας Πιθανοτητων και Μετ/σμου Fourier. Σηματα και συστηματα, Στοχαστικες διαδικασιες. Θεωρια Πληροφοριων, συμπιεση σηματων, χωρητικοτητα καναλιου Αναλογικη και ψηφιακή διαμορφωση Μεταδοση παλμων στην βασικη ζωνη Αναλυση στον χωρο σηματων. Βελτιστος Δεκτης Μεταδοση σε ζωνη φασματος. Βελτιστη μορφη παλμων Προχωρημένα θεματα: Spread Spectrum, CDMA, Multitone Communications

Κανονες του παιχνιδιου 6 ή 7 sets ασκησεων με ασκησεις θεωρητικες-υπολογιστικες και προσομοιωσεις συστηματων και διεργασιων στο MATLAB ή στο SystemView (20%) Project κατα προτιμηση με χρηση του MATLAB ή του SystemView (15%) Εξεταση προοδου (20%) Τελικη γραπτη εξεταση (45% εφ’ όσον > 4.5)

Εισαγωγη Iστορικα στοιχεια Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια Τηλεπικοινωνιακοι ποροι: Ισχυς εκπομπης Ευρος καναλιου Πηγες πληροφοριας Κυριοι τροποι μεταγωγης Μεταγωγη κυκλωματος Μεταγωγη πακετων Καναλια Τηλεπικοινωνιας Η διαδικασια της διαμορφωσης Αναλογικα και ψηφιακα συστηματα επικοινωνιας Χωρητικοτητα καναλιου (Shannon’s channel capacity) Ενα προβλημα ψηφιακης επικοινωνιας

Historical notes Telegraphy and Telephony 1837: Samuel Morse developed the electric telegraph (and some years later the well-known variable length binary code) 1858: First transatlantic cable linking US and Europe 1875: Emile Baudot developed a fixed length binary code (in which each letter was encoded using 5 bits) 1876: Alexander Graham Bell invented telephone 1915: Long distance telephone transmission was made possible (mainly due to the invention of triode amplifier in 1906). The first transatlantic cable for telephone services became available in 1953 1897: Strowger developed the first (electromechanical) automatic switch. The first digital switch was developed in 1960

Historical notes Wireless Communications 1820: Oersted demonstrated that an electric current produces a magnetic field 1831: Faraday showed that an induced current is produced by moving a magnet in the vicinity of a conductor (i.e. a changing magnetic field produces an electric field) 1867: Based on the above background Maxwell predicted existence of electromagnetic (EM) waves and formulated the basic theory 1887: Hertz proved existence of EM waves; a transmitter generated a signal in a receiver several meters away 1896: Guglielmo Marconi demonstrated wireless telegraph to English telegraph office 1901: Marconi successfully transmitted radio signal across Atlantic Ocean from Cornwall to Newfoundland

Historical notes (cont.) Wireless Communications (cont.) 1914: First voice over radio transmission 1920s: Mobile receivers installed in police cars in Detroit 1930s: Mobile transmitters developed; radio equipment occupied most of police car trunk 1935: Frequency modulation (FM) demonstrated by Armstrong 1946: First interconnection of mobile users to public switched telephone network (PSTN) 1949: FCC recognizes mobile radio as new class of service

Historical notes (cont.) The past fifty years Satellite Communications Optical Communications Cellular Mobile Communications From Analog to Digital Systems Wireless Networks Developments in technology (transistor, IC, optics, microwave generation and amplification, antenna technology, etc) Theoretical advances (Hartley, Nyquist, Wiener, Shannon, Hamming …)

Historical notes (cont.) “Frectorea”: The first wireless digital communication system In an early form developed before 1100 b.c. Gradually the system was technically improved and expanded covering all Greek territory Greek alphabet was devided in five groups of consecutive letters Relay system: Two groups of torches each one consisting of 5 torches Number of lit torches in the 1st group  i-th group of letters Number of lit torches in the 2nd group  j-th letter of the i-th group The torches were always lit and they were covered or revealed depending on the “transmitted” character A message could travel a distance more then 1000km in less than 1h It is interesting that the positions of the “relay stations” were approximately the same as those of the todays fixed wireless MW network

Historical notes (cont.) “Frectorea” - Φρυκτωρία

Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια (1) Οι επικοινωνιες επηρρεαζουν βαθυτατα την ζωη μας: Τα τηλεφωνα στα χερια μας, τα ραδιοφωνα και οι τηλεορασεις στο σαλονι μας, οι Η/Υ που συνδεονται στο Internet στα γραφεια και στα σπιτια μας επιτρεπουν την ταχυτατη επικοινωνια με καθε γωνια του πλανητη. Οι επικοινωνιες αποτελουν τα αισθητηρια οργανα για τα πλοια στους ωκεανους, για τα αεροπλανα στον αερα και για τα διαστημοπλοια και τους δορυφορους στο διαστημα Τα κινητα τηλεφωνα επιτρεπουν την επαφη μας εν κινησει με το γραφειο και το σπιτι. Συστηματα επικοινωνιας επιτρεπουν την πληροφόρηση π.χ των μετεωρολόγων για τις μετεωρολογικές συνθηκες

Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια (2) Η επικοινωνια συνισταται στην μεταδοση πληροφοριας απο ενα σημειο του χωροχρονου σε ενα αλλο. Περιλαμβανει τις εξης διαδικασιες. Παραγωγη σηματος πληροφοριας (μηνυμα) Φωνη, μουσικη, εικονα, δεδομενα. Παρασταση μηνυματος με συνολο συμβολων και δεδομενη ακριβεια Ηλεκτρικα, ακουστικα, οπτικα Κωδικοποιηση των συμβολων σε μορφη καταλληλη για μεταδοση στο δεδομενο φυσικο μεσον (κυματομορφες) Μεταδοση των κυματομορφων στον επιθυμητο προορισμο. Αποκωδικοποιηση και αναπαραγωγη των αρχικων συμβολων. Αναπαραγωγη του αρχικου μηνυματος με μια αναποφευκτη αλλα προκαθορισμενη και ελεγχομενη απωλεια ποιοτητας

Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια (3) Στοιχεία ενός Τηλεπικοινωνιακού συστήματος Πηγή πληροφορίας Χρήστης πληροφορίας Σημα πληροφορίας Εκτίμηση σηματος πληροφ. Θόρυβος + Παραμόρφωση Κανάλι Δέκτης Πομπός Εκπεμπόμενο σήμα Λαμβανόμενο σήμα

Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια (4) Βασικοι τυποι επικοινωνιας Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια (4) Βασικοι τυποι επικοινωνιας Εκπομπη ( Ευρυπομπή - Broadcasting) Ενας ισχυρος πομπος Πολλοι και φθηνοι δεκτες Μονοδρομη ροη πληροφοριας (downlink) Παραλλαγη: το Multicasting (επιλεγμενοι δεκτες) Επικοινωνια σημειου-με-σημειο (point-to-point) Ενας πομπος και ενας δεκτης Αμφιδρομη ροη πληροφοριας Η τηλεπικοινωνιακη διαδικασια ειναι εκ της φυσεως της στατιστικη διαδικασια

Οι κυριοι τηλεπικοινωνιακοι ποροι (αγαθα σε ανεπαρκεια) Ισχυς εκπομπης Καναλι με περιορισμο ισχυος (Power limited channel) Π.χ. Δορυφορικο καναλι Ευρος φασματος καναλιου μεταδοσης Καναλι με περιορισμενο φασμα (Bandwidth limited channel) Π.χ. Τηλεφωνικο δικτυο Οι κυριοι τηλεπικοινωνιακοι «εχθροι» Ο θορυβος στο καναλι Η παραμορφωση του καναλιου Τεχνολογικοι περιορισμοι

Βασικες Εννοιες Πηγες Πληροφοριας Καναλια επικοινωνιας Διαμορφωση, Πολυπλεξια Χωρητικοτητα καναλιου

Πηγες Πληροφοριας (1) Τα κυρια σηματα πληροφοριας ειναι: Η φωνη (300 Hz –3100 Hz) Η μουσικη (20 Hz – 20 kHz) H εικονα Δυναμικη, π.χ. TV (0 - 6.0 MHz) Στατικη, π.χ. Fax Τα Δεδομενα (data) που παραγουν οι Η/Υ και αλλα ψηφιακα συστηματα Μεταδοση κατα ριπές (bursty) Τα 3 και 4 ειναι σηματα ευρειας ζωνης Περι παραγωγης τησ φωνης Παραγωγη κινουμενης εικονας

Πηγες Πληροφοριας (2) Κωδικοποιηση πηγης (συμπιεση) Συμπιεση χωρις απωλειες (lossless π.χ. Lempel-Ziv) Συμπιεση με απωλειες (lossy) JPEG standard κωδικοποιησης εικονων MPEG-1 standard κωδικοποιησης video (1.5 Mb/s) MPEG-1 standard κωδικοποιησης audio (μεχρι 16 kb/s) MP3 = MPEG-1 Layer 3 (128 kb/s) MPEG-2 (DVD, SVCD) MPEG-4 (Divx, Xdiv, quick time) MPEG-7 …

Καναλια Επικοινωνιας Το καναλι παρεχει την ζευξη Πομπου - Δεκτη Το καναλι παρεχει την ζευξη Πομπου - Δεκτη Προβληματα: - Περιορισμενο ευρος φασματος - Αποσβεση, παραμορφωση πλατους και φασης - Εισαγωγη θορυβου (Θερμικος προσθετικος λευκος θορυβος, κρουστικος θορυβος, παρεμβολες ) - Πολλαπλη διοδευσης (ασυρματο καναλι) - Χρονικες μεταβολες

Ειδη Καναλιων Επικοινωνιας Καναλια καθοδηγουμενης μεταδοσης Τηλεφωνικα καναλια (= συνεστραμμένα ζευγη συρματων) (φωνη, xDSL) Ομοαξονικα καλωδια (CATV) Οπτικες ινες (2 x 10Ε13 Hz) Καναλια ελευθερης μεταδοσης Καναλια ραδιομεταδοσης (radio, TV, WLAN) Καναλια κινητης επικοινωνιας (GSM, UMTS) Δορυφορικα καναλια Καναλια ασυρματων δικτυων Γραμμικα – μη γραμμικα Χρονικα αμεταβλητα – χρονικα μεταβαλλόμενα Με περιορισμο ισχυος – με περιορισμο φασματος

Ειδη Καναλιων Επικοινωνιας(2) Τηλεφωνικο καναλι Καναλι περιορισμενου ευρους: 300 Ηz – 3100 Ηz Μεγαλη αποσβεση στις υψηλότερες συχνοτητες Υλοποιηση με συνεστραμμένο ζευγος καλωδιων (Zo = 90 – 110 Ωμ) Ευαλωτο σε ηλεκτρομαγνητικες παρεμβολες και συνακροασεις Η τεχνολογια xDSL χρησιμοποιει αυτα τα καλωδια Συνδεσεις point-to-point Ομοαξονικο καλωδιο Εχει πολυ μεγαλυτερο ευρος φασματος ( μεχρι και 1 GHz) Υλοποιηση με εναν εσωτερικο και εναν κυλινδρικο εξωτερικο αγωγο που χωριζονται με διηλεκτρικο (Ζο = 50 ή 75 Ωμ) Αρκετα ανθεκτικο στις ηλεκτρομαγνητικες παρεμβολες Υποστηριζει συνδεσεις point-to-point αλλα και point-to-multipoint (MA) Χρησιμοποιειται στην καλωδιακη τηλεοραση (CATV) για την μεταδοση τηλεοπτικων και ραδιοφωνικων προγραμματων, καθως και του INTERNET

Ομοαξονικο Καλωδιο Συρματινο πλεγμα Εξωτερικο περιβλημα Καλωδιο μεταφορας σηματος Μονωση

Ειδη Καναλιων Επικοινωνιας(3) Οπτικες ινες Δυνατοτητα για τεραστιο ευρος φασματος (μεχρι 2x10Ε13 Ηz) Μικρη αποσβεση επικοινωνιες μεγαλων αποστασεων Αποτελειται απο ενα υαλινο κεντρικο πυρηνα περιβαλλομενο απο επενδυση με διαφορετικη διηλεκτρικη σταθερα και ενα προστατευτικο εξωτερικο στρωμα Αναισθησια στις ηλεκτρομαγνητικες παρεμβολες Μικρο μεγεθος και βαρος, ανθεκτικοτητα, ευελιξια Ανεξαντλητη πρωτη υλη (αμμος) Ασυρματα καναλια εκπομπης ραδιο-τηλεοπτικων προγραμματων Ευρος φασματος αναλογο του σηματος και της διαμορφωσης: 20 Κhz AM (Διαμορφωση πλατους) 100 ή 200 Khz FM (Διαμορφωση συχνοτητας) 4 – 6 Mhz TV Υπερετερόδυνοι δεκτες αποδιαμορφωσης Κεραιες σε ψηλα σημεια, ισχυροι πομποι, φθηνοι και απλοι δεκτες Επικοινωνια μεγαλων αποστασεων ( ανακλαση, περιθλαση)

Ειδη Καναλιων Επικοινωνιας(4) Καναλια κινητης επικοινωνιας Επιγεια καναλια ασυρματης επικοινωνιας με κινητους πομπους και δεκτες Δεν ειναι παντοτε δυνατη η οπτικη επαφη πομπου και δεκτη Κυριαρχο φαινομενο η ΣΚΕΔΑΣΗ των Η/Μ κυματων  πολλαπλη διοδευση Το καναλι θεωρειται γραμμικο χρονικα μεταβαλλομενο Δορυφορικα καναλια Μεγαλο ευρος φασματος (ανταγωνιζονται τις οπτικες ινες) Καλυψη πολυ μεγαλων περιοχων της Γης (σε γεωστατικη τροχια – 22.300 mi) Μεγαλη αξιοπιστια Συνδεσεις point-to-point, point-to-multipoint και broadcasting Κινουμενοι ή σταθεροι πομποι και δεκτες Υλοποιηση δικτυων VSAT (very small aperture terminals ) – HUBs Συνήθης συχνοτητα λειτουργιας τα 4/6Ghz με τυπικο ευρος φασματος 500Μhz διαμοιρασμενο σε 12 transponders (36 Mhz) O transponder μπορει να υποστηριξει 1200 καναλια φωνης ή 50 Μbps data

Η/Μ φασμα - Κεραιες λ=c/f οπου c = 300.000 km/sec

Φασματα μερικων κοινων σηματων Φωνη λ/4= 75 km Μουσικη λ/4 = 7.5 km Ethernet (10 Mbps) λ/4 = 7.5 m

Παρατηρησεις για τις κεραιες Προφανως, τα προηγουμενα σηματα δεν μπορουν να εφαρμοσθουν κατευθειαν σε κεραια – το απαιτουμενο μηκος ειναι τεραστιο Για να υπερνικησουμε αυτον τον περιορισμο μπορουμε να χρησιμοποιησουμε το σημα πληροφοριας m(t) για να διαμορφωσουμε ενα φερον υψηλης συχνοτητας fc (Radio Frequency), ετσι ωστε οι απαιτουμενες διαστασεις τις κεραιας (λ/4) να ειναι λογικες. Την λειτουργια αυτη την εκτελει ο διαμορφωτης

Η διαδικασια της ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ (Modulation)= Η μεταβολη, συμφωνα με το σημα πληροφοριας, των παραμετρων ενος φεροντος κυματος (carrier wave) που ειναι καταλληλο για την μεταδοση μεσα απο το δεδομενο καναλι ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ (Demodulation) ειναι η αντιστροφη διαδικασια Το ειδος της διαμορφωσης καθοριζει: Την αντοχη στο θορυβο και την παραμορφωση του καναλιου Την πιστοτητα αναπαραγωγης του αρχικου σηματος πληροφοριας Το ευρος του απαιτουμενου για την μεταδοση φασματος Την πολυπλοκοτητα των συστηματων εκπομπης και ληψης

Τι επιτυγχανουμε με την Διαμορφωση Την μεταδοση πολλων σημάτων στον ιδιο χωρο με χρηση διαφορετικων φεροντων Την ελαττωση των απαιτησεων στα χαρακτηριστικα των συστηματων εκπομπης Την εκμεταλλευση περιοχων του φασματος που εχουν καλλιτερες συνθηκες μεταδοσης

Ειδη Διαμορφωσης Ημιτονοειδες φερον Ειδη Διαμορφωσης Ημιτονοειδες φερον Διαμορφωση συνεχους κυματος (continuous wave –CW) Το φερον ειναι ενα ημιτονοειδες σημα x(t)=Acos(2πf t +φ) Διαμορφωση πλατους (ΑΜ) αν Α= Α[m(t)] οπου m(t) ειναι το σημα πληροφοριας Διαμορφωση συχνοτητας (FM) αν f = f[m(t)] Διαμορφωση φασης (PM) αν φ = φ[m(t)] Ψηφιακη διαμορφωση συνεχους κυματος Το σημα πληροφοριας ειναι μια ακολουθια παλμων Παλμικη διαμορφωση πλατους (ASK) Παλμικη διαμορφωση συχνοτητας (FSK) Παλμικη διαμορφωση φασης (PSK)

Ειδη Διαμορφωσης Παλμικο φερον Αναλογικη διαμορφωση παλμων ( Analog pulse modulation) Το φερον ειναι μια ακολουθια παλμων Διαμορφωση υψους παλμων (PAM – Pulse Amplitude Modulation) Διαμορφωση διαρκειας παλμων (PWM – Pulse Width Modulation) Διαμορφωση θεσης παλμων (PPM – Pulse Position Modulation) Ψηφιακη διαμορφωση παλμων (Digital Pulse Modulation) Το σημα πληροφοριας ειναι μια ακολουθια δυαδικων παλμων Παλμοκωδικη Διαμορφωση (PCM – Pulse Code Modulation) A/D μετατροπη: Δειγματοληψία, κβαντισμος και δυαδικη κωδικοποιηση. Σφαλματα δειγματοληψίας και κβαντισμου

Ειδη Διαμορφωσης Ημιτονοειδες φερον Παλμικο φερον Ημιτονοειδες φερον Παλμικο φερον Αναλογικο σημα Δυαδικο σημα Αναλογικο σημα Κβαντισμενο σημα πληροφοριας πληροφοριας πληροφοριας πληροφοριας ΑΜ FM PM ASK FSK PSK PAM PWM PPM PCM DM A=Amplitude, F=Frequency, P=Phase, M= Modulation K=Keying W=Width, P=Pulse, Position D=Delta x(t)=Acos(2πft+φ) x(t)=Σ Αkp(t-tk)

Βασικοι τυποι αναλογικης διαμορφωσης Διαμορφωμενο σημα m(t) Σημα πληροφοριας Η στιγμιαια συχνοτητα f(t) του cos {φ(t)} κατά την στιγμη t είναι η f(t) = (1/2π) d[φ(t)]/dt Οποτε:

Βασικοι τυποι ψηφιακης διαμορφωσης ASK FSK PSΚ

Βασικοι τυποι ψηφιακης διαμορφωσης Amplitude Shift Keying (ASK) Phase Shift Keying (PSK) Frequency Shift Keying (FSK) 1 0 1 1 AM Modulation PM Modulation FM Modulation m(t)

Analog vs |Digital Modulation Αναλογικη διαμορφωση Το σημα m(t) ειναι αναλογικο Ο αποδιαμορφωτης πρεπει να αναπαραγαγει το m(t) οσο καλλιτερα μπορει

Analog vs |Digital Modulation Ψηφιακη διαμορφωση Το m(t) παιρνει μια τιμη απο ενα πεπερασμενο συνολο τιμων Ο αποδιαμορφωτης πρεπει να αποφασισει ποια απο τις πιθανες τιμες εχει μεταδοθει – δεν υπαρχει αναγκη πιστης αναπαραγωγης του m(t)

Γιατι Ψηφιακα Συστηματα? AMP AMP AMP INPUT OUTPUT Αναλογικοι επαναληπτες: Ο θορυβος συσσωρευεται Repeater Repeater Repeater INPUT Ψηφιακοι επαναληπτες: “Τελεια” αναπαραγωγη του σηματος

Κριτηρια επιδοσεων Αναλογικα Συστηματα Επικοινωνιας Κριτηριο ειναι η πιστοτητα μεταδοσης Στοχος: λαμβανομενο=εκπεμπομενο σημα Ψηφιακα Συστηματα Επικοινωνιας Κριτηρια ειναι ο ρυθμος μεταδοσης (R bps) και η πιθανοτητα σφαλματος ενος bit ( Pb=p(brbt) ) Με ιδανικο καναλι και χωρις θορυβο δεν εχουμε σφαλματα. Με θορυβο, η Pb εξαρταται απο τη ισχυ του σηματος και του θορυβου, απο τον ρυθμο μεταδοσης και τα χαρακτηριστικα του καναλιου.

Συγκριση αποδιαμορφωτων για {ΑΜ, FM, PM} και {ASK, FSK, PSK} Οι αποδιαμορφωτες για AM, FM και ΡΜ: Αναπαραγουν πιστα το m(t) απο το διαμορφωμενο φερον Κριτηριο επιτυχιας – η σηματοθορυβικη σχεση SNR Οι αποδιαμορφωτες για ASK, FSK και PSK: Αποφασιζουν για το ποια απο τις Μ δυνατες κυματομορφες εχει μεταδοθει Εχουν σαν εξοδο τον κωδικό της κυματομορφης αυτης Κριτηριο επιτυχιας= η μικρη πιθανοτητα σφαλματος s(t)+n(t) m(t)+nout(t) Αποδιαμορφωτης s(t)+n(t) Επιλογη πιθανοτερης κυματομορφης υπολογισμος κωδικου κυματομορφης

Πολυπλεξία Εκτος απο την διευκολυνση στην μεταδοση η διαμορφωση επιτρεπει την ταυτοχρονη μεταδοση πολλων σηματων πληροφοριας μεσα απο το ιδιο καναλι (πολυπλεξια). Υπαρχουν 3 τροποι πολυπλεξιας Πολυπλεξια στην συχνοτητα (FDM – Frequency Division Multiplexing). Καθε σημα πληροφοριας χρησιμοποιει διαφορετικη ζωνη συχνοτητων Πολυπλεξια στον χρονο (TDM –Time Division Multiplexing). Καθε σημα πληροφοριας καταλαμβανει διαφορετικη χρονοσχισμη. Πολυπλεξια με κωδικα (CDM – Code Division Multiplexing). Καθε σημα πληροφοριας διαχκρινεται απο τα αλλα με ειδικο κωδικα Πολυπλεξια με διαιρεση μηκους κυματος (WDM- Wavelength Division Multiplexing). Μορφη του FDM με εφαρμογη στις οπτικες ινες.

Τηλεπικοινωνιακα Συστηματα Κατα την σχεδιαση ενος τηλεπικοινωνιακος συστηματος διδονται: Η πηγη της πληροφοριας Το καναλι μεταδοσης, και Ο προορισμος της πληροφοριας (ο τελικος χρηστης) και ζητειται η σχεδιαση του πομπου και του δεκτη με τροπο ωστε: Να γινεται η κωδικοποιηση/διαμορφωση του σηματος πληροφοριας που παραγει η πηγη, Να εκπεμπεται το διαμορφωμενο σημα μεσα απο το καναλι, Να παραγεται μια εκτιμηση του σηματος πληροφοριας κατα τροπο ικανοποιητικο για τον τελικο χρηστη Να γινονται ολα τα πιο πανω κατα τον οικονομικότερο και ταχυτερο τροπο

Ψηφιακα Τηλεπικοινωνιακα Συστηματα Πηγη πληροφοριας Προορισμος Πληροφοριας Σημα πληροφοριας Εκτιμηση του σηματος πληροφοριας Κωδικοποιητης πηγης Αποκωδικοποιητης Πηγης Λεξη κωδικα πηγης Κωδικοποιητης Καναλιου Αποκωδικοποιητης Καναλιου Λεξη κωδικα καναλιου Διαμορφωτης Αποδιαμορφωτης Λαμβανομενο σημα Εκπεμπομενη κυματομορφη Καναλι

Ψηφιακα Τηλεπικοινωνιακα Συστηματα (λεπτομερεστερα)

Βασικες διεργασιες επεξεργασιας σηματος σε τηλεπικοινωνιακα συστηματα Μορφοποιηση και κωδικοποιηση πηγης Διαμορφωση βασικης ζωνης Διαμορφωση ζωνης φασματος Εξισορροπιση καναλιου Κωδικοποιηση καναλιου Πολυπλεξια και πολλαπλη προσπελαση Διασπορα φασματος Κρυπτοπροστασια Συγχρονισμος

Συγκριση Αναλογικων και Ψηφιακων συστηματων Επικοινωνιας Αναλογικα Συστηματα Απλουστερη δομη Δυσκολοτερη σχεδιαση Ελαχιστες δυνατοτητες υλοποιησης βελτιστων διαταξεων Δυσκολότερη υλοποιηση και συντηρηση Ανάγκη συνεχων ρυθμισεων Απαιτησεις γραμμικοτητας εξαρτηματων Εξαρτηση απο τις θερμοκρασιακες μεταβολες των εξαρτηματων Εξαρτηση απο την γηρανση του υλικου Χρησιμοποιουνται για υλοποιηση συστηματων πολυ υψηλων ταχυτητων ή πολυ μικρης καταναλωσης Ψηφιακα Συστηματα Πολυπλοκοτερη δομη Ευκολότερη σχεδιαση Δυνατοτητα υλοποιησης βελτιστων διαταξεων Ευκολοτερη υλοποιηση και συντηρηση Καλυτερη προσαρμογη προς το καναλι Ευελιξια κατασκευης DSPs, μPs FPGAs, ASICs Μικροτερο κοστος

Χωρητικοτητα καναλιου Ενα τηλεπικοινωνιακο συστημα πρεπει να μεταφερει το μηνυμα της πηγης στον προορισμο του μεσα απο δεδομενο καναλι αξιοπιστα, και αποτελεσματικα υπο τους περιορισμους: της επιτρεπομενης ισχυος εκπομπης του διαθεσιμου ευρους φασματος, και του ανεκτου κοστους κατασκευης του συστηματος Μετρο της αξιοπιστιας ειναι ο ρυθμος σφαλματων BER (Bit Error Rate) ή η πιθανοτητα σφαλματος ενος bit. Επιθυμητο το BER=0 ή τουλαχιστον BER=min ΕΡΩΤΗΜΑ: ειναι δυνατη η σχεδιαση ενος τηλεπικοινωνιακου συστηματος που λειτουργει με BER=0 ακομα και πανω απο καναλι με θορυβο??

Θεωρημα του Shannon Χωρητικοτητα καναλιου Εστω Β = Bandwidth δηλ.το ευρος φασματος του καναλιου, και SNR = Signal-to-noise-ratio δηλ. ο λογος της ισχυος του σηματος ως προς την ισχυ του θορυβου. Η χωρητικοτητα του καναλιου C, δηλαδη ο μεγιστος ρυθμος μεταδοσης δεδομενων (bps) χωρις σφαλμα ειναι C = Β log2(1 + SNR) bps Η σχέση δείχνει οτι για να εχουμε δεδομενη χωρητικοτητα μπορουμε να ελαττώσουμε την ισχυ αυξανοντας το ευρος φασματος Αν R bps ο ρυθμος μεταδοσης δεδομενων και C η χωρητικοτητα του καναλιου τοτε μπορουμε να εχουμε αξιοπιστη μεταδοση εφ όσον R < C

Ενα τυπικο τηλεπικοινωνιακο προβλημα Το σημα της πηγης ειναι μια τυχαια ακολουθια ισοπιθανων δυαδικων συμβολων 1 και 0. Το 1 παριστανεται με ηλεκτρικο σημα τιμης +1 διαρκειας Τ sec. και το 0 με τιμη –1. Ετσι παραγεται το σημα πληροφοριας m(t). Για να μεταδοθει μεσα απο ενα καναλι χρησιμοποιουμε ενα απλο τυπο διαμορφωσης γνωστο σαν PSK – Phase Shift Keying. Σημα Πληροφοριας  A cos(2πft) για το συμβολο 1 m(t) s(t) =   -Α cos(2πft) για το συμβολο 0 για 0  t  T Το καναλι θεωρειται χωρις παραμορφωση αλλα με θορυβο Εκπεμπομενο σημα Εξοδος καναλιου s(t) r(t) = s(t) + n(t) Θορυβος n(t) s(t) Εκπεμπομενο σημα X Φέρον Acos(2πft) +

Ενα τυπικο τηλεπικοινωνιακο προβλημα Ο δεκτης αποτελειται απο ενα correlator (συσχετιστη) ακολουθουμενο απο μια μοναδα αποφασης correlator Λαμβανομενο yT 1 αν yT > 0 Σημα r(t) 0 αλλιώς Τοπικο φερον Κατωφλι = 0 cos(2πft) Τ T  + A/2 + nT για το 1 Εχουμε yT =  r(t) cos (2πft) dt =  {m(t) A cos (2πft)+n(t)} cos(2πft)dt =  0 0  - A/2 + nT για το 0 Το ευρος φασματος W του m(t) ειναι αντιστροφως αναλογο του Τ, δηλ. αναλογο του ρυθμου παραγωγης συμβολων R=1/T. To φασμα που καταλαμβανει το εκπεμπομενο σημα s(t) ειναι περιοχη ευρους 2W γυρω απο την συχνοτητα f . Δηλαδη το απαιτουμενο ευρος καναλιου ειναι BW=2W  2R=2/T Κουτι αποφασης T (.)dt Χ m(t) = 0 ή 1 και (cosφ)2=(1/2) +(1/2)cos2φ

Ερωτηματα σχετικα με το παραδειγμα Θεωρητικα ερωτηματα Για ποιο λογο ο δεκτης εχει την μορφη που δειξαμε? Ποια ειναι τα στατιστικα χαρακτηριστικα της τυχαιας μεταβλητης nT ? Ο δεδομενος δεκτης κανει μερικες φορες σφαλμα. Ποια ειναι η πιθανοτητα να κανει σφαλμα στην εκτιμηση ενος bit? Πρακτικα ερωτηματα (σχετικα με την υλοποιηση) Το ευρος φασματος ειναι ενας πολυτιμος πορος. Πως επιλεγουμε την διαμορφωση ωστε να κανουμε την βελτιστη χρηση του? Το σημα πληροφοριας m(t) μπορει να περιεχει πλεονασμο συμβολων που εισαγονται με την κωδικοποιηση καναλιου για την αντιμετωπιση του θορυβου. Πως πρεπει να σχεδιασθει ο κωδικοποιητης και ο αποκωδικοποιητης καναλιου ωστε να επιτυχουμε ρυθμο μεταδοσης που να πλησιαζει την χωρητικοτητα του καναλιου? Ο τοπικος ταλαντωτης στον δεκτη βρισκεται μακρια απο τον πομπο αλλα η κυματομορφη του πρεπει να ειναι συγχρονισμενη με το φερον. Πως επιτυγχανεται αυτος ο συγχρονισμος??