ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 9 ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 9 Σύστημα Τηλεφώνου Μέρος Α TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Περίληψη Θέματα για σήμερα: Ομάδες για την μελέτη Οδηγίες για την ομαδική μελέτη Επανάληψη: Ηχητική Πληροφορία Βασικά στοιχεία και τύποι συστήματος τηλεφώνου αναλογικό, ψηφιακό ενσύρματο και ασύρματο

Υλικό Αναφοράς Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001, Κεφ. 13, σελίδες 180 -190 How Telephones Work http://communication.howstuffworks.com/telephone.htm How Cordless Telephones Work http://electronics.howstuffworks.com/cordless-telephone.htm

Επανάληψη: Δημιουργία ηχητικού σήματος Ο ήχος που ακούμε δημιουργείτε από την κίνηση (συμπίεση και αποσυμπίεση) των μορίων του αέρα ως αποτέλεσμα μιας μηχανικής δύναμης Π.χ. ακούμε θόρυβο όταν ένα βιβλίο πέσει στο πάτωμα Η λειτουργία των αυτιών μάς επιτρέπει να αντιληφθούμε την μεταβολή στην πίεση του αέρα Αυτή η διαφορά στην πίεση του αέρα μπορεί να μετρηθεί με το μικρόφωνο Μετατροπή της κίνησης του αέρα σε ηλεκτρικό σήμα (τάση ή ρεύμα) Το ηχητικό σήμα είναι το ηλεκτρικό σήμα που παράγει το μικρόφωνο και αναπαριστά την αλλαγή της πίεσης του αέρα σαν συνάρτηση του χρόνου Ο μηχανισμός διάδοσης του ηχητικού κύματος σε ένα μέσο είναι σαν ένα ελατήριο

Γνήσιος Τόνος (pure tone) – Απλός Ήχος κορυφή κορυφή Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο κορυφών του σήματος είναι κάθε 2.27 ms = (1 / 440) s => αυτό το σήμα επαναλαμβάνεται 440 φορές ανά δευτερόλεπτο Λέμε ότι έχει συχνότητα 440 HZ Hz = cycles / s Σημείωση: s – second ms – millisecond τ [s]

Απλοί και σύνθετοι ήχοι Γνήσιοι τόνοι (Απλοί Ήχοι) Σύνθετοι Ήχοι κορυφή κορυφή Πλάτος / δύναμη ήχου f= 440 HZ f= 440 HZ Πλάτος f= 440 HZ f= 220 HZ

Φάσμα συχνοτήτων (Spectrum) Όλα τα σήματα μπορούν να δημιουργηθούν προσθέτοντας γνήσιους τόνους (απλούς ήχους) => ένα ηχητικό σήμα είναι το άθροισμα (σύνθεση) συγκεκριμένων γνήσιων τόνων Ο κάθε γνήσιος τόνος έχει μία συχνότητα => ένα ηχητικό σήμα έχει ένα φάσμα συχνοτήτων Η διαφορά μεταξύ της μεγαλύτερης συχνότητας και της μικρότερης συχνότητας λέγεται το εύρος ζώνης (bandwidth) του σήματος

Φάσμα γνήσιου τόνου και μουσικής νότας Πλάτος Χρόνος [s] Συχνότητα [Hz] Πλάτος Χρόνος [s] Συχνότητα [Hz]

Φάσμα σήματος φωνής Μέγιστη συχνότητα Εύρος ζώνης (bandwidth) Χρόνος [s] Συχνότητα [Hz]

Μετατροπή Ηχητικού Σήματος Ένα αναλογικό σήμα μπορεί να μετατραπεί σε ένα ψηφιακό σήμα Αναλογικό/ψηφιακός μετατροπέας (A/D converter) Δειγματολήπτης Κβαντιστής (στρογγυλοποίηση)

Επεξεργασία Ηχητικών Σημάτων A/D D/A Σύστημα Ψηφιακής Επεξεργασίας Παράδειγμα: Μετατροπή μουσικού σήματος σε ψηφιακό σήμα Αποθήκευση του ψηφιακού σήματος σε οπτικό δίσκο (CD) Αναπαραγωγή αναλογικού μουσικού σήματος Σε ένα σύστημα έχουμε συνδυασμό αναλογικών και ψηφιακών σημάτων καθώς και συνδυασμό αναλογικής και ψηφιακής συμπεριφοράς.

Δειγματοληψία (Sampling) Αναλογικό σήμα Σήμα διακριτού χρόνου Το σήμα διακριτού χρόνου αποτελείται από δείγματα (samples) του αναλογικού σήματος που παίρνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα nT , όπου n είναι ένας ακέραιος αριθμός και Τ είναι η περίοδος δειγματοληψίας (sampling period) fs= 1 / T είναι η συχνότητα ή ρυθμός δειγματοληψίας (sampling rate) Δεδομένο: Όποτε γίνεται δειγματοληψία από ένα αναλογικό σήμα αναπόφευκτα χάνονται ορισμένες πληροφορίες του σήματος. Η δειγματοληψία πρέπει γίνεται με τέτοιο ρυθμό έτσι ώστε το σήμα να αναγνωρίζεται από τα δείγματα. Τότε, η ποσότητα πληροφοριών του σήματος που χάνεται είναι η μικρότερη.

Ρυθμός Δειγματοληψίας Η ρυθμός δειγματοληψίας δεν είναι τυχαίος Το θεώρημα της δειγματοληψίας του Nyquist/Shannon ορίζει πως για να μην υπάρχει αλλοίωση στο περιεχόμενο ενός σήματος, πρέπει η συχνότητα με την οποία θα γίνει η δειγματοληψία να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την μέγιστη συχνότητα η οποία μπορεί να περιέχεται στο σήμα. (Διαφορετικά έχουμε αναδίπλωση φάσματος – aliasing.) Το σήμα φωνής έχει μέγιστη συχνότητα περίπου 4 ΚHz => χρειαζόμαστε τουλάχιστον fs= 8 ΚHz Ένα ηχητικό σήμα ψηλής ποιότητας μπορεί να περιέχει συχνότητα μέχρι τα 20ΚHz περίπου => χρειαζόμαστε τουλάχιστον fs= 40 ΚHz. (Για το CD μουσικής χρησιμοποιείται fs= 44.1 KHz.)

Κβαντισμός (Quantization) Οι τιμές ενός σήματος διακριτού χρόνου είναι αναλογικές (δηλαδή συνεχείς). Μετατρέπονται σε ψηφιακές με κβαντισμό (στρογγυλοποίηση). Με τον κβαντισμό περιορίζουμε το πεδίο τιμών σε ένα σύνολο πεπερασμένου αριθμού Μ τιμών. Η ευκρίνεια του σήματος εξαρτάται / καθορίζεται από τον αριθμό Μ. (Όσο πιο μεγάλος τόσο λιγότερη η αλλοίωση («θόρυβος) λόγω κβαντισμού / στρογγυλοποίησης.) Αυτές οι τιμές μπορούν να αναπαρίστανται με δυαδικούς αριθμούς (δηλαδή 0 και 1) τους οποίους επεξεργάζεται ένας υπολογιστής. Σήμα διακριτού χρόνου Ψηφιακό σήμα Μ=9

Δυαδική Αναπαράσταση Ήχου Κωδικοποίηση Δειγματοληψία Κβαντισμός (Στρογγυλοποίηση)

Αναπαραγωγή Ήχου με Ψηφιακό/Αναλογικό Μετατροπέα (D/A Converter) Zero-order hold Filter Σκαλωτό αναλογικό σήμα Ψηφιακό σήμα Ομαλό αναλογικό σήμα

Σύστημα Τηλεφώνου Το αρχικό σύστημα ήταν εξολοκλήρου αναλογικό Το αρχικό σύστημα ήταν εξολοκλήρου αναλογικό Η τεχνολογία τώρα άλλαξε σε ψηφιακή Ο άνθρωπος όμως είναι αναλογικό σύστημα => η συσκευή τηλεφώνου θα έχει πάντα αναλογικά στοιχεία το μικρόφωνο στο οποίο μιλούμε ο δέκτης του τηλεφώνου από όπου ακούμε την φωνή του ατόμου με το οποίο μιλούμε

Σύστημα Μετάδοσης Τηλεφώνου Βασικά μέρη: Τηλεφωνικές συσκευές σε κτίρια έχουν πομπό και δέκτη Τα συστήματα μεταγωγής είναι στα κεντρικά γραφεία Διαφόρων ειδών μεταδοτικά μέσα (σύρματα υπόγεια και εναέρια, οπτικές ίνες) Παροχέας συνδέσεων μεγάλης απόστασης Οπτικές Ίνες Παροχέας Συνδέσεων Μεγάλων Αποστάσεων Κεντρικό Γραφείο Υπόγειο Σύρμα

Σύστημα Τηλεφώνου Βασικά μέρη: Πομπός (μικρόφωνο) – μετατρέπει την φωνή σε ηλεκτρική ενέργεια και την στέλλει για μετάδοση Μέσο μετάδοσης – μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια από ένα μέρος σε άλλο (π.χ. σύρμα) Δέκτης (μεγάφωνο) – λαμβάνει την ηλεκτρική ενέργεια και την μετατρέπει σε ήχο Σύστημα μεταγωγής (switching system) – ενώνει ένα συγκεκριμένο πομπό σε ένα συγκεκριμένο δέκτη (και αντιστρόφως) Σύστημα σηματοδότησης (signaling system) – ελέγχει και ρυθμίζει τα στοιχεία μεταγωγής για κάθε τηλεφωνική σύνδεση

Το τηλέφωνο Πολύ απλή τεχνολογία Ένα switch που συνδέει και αποσυνδέει το τηλέφωνο από το δίκτυο Η σύνδεση γίνεται όταν «σηκώνουμε το ακουστικό» του τηλεφώνου Επιλογή και μετάδοση αριθμού με παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος (“dial pulse”) ή ηχητικά σήματα Το μεγάφωνο (speaker) που είναι ο δέκτης του τηλεφώνου Το μικρόφωνο (microphone) που είναι ο πομπός

Το τηλέφωνο Πηνίο για ταυτόχρονη διπλή κατεύθυνση (Duplex coil) Για να μην ακούμε την δική μας φωνή όταν μιλάμε στο μικρόφωνο Πληκτρολόγιο για την δημιουργία τόνων Κάθε αριθμός έχει ένα μοναδικό τόνο Επιλογή και μετάδοση αριθμού με ηχητικά σήματα – τόνους διαφορετικών συχνοτήτων (“touch tone”) Κουδούνι που κτυπά όταν το τηλέφωνο καλείται The duplex coil also allows the use of only two wire instead of four for bi-directional communication up to the central office.

Δέκτης Τηλεφώνου – Μεγάφωνο πηνίο μεμβράνη μαγνήτης Απλό αναλογικό σύστημα Όταν ηλεκτρικό ρεύμα περνά από το πηνίο τότε δημιουργείτε ένα μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά με το μαγνήτη και προκαλεί την μεμβράνη να κουνηθεί με την ίδια συχνότητα όπως το ρεύμα Η κίνηση της μεμβράνης κουνά τον αέρα προκαλώντας την δημιουργία ηχητικών κυμάτων που μπορούμε να ακούσουμε

Πομπός Τηλεφώνου – Μικρόφωνο Αναλογικό σύστημα Αλλάζει τα ηχητικά κύματα της φωνή σε ηλεκτρικά σήματα Δουλεύει όπως το μεγάφωνο, αλλά αντίστροφα. Όταν ηχητικά κύματα κουνούν την μεμβράνη, τότε δημιουργείτε μικρό ηλεκτρικό ρεύμα λόγω της κίνησης του πηνίου μέσα στο μαγνήτη (ηλεκτρομαγνήτης) Στο παρελθόν, το μικρόφωνο περιείχε απλώς κόκκους άνθρακα, συμπιεσμένους μεταξύ δύο λεπτών μεταλλικών πλακών Η κίνηση της μεμβράνης λόγω των ηχητικών κυμάτων συμπιέζει και αποσυμπιέζει τους κόκκους αλλάζοντας έτσι την ηλεκτρική αντίσταση των κόκκων και κατά συνέπεια το ηλεκτρικό ρεύμα που περνά από το μικρόφωνο.

Σύστημα μετάδοσης Η βασική αρχή είναι πολύ απλή Χρησιμοποιεί δύο καλώδια Το κοινό καλώδιο που απλά ενώνει ένα πομπό με ένα δέκτη Το καλώδιο που κλείνει το κύκλωμα και τροφοδοτεί το τηλέφωνο με ηλεκτρικό ρεύμα Το μικρόφωνο αλλάζει την ποσότητα αυτού του ηλεκτρικού ρεύματος ανάλογα με τα ηχητικά κύματα

Σύστημα Μεταγωγής 1895 Σήμερα Χειροκίνητα Κέντρα: Όταν κάποιος καλούσε ένα αριθμό άναβε μία λάμπα στο “switch board” Η τηλεφωνήτρια/ής σύνδεε τον καλώντα με τον καλούμενο τοποθετώντας το κατάλληλο βύσμα καλωδίου στην κατάλληλη υποδοχή Αυτόματα Κέντρα μεταγωγής: αντικατάσταση χειροκίνητων κέντρων με ηλεκτρονικούς υπολογιστές Επιλογή και μετάδοση αριθμού με παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος (“dial pulse”) Επιλογή και μετάδοση αριθμού με ηχητικά σήματα – τόνους διαφορετικών συχνοτήτων (“touch tone”) 1895 Σήμερα

Ψηφιακό σύστημα τηλεφώνου Σύστημα D/A A/D Υπάρχει συνδυασμός αναλογικών και ψηφιακών σημάτων, καθώς και συνδυασμός αναλογικής και ψηφιακής τεχνολογίας Το σήμα είναι αναλογικό από την συσκευή τηλεφώνου μέχρι το πρώτο γραφείο μεταγωγής τηλεφώνου Μετατροπή αναλογικού ηλεκτρικού σήματος σε ψηφιακό σήμα Δειγματοληψία με συχνότητα 8 KHz => 8.000 δείγματα / sec Κβαντισμός με 256 επίπεδα => 8 bits / δείγμα Ρυθμός δυαδικού ψηφίου (bit rate) = 8.000 δείγματα/sec x 8 bits/δείγμα = 64.000 bits / sec Μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Η τεχνολογία εξελίσσεται => ψηφιακά τηλέφωνα οι μετατροπές A/D και D/A γίνονται μέσα στην τηλεφωνική συσκευή

Σύστημα φορέα Τ1 (carrier) Ήταν το πρώτο επιτυχές σύστημα για μεταφορά ψηφιακής φωνής (digitized voice transmission) Δημιουργήθηκε μέσα στην δεκαετία του 1960 από τη Bell Systems των Ηνωμένων Πολιτειών Χρησιμοποιείται ακόμα για τις συνδέσεις των παροχέων υπηρεσιών διαδικτύου (internet service providers) στο διαδίκτυο Μεταφέρει ταυτοχρόνως 24 ψηφιακά κανάλια τηλεφώνου με ρυθμό δυαδικών ψηφίων (bit rate) = 1,544 Mbits /sec Τo κάθε κανάλι είναι κωδικοποιημένο με 64.000 bits / sec => 24 x 64.000 bits / sec = 1,536 x 106 bits / sec + 8 επιπλέον Κbits για συγχρονισμό

Ασύρματο τηλέφωνο Λειτουργεί όπως το κανονικό τηλέφωνο αλλά δίνει τη δυνατότητα χρήσης καθώς ο χρήστης κινείται μέσα στο σπίτι του Είναι συνδυασμός τηλεφώνου με πομπό και δέκτη ασύρματης επικοινωνίας Η βάση του τηλεφώνου είναι ενωμένη στην κανονική γραμμή τηλεφώνου και λειτουργεί σαν ένα κανονικό. Η βάση λαμβάνει το εισερχόμενο ηλεκτρικό σήμα (μιας κλήσης) από την γραμμή τηλεφώνου και το μετατρέπει σε σήμα ασύρματης επικοινωνίας FM το οποίο εκπέμπει. Το ακουστικό (με τον επιλογέα) λαμβάνει το FM σήμα από την βάση και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα το οποίο το στέλνει στο δέκτη (μεγάφωνο) όπου μετατρέπετε σε ήχο. Όταν μιλάς στο ακουστικό γίνεται η αντίστροφη μετατροπή Ήχος  ηλεκτρικό σήμα  FM σήμα Η βάση λαμβάνει το FM σήμα από το ακουστικό και το μετατρέπει για να το στείλει στον καλώντα FM σήμα  ηλεκτρικό σήμα

Ασύρματο τηλέφωνο Αμφίδρομη (duplex) επικοινωνία Μπορείς να μιλάς και να ακούς ταυτόχρονα Η βάση και το ακουστικό του ασύρματου τηλεφώνου χρησιμοποιούν δύο συχνότητες για τα δύο ξεχωριστά FM σήματα

Ασύρματο τηλέφωνο Τα FM σήματα εκπέμπονται στον αέρα Οποιοσδήποτε μπορεί να ακούσει την συνομιλία με ένα ανιχνευτή ραδιοσυχνοτήτων Κρυπτογράφηση του σήματος για περισσότερη ασφάλεια.

Ραδιοσυχνότητες Τα ραδιοκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται και λαμβάνονται από αντένες Τα ραδιοκύματα έχουν διαφορετικές συχνότητες Ένας δέκτης ή πομπός ασύρματης επικοινωνίας μπορεί να συντονιστεί σε μία συχνότητα και να λάβει το κύμα (σήμα) Η ασύρματη τηλεφωνία χρησιμοποιεί συχνότητες 40 – 50 MHz 900 MHz

Ασύρματο τηλέφωνο Πρώτο ασύρματο τηλέφωνο το 1980 και λειτουργούσε σε συχνότητα 27 MHz Περιορισμένο σε περιοχή λήψης Η ποιότητα του ήχου δεν ήτανε καλή Η συνομιλία δεν ήτανε πολύ ασφαλισμένη Το 1986 το Federal Communications Commission (FCC) έδωσε νέες συχνότητες 47-49 MHz Το 1994 τα πρώτα ψηφιακά ασύρματα τηλέφωνα με συχνότητα 900 MHz Το 1995 χρησιμοποιείτε η τεχνολογία digital spread spectrum (DDS) για κρυπτογράφηση του ψηφιακού σήματος, έτσι ώστε να εμποδίζεται το κρυφάκουσμα συνομιλιών.

Στην συνέχεια… Σύστημα Τηλεφώνου (Μέρος Β) Βασικά στοιχεία και τύποι συστήματος κινητό και δορυφορικό