Αναλογικά και Ψηφιακά Σήματα και Αρχές Τηλεπικοινωνιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Αναλογικά και Ψηφιακά Σήματα και Αρχές Τηλεπικοινωνιών Μάθημα: Επικοινωνίες & Δίκτυα Η/Υ Γεώργιος Μακεδών, Φυσικός Ρ/Η

ΤΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Αποτελείται: Πηγή πληροφορίας (Μήνυμα) Πομπός Φυσικό κανάλι επικοινωνίας Δέκτης Αποδέκτης πληροφορίας (Μήνυμα)

Ποιοι είναι οι βασικοί λόγοι μη χρησιμοποίησης της αναλογικής μετάδοσης; Η παραμόρφωση συχνότητας Ο θόρυβος, που εισέρχεται στο σήμα, καθώς ταξιδεύει μέσα στα μέσα μετάδοσης.

Ποιοι είναι οι βασικότεροι λόγοι χρήσης της ψηφιακής μετάδοσης; Η μικρή ευαισθησία των ψηφιακών σημάτων στο θόρυβο, αφού εκείνο που απασχολεί τα ψηφιακά σήματα είναι αν ξεπερνούν κάποιο κατώφλι ή όχι. Η δυνατότητα ευκολότερης επεξεργασίας των ψηφιακών σημάτων με σύγχρονη τεχνολογία.

Δειγματοληψία (sampling) ονομάζεται η διαδικασία, κατά την οποία από ένα αναλογικό σήμα λαμβάνεται ένας πεπερασμένος αριθμός τιμών του (δείγματα).

Θεώρημα δειγματοληψίας (Nyquist) Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα αναλογικό σήμα πληροφορίας S(t) περιορισμένης ζώνης συχνοτήτων και ότι fmax είναι η μεγαλύτερη συχνότητα που περιέχει. Αν πάρουμε δείγματα του πλάτους του σήματος σε κανονικά χρονικά διαστήματα με ρυθμό δειγματοληψίας μεγαλύτερο από 2 fmax, τα δείγματα αυτά περιέχουν όλη την πληροφορία του αρχικού αναλογικού σήματος S(t). Π.χ.: σήμα audio 4kHz και σήμα video 4.6MHz, τι σήμα δειγματοληψίας απαιτείται για κάθε περίπτωση;

Πως γίνεται η δειγματοληψία και με ποιο τρόπο; Με διαμόρφωση παλμών Διαμόρφωση Πλάτους Παλμών (PAM) Διαμόρφωση Διάρκειας Παλμών (PDM) Διαμόρφωση Θέσης Παλμών (PPM) Επομένως η δειγματοληψία μετατρέπει ένα συνεχές χρονικά σήμα σε σήμα διακριτού χρόνου.

Διαμόρφωση Παλμών (παράδειγμα) Διαμόρφωση Παλμών (παράδειγμα)

Παλμοκωδική Διαμόρφωση (PCM) Χρήσης της: Χρησιμοποιείται για τη μετάδοση σημάτων που είναι διακριτά όχι μόνο στο χρόνο αλλά και στις τιμές τους. Απαιτείται τα σήματα να υποστούν: Κβάντιση και στη συνέχεια Κωδικοποίηση

Κβάντιση Ονομάζουμε την αναπαράσταση των αναλογικών δειγματοληπτημένων τιμών με ένα πεπερασμένο σύνολο σταθμών. Δηλαδή η κβάντιση μετατρέπει ένα δείγμα συνεχούς πλάτους σε δείγμα διακριτού πλάτους. Οι συσκευές που εκτελούν την πράξη της κβάντισης ονομάζονται κβαντιστές.

Παράδειγμα κβάντισης

Παλμοκωδική Διαμόρφωση

Κωδικοποίηση Είναι η μετατροπή των κβαντισμένων δειγμά-των σε κωδικές λέξεις που μπορούν να γραφούν με τη μορφή. N=k323+k222+k121+k020

Παράδειγμα Τηλεφωνικό κανάλι: Δf=4kHz Ρυθμός δειγματοληψίας ή fδ: 8000 δείγματα/sec (κατά Shannon) PCM (8bit για κάθε στάθμη αναλογικού σήματος) Συνολικές στάθμες κβάντισης: 28 = 256 στάθμες Συνολικός Ρυθμός μετάδοσης πληροφορίας: 8000 δείγματα/sec *8bit/δείγμα=64kbit/sec

Σύστημα PCM

Πλεονεκτήματα των PCM ως προς τα συστήματα αναλογικής διαμόρφωσης Μπορούν να αναγεννηθούν πλήρως σε κάθε επαναλήπτη, αρκεί η απόσταση των επαναληπτών να είναι τόση ώστε ο θόρυβος να είναι μικρότερος από το βήμα κβάντισης. Έχει καλύτερο (S/N). Προσφέρουν καλύτερη αξιοπιστία και σταθερότητα, επειδή τα κυκλώματα διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης είναι όλα ψηφιακά. Περιορίζουν τις επιπτώσεις του θορύβου και των παρεμβολών λόγω των χρησιμοποιούμενων τεχνικών κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης.

Πλεονεκτήματα των PCM ως προς τα συστήματα αναλογικής διαμόρφωσης Μπορεί να πολυπλεχθούν εύκολα. Η αποθήκευση των σημάτων PCM είναι ευκολότερη. Χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό των επιπτώσεων του θορύβου και των παρεμβολών. Είναι εύκολη η ανταλλαγή εύρους ζώνης με ισχύ.

Κωδικοποίηση Η πιο σημαντική διαδικασία, προκειμένου τα αναλογικά σήματα να μετατραπούν σε ψηφιακά, και αυτά με τη σειρά τους να μετατραπούν σε κατάλληλη μορφή, ώστε να μπορούν να μεταδοθούν μέσα από τα διάφορα φυσικά μέσα μετάδοσης. Είδη: Κωδικοποίηση πηγής και Κωδικοποίηση καναλιού.

Κωδικοποίηση πηγής Ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία σε κάθε σύμβολο, γράμμα ή αριθμό αντιστοιχίζεται κατά μοναδικό τρόπο μια συγκεκριμένη δυαδική λέξη. Επιτυγχάνεται με τη χρήση πινάκων αντιστοιχίας διαφόρων χαρακτήρων με σειρές από bit. Δηλαδή αποτελούν έναν κώδικα. (κώδικας ASCII και UNICODE) Παρουσιάζει πρόβλημα όταν χρησιμοποιείται για μετάδοση της πληροφορίας σε μεγάλη απόσταση, ενώ είναι ικανοποιητική όταν χρησιμοποιείται σε τερματικές συσκευές (Η/Υ).

Κωδικοποίηση καναλιού ονομάζουμε κάθε μέθοδο κωδικοποίησης της ψηφιακής πληροφορίας που διευκολύνει τη μετάδοση της μέσα από αναλογικά και μέσα μετάδοσης Απαιτείται η χρήση κωδικών καναλιού ή γραμμής.

Λόγοι χρήσης κωδικών καναλιού ή γραμμής Λόγω μικρού εύρους ζώνης του μέσου μετάδοσης, είναι απαραίτητο να αφαιρείται η dc συνιστώσα από το σήμα της πληροφορίας. Για να συγχρονίζεται ο δέκτης με τον πομπό. Η βέλτιστη χρήση του εύρους ζώνης του καναλιού. Ο εντοπισμός των σφαλμάτων που εισάγονται κατά τη διάδοση του ωφέλιμου σήματος. Η ανάγκη για μείωση της παραμόρφωσης που εισάγει το κανάλι. Η μείωση της πιθανότητας παρουσίασης του φαινομένου της διαφωνίας (crosstalk)

Κώδικας γραμμής Χρησιμοποιούνται για να μειώνουν το φάσμα συχνοτήτων των μεταδιδόμενων σημάτων. π.χ.: HDB3 κώδικας, είναι διπολικός με την έννοια, ότι σε αντίθεση με τον κλασικό μονοπολικό δυαδικό κώδικα (0 ή 1), χρησιμοποιεί δύο συμμετρικές αντιθέτου προσήμου τάσεις, προκειμένου να απεικονίσει το ψηφίο 1. Η βασική αρχή βασίζεται στη μετάδοση εναλλασσόμενων θετικών και αρνητικών παλμών για την απεικόνιση του 1, ενώ η απουσία παλμού συμβολίζει την παρουσία του 0, μ’ αποτέλεσμα η dc συνιστώσα να έχει μηδέν μέσο όρο.

Κώδικας HDB3

Παράδειγμα Ένας κώδικας των 5 bits πόσες στάθμες αναλογικού σήματος σας επιτρέπει να κωδικοποιήσετε;

Παράδειγμα Ένα ψηφιακό μαγνητόφωνο δειγματοληπτεί το αριστερό και το δεξιό σήμα ομιλίας 40.000 φορές το δευτερόλεπτο. Σε κάθε δείγμα επιβάλλεται κβάντιση 16 bits. Πόσες σελίδες κειμένου μπορούν να αποθηκευθούν σε μια ψηφιακή κασέτα διάρκειας δύο ωρών, ότων κάθε σελίδα ανέρχεται σε 2kbytes;

Μέθοδοι Αναλ. & Ψηφ. Διαμόρφωσης Μέθοδοι Αναλ. & Ψηφ. Διαμόρφωσης Για να μεταδοθούν τα σήματα προκειμένου να περάσουν από το αντίστοιχο κανάλι μετάδοσης θα πρέπει να τροποποιηθούν κατάλληλα, δηλαδή να διαμορφωθούν. Διαμόρφωση είναι η κατάλληλη επεξεργασία των σημάτων αυτών, προκειμένου να γίνουν κατάλληλα για διέλευση από το κανάλι μετάδοσης. Υπάρχουν δύο ειδών διαμόρφωσης: Α. Αναλογική (AM και FM) και Β. Ψηφιακή (ASK και FSK)

ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Φέρον (carrier) ονομάζεται το ημιτονικό αναλογικό σήμα, που έχει συχνότητα πολύ μεγαλύτερη από το σήμα πληροφορίας και λειτουργεί ως φορέας του. Η συχνότητα του φέροντος εξασφαλίζει τις ιδανικές συνθήκες διέλευσης του σήματος από το συγκεκριμένο φυσικό μέσο που χρησιμοποιείται κάθε φορά από το κανάλι επικοινωνίας

Αναλογικό σήμα Χαρακτηρίζεται από: το πλάτος – Α (Amplitude) τη συχνότητα – f (frequency) τη φάση – φ (phase)

Πεδίο χρόνου, δηλώνει τις μεταβολές ως προς το χρόνο του πλάτους, της συχνότητας και της φάσης του αναλογικού σήματος. Πεδίο συχνότητας, δηλώνει το φασματικό περιεχόμενο του σήματος, δηλαδή από ποιες συχνότητες αποτελείται το σήμα. Το όργανο που το μελετά ονομάζεται φασματικός αναλυτής.

Σήμα βασικής ζώνης (baseband) ονομάζεται το σύνολο των συχνοτήτων που περιέχονται σ’ ένα σήμα όπως η φωνή μας. Επειδή ο αριθμός των συχνοτήτων είναι μεγάλος δεν είναι δυνατόν να διαχωριστούν και γι’ αυτό λέμε ότι το φασματικό περιεχόμενό τους είναι συνεχές.

Εξίσωση του φέροντος: Το σήμα πληροφορίας διαμορφώνει το φέρον σήμα, όπου και μεταβάλλει κάποιο από τα χαρακτηριστικά του (Α, f, φ).