Επισκέπτρια Επίκουρη Καθηγήτρια ΗΜΥ 100: Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 20 Εισαγωγή στα Συστήματα Επικοινωνιών (συνέχεια) 17 Νοεμβρίου, 2003 Χρυσάνθη Πρέζα, D.Sc. Επισκέπτρια Επίκουρη Καθηγήτρια TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ
Ανακοινώσεις Δακτυλογραφημένη ομαδική μελέτη Ημερομηνία παραδόσεως μέχρι τις 24/11/2003 Παρουσιάσεις των μελετών θα γίνουν στην τάξη Πέμπτη 27/11/2003 μεταξύ 2:30-4:00 μμ Δευτέρα 1/12/2003 μεταξύ 2:30-4:00 μμ Μπορείτε να πάρετε τις διορθωμένες εργασίες του εργαστηρίου Ρευστοδυναμικής από την γραμματεία της σχολής Όσοι δεν την παραδώσανε έχουν μέχρι την Τετάρτη 19/11/03, 12 μ.μ.
Περίληψη Εισαγωγή στα Συστήματα Επικοινωνιών Ψηφιακά συστήματα Πηγή, Πομπός, Κανάλι, Δέκτης, Προορισμός Θόρυβος Διαμόρφωση σήματος Ψηφιακά συστήματα Διαμόρφωση ψηφιακού σήματος Παλμοκωδική διαμόρφωση Διαβάστε υλικό αναφοράς (στα Ελληνικά) στην ιστοσελίδα του μαθήματος Διδακτικά βοηθήματα -> Σημειώσεις
Συστήματα Επικοινωνιών Σύστημα επικοινωνιών είναι ένα σύστημα που μεταδίδει πληροφορία από μία πηγή σε ένα προορισμό ή ένα χρήστη. Σύστημα Επικοινωνίας Χρήστης Πηγή Μήνυμα αναλογική ψηφιακή Αναλογικό (ράδιο ΑΜ και FM, TV, κτλ) Ψηφιακό (H/Y, CD, DTV, κτλ)
Πηγή Πληροφορίας Πηγή Αναλογικής Πληροφορίας Αναλογικό σήμα (μπορεί να πάρει μια οποιαδήποτε τιμή) Ψηφιακή πηγή: παράγει ένα πεπερασμένο σύνολο πιθανών μηνυμάτων Ψηφιακό σήμα: αποτελείται από πεπερασμένο αριθμό διακριτών συμβόλων Μ, π.χ. Μ = 2 σύμβολα {0,1} δυαδικό σήμα 0110100… Μ = 4 σύμβολα {00, 01,10, 11} Βορράς = 00, Νότος = 01, Ανατολή = 10, Δύση = 11
Σύστημα Επικοινωνιών Αναλογικό σύστημα Ψηφιακό Σύστημα AM, FM ραδιόφωνο, Τηλεόραση, κ.λ.π. Ψηφιακό Σύστημα Ψηφιακή τηλεόραση (DTV), ψηφιακό ραδιόφωνο, υπολογιστές, οπτικός δίσκος υπολογιστή (cd rom) κ.λ.π. Χρησιμοποιεί ψηφιακά σήματα τάσης και ρεύματος Σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται δυαδικά ψηφιακά σήματα που παίρνουν μόνο 2 τιμές εκ των οποίων η μία αναπαριστά το δυαδικό ψηφίο ‘1’ (π.χ. +5 Volts) και η άλλη το δυαδικό ψηφίο ‘0’ (π.χ. -5 Volts) Μπορεί να χρησιμοποιεί και αναλογικά σήματα, π.χ. ένα ημίτονο συχνότητας 1kHz για να μεταδώσει το δυαδικό ψηφίο ‘1’ και ένα ημίτονο συχνότητας 500 Hz για τη μετάδοση του ‘0’ Τα ηλεκτρονικά επικοινωνιακά συστήματα είναι αναλογικά αλλά η διαδικασία είναι διακριτή.
Πλεονεκτήματα ψηφιακών έναντι των αναλογικών συστημάτων Τα ψηφιακά κυκλώματα είναι σχετικά φθηνά Προστατεύονται προσωπικά στοιχεία με απόκρυψη δεδομένων (κωδικοποίηση) Πολυμεσικές (multimedia) πηγές (φωνή, βίντεο, δεδομένα) μπορούν να συνυπάρξουν και να μεταδοθούν διαμέσου ενός κοινού ψηφιακού συστήματος Περισσότερη ευρωστία απέναντι στην υποβάθμιση του σήματος (στο θόρυβο)
Κατηγορίες Συστημάτων Επικοινωνιών Σύστημα σημείου-προς-σημείο (point-to-point system): μια πηγή, ένας χρήστης Σύστημα ευρείας μετάδοσης (broadcast system): μια πηγή, πολλοί χρήστες. Π.χ. τηλεόραση Σύστημα πολλαπλής πρόσβασης (multi-access system): πολλές πηγές, πολλοί χρήστες. Π.χ. τηλεφωνικό δίκτυο, Ethernet)
Επικοινωνιακό Σύστημα Σημείου-Προς-Σημείο Επικοινωνιακό Σύστημα Σημείου-Προς-Σημείο Πληροφορία Πηγή πληροφορίας Πομπός Κανάλι Δέκτης Θόρυβος Προορισμός Μήνυμα Σήμα Επικοινωνιακό Σύστημα
Μπλοκ Διάγραμμα Συστήματος Χρησιμοποιεί την αφαιρετική αναπαράσταση του «μαύρου κουτιού» για ένα σύστημα επικοινωνιών. Η αναπαράσταση αυτή χρησιμοποιείται στην επιστήμη του μηχανικού για το διαμελισμό ενός σύνθετου συστήματος σε υποσυστήματα (ή μέρη) που μπορούν να γίνουν κατανοητά, να αναλυθούν και να σχεδιαστούν. Τα μέρη αυτά μπορούν να συνδυαστούν με συστηματικό τρόπο ώστε το συνολικό σύστημα να μπορεί να αναπαρασταθεί με ακρίβεια και να λειτουργεί με τον επιθυμητό τρόπο.
Πληροφορία / Μήνυμα / Σήμα Πληροφορία: Γνώση ή είδηση για κάποιο συγκεκριμένο γεγονός που θέλουμε να επικοινωνήσουμε Μήνυμα: είναι η γνώση ή είδηση που μεταδίδεται από την πηγή και λαμβάνεται από τον χρήστη. Σήμα: είναι η καθεαυτό ποσότητα (ηλεκτρική, οπτική, μηχανική, κλπ) που μεταδίδεται από τον πομπό στον δέκτη του συστήματος.
Επικοινωνιακό Σύστημα Σημείου-Προς-Σημείο Επικοινωνιακό Σύστημα Σημείου-Προς-Σημείο Πληροφορία Πηγή πληροφορίας Πομπός Κανάλι Δέκτης Θόρυβος Προορισμός Μήνυμα Σήμα Επικοινωνιακό Σύστημα
Πηγή Πληροφορίας Παράγει το μήνυμα πληροφορίας προς μετάδοση Παραδείγματα: Υπολογιστής : παράγει κείμενο ή εικόνες Ομιλητής: παράγει σήμα φωνής Κάμερα: παράγει εικόνες Σύστημα ήχου: παράγει μουσική
Πομπός Εκτελεί την κωδικοποίηση του μηνύματος και άλλη επεξεργασία του σήματος (π.χ. διαμόρφωση σήματος) Μετατρέπει το μήνυμα σε κάποια κατάλληλη μορφή (σήμα) για μετάδοση στο κανάλι. Το μέρος του πομπού που κάνει την μετατροπή λέγεται μετατροπέας εισόδου (input transducer) Π.χ. μικρόφωνο, κεραία, modem, δορυφόρος
Κανάλι Μετάδοσης Μέσο μετάδοσης (transmission medium) είναι ο φορέας που μεταδίδει το σήμα Ή αποθηκεύει το σήμα π.χ. CD, οπτικός δίσκος, κλπ Παραδείγματα Ενσύρματα μέσα: τηλεφωνικά καλώδια (telephone cables) για μετάδοση της φωνής ομοαξονικό καλώδιο (coaxial cable) οπτικές ίνες (optical fiber) για μετάδοση δεδομένων κάθε μορφής -> είδος σήματος: παλμοί φωτός (η παρουσία παλμού υποδηλώνει το δυαδικό ‘1’ και η απουσία παλμού το δυαδικό ‘1’) κυματοδηγοί (waveguides) Ασύρματα μέσα (wireless): αέρας (μετάδοση ηχητικών κυμάτων) ατμόσφαιρα της γης και το διάστημα (μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων) θαλάσσιο νερό
Παραδείγματα Συστημάτων Τηλεοπτικός Σταθμός Δορυφόρος Δορυφορικός Δέκτης Οθόνη Τηλεόρασης Βελόνα γραφής Βελόνα αναπαραγωγής Ενισχυτής Μεγάφωνα Δορυφορικό Τηλεοπτικό Σύστημα Φωνογράφος Γενικό Σύστημα
Διαφορές Μέσων Μετάδοσης Ενσύρματα μέσα Ψηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης Κόστος αυξάνει ανάλογα με την απόσταση Αναγκαία η χρήση αναμεταδοτών (repeaters) λόγω εξασθένησης του σήματος Ασύρματα μέσα Μειονεκτούν στον τρόπο μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών σημάτων στην ατμόσφαιρα Διαχωρισμός σήματος σε πολλαπλές διαδρομές που οφείλεται σε ανάκλαση, διάθλαση κλπ Πιθανή επιρροή έντονων καιρικών φαινομένων (π.χ. καταιγίδων) Επηρεάζονται από βιομηχανικούς θορύβους
Χαρακτηριστικά Μέσων Μετάδοσης Επιτρέπουν τη μετάδοση σημάτων με συχνότητες που ανήκουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή ή ζώνη συχνοτήτων που χαρακτηρίζεται από μια μέγιστη και μια ελάχιστη συχνότητα, η διαφορά των οποίων ονομάζεται εύρος ζώνης (bandwidth) του μέσου μετάδοσης. Π.Χ. Tηλεφωνικό δίκτυο τα συνεστραμμένα καλώδια επιτρέπουν τη μετάδοση μόνο εκείνων των σημάτων των οποίων η συχνότητα βρίσκεται στο διάστημα 300 Hz έως 3400 Hz. -> εύρος ζώνης είναι 3400 Hz – 300 Hz = 3100 Hz = 3.1 KHz. Η χωρητικότητά (capacity) του μέσου μετάδοσης για ψηφιακά συστήματα ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο μπορούμε να στείλουμε ή να πάρουμε δεδομένα, χωρίς να προκύψουν σφάλματα κατά τη διάρκεια της μετάδοσης Μονάδα μέτρησης: bits ανά δευτερόλεπτο - bits per second (bps) Μέσα μετάδοσης στενής ζώνης (narrowband): 45 - 600 bps. Μέσα μετάδοσης βασικής ζώνης (baseband): 1200 - 33600 bps. Μέσα μετάδοσης ευρείας ζώνης (broadband): 48000 bps - 1.5 Mbps.
Θόρυβος Καναλιού Ανεπιθύμητη και απρόβλεπτη παρεμβολή ηλεκτρικής ή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από τεχνητές ή φυσικές πηγές Εξωτερικές πηγές -> εξωτερικός θόρυβος (external noise) Από άλλο σύστημα επικοινωνίας (κεραίες, radar) Από φυσικές πηγές και ατμοσφαιρικά φαινόμενα Φως, ακτινοβολία, κεραυνοί Από το ίδιο το μέσο μετάδοσης -> εσωτερικός θόρυβος (internal noise) ο θερμικός θόρυβος: προκαλείται από τις συγκρούσεις των ηλεκτρονίων του μέσου μετάδοσης ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης: οφείλεται στη συνύπαρξη σημάτων διαφορετικών συχνοτήτων που μοιράζονται το ίδιο μέσο μετάδοσης η συνακρόαση (cross-talk): προκαλείται όταν δύο ξένα μεταξύ τους σήματα, συζευχθούν για κάποιο ανεξάρτητο λόγο Αλλοιώνει την ποιότητα του σήματος και προκαλεί παραμόρφωση Πρόβλημα στην σωστή αναγνώριση του μηνύματος από τον δέκτη (Π.χ. θόρυβος στο ΑΜ ράδιο) Σε ψηφιακό σύστημα το πρόβλημα αναγνώρισης είναι πιο εύκολο Ο δέκτης αποφασίζει μόνο μεταξύ του ‘1’ και ‘0΄
Δέκτης Εκτελεί την αποκωδικοποίηση και άλλη επεξεργασία του σήματος (π.χ. αποδιαμόρφωση σήματος – demodulation, ενίσχυση, φιλτράρισμα, κλπ) Εξάγει το επιθυμητό μήνυμα από το λαμβανόμενο εξασθενημένο σήμα και το μετατρέπει σε κατάλληλη μορφή για το χρήστη Το μέρος του δέκτη που κάνει την μετατροπή λέγεται μετατροπέας εξόδου (output transducer) Λόγω του θορύβου και άλλων παραμορφωτικών σημάτων ο δέκτης δεν μπορεί να επαναφέρει τέλεια το επιθυμητό μήνυμα Παραδείγματα: Δέκτης ραδιοφώνου και τηλεόρασης Modem Δορυφορική κεραία (satellite dish) Κεραίες λήψης
Προορισμός ή Χρήστης Λαμβάνει το μήνυμα Παραδείγματα: Άνθρωπος Υπολογιστής
Διαμόρφωση Σήματος (Modulation) Επιτρέπει τη μεταφορά ενός σήματος σε συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων Είναι μία διαδικασία κατά την οποία, ένα σήμα χαμηλών συχνοτήτων, μεταφέρεται από ένα σήμα με υψηλότερες συχνότητες που λέγεται φέρον σήμα (carrier signal). Η συχνότητα του φορέα ονομάζεται φέρουσα συχνότητα (carrier frequency) ή συχνότητα φέροντος. Ο φορέας μπορεί να είναι είτε αναλογικό σήμα, είτε μια σειρά παλμών και διαμορφώνεται με βάση τα χαρακτηριστικά του σήματος χαμηλής συχνότητας που πρόκειται να μεταφέρει. Η διαμόρφωση του φέροντος σήματος, χαρακτηρίζεται από τη μεταβολή κάποιου χαρακτηριστικού του όπως είναι για παράδειγμα το πλάτος, η συχνότητά, ή η φάση του, έτσι ώστε το σήμα να περάσει μέσα από το μέσο μετάδοσης.
Πλεονεκτήματα Διαμόρφωσης Σήματος Δυνατότητα εύκολης μετάδοσης του σήματος Ασύρματη μετάδοση με μέσο μετάδοσης τον αέρα (μέγεθος κεραίας) Δυνατότητα χρήσης πολυπλεξίας Ταυτόχρονη μετάδοση πολλών σημάτων μέσα από το ίδιο μέσο μετάδοσης Δυνατότητα υπέρβασης των περιορισμών των μέσων μετάδοσης Δυνατότητα εκπομπής σε πολλές συχνότητες ταυτόχρονα Δυνατότητα περιορισμού θορύβου και παρεμβολών
Μέγεθος Κεραίας Η κεραία πρέπει να έχει τις ίδιες διαστάσεις με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται Το μήκος κύματος, (wavelength) λ, ενός σήματος είναι η απόσταση που διανύει το σήμα σε χρόνο μιας περιόδου μέσα στο μέσο μετάδοσης λ= c / f c είναι η ταχύτητα μετάδοσης του σήματος (για ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο κενό c = 3 x 108 m/s) f είναι η συχνότητα του σήματος -> Σήμα χαμηλής συχνότητας έχει μεγάλο μήκος κύματος και χρειάζεται μεγάλη κεραία για την μετάδοση του Με την διαμόρφωση μπορούμε να χρησιμοποιούμε μικρές κεραίες κατάλληλες για κάθε εφαρμογή
Διαμόρφωση Ψηφιακού Σήματος Ένα αναλογικό σήμα, διαμορφώνει ένα ψηφιακό φέρον σήμα, π.χ. μια σειρά παλμών Το αναλογικό σήμα, μεταβάλλει είτε τη διάρκεια των παλμών (PDM : Pulse Duration Modulation), τη θέση των παλμών (PPM : Pulse Position Modulation). Στις πιο πολλές όμως περιπτώσεις χρησιμοποιείται η παλμοκωδική διαμόρφωση (PCM: Pulse Code Modulation) σύμφωνα με την οποία τα αναλογικά σήματα μετατρέπονται σε σειρές ψηφίων κατά παρόμοιο τρόπο με τα δεδομένα των υπολογιστών.
Παλμοκωδική Διαμόρφωση Δειγματολήπτης Κβαντιστής Κωδικοποιητής 0100 Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες κωδικοποίησης δηλαδή τι παλμοί χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν το δυαδικό ‘0’ και ‘1’