EΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΟΖΑΝΤΖΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ.

Παρουσίαση με θέμα: "EΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΟΖΑΝΤΖΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 EΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΟΖΑΝΤΖΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΦΥΣΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε.

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ  Το φυσικό επίπεδο ασχολείται με την μετατροπή των ψηφιακών δεδομένων (εικόνα, βίντεο, ήχος, …) σε κατάλληλα ηλεκτρομαγνητικά σήματα (ή κύματα) και την μετάδοση των σημάτων αυτών διαμέσου μιας σύνδεσης. Για παράδειγμα, το φυσικό επίπεδο θα μπορούσε να αντιστοιχίσει στο ψηφίο ‘1’ μια τάση +V και στο ‘0’ μια τάση –V, ώστε να είναι διακριτές οι δύο καταστάσεις, και στη συνέχεια να στείλει την ακολουθία των ψηφίων ως μια ακολουθία ηλεκτρικών σημάτων με τάσεις: {-V, +V}. Ο παραλήπτης μεταφράζει τα ηλεκτρικά σήματα στα αντίστοιχα ψηφία.  Τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα υπόκεινται σε παραμορφώσεις και αλλοιώσεις με αποτέλεσμα ο παραλήπτης να τα μεταφράζει με λανθασμένο τρόπο. Οι αλλοιώσεις αυτές οφείλονται: I. Στο μέσο μετάδοσης, II. Στην ταχύτητα μετάδοσης και, III. Στην απόσταση μεταξύ αποστολέα και παραλήπτη.  Η ανάγκη για αποφυγή των αλλοιώσεων έχει οδηγήσει σε διάφορα πρότυπα όσο αφορά τις ηλεκτρικές διεπαφές και τα μέσα μετάδοσης ανάμεσα στις διάφορες συσκευές. Τα πρότυπα διαμορφώνουν το CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Committee) και η EIA (Electrical Industries Association) 2

3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ Τα αναλογικά και τα ψηφιακά σήματα παριστάνονται γραφικά, σε συνάρτηση με το χρόνο, σε ένα σύστημα ορθογωνίων αξόνων. Στον κάθετο άξονα παριστάνονται οι τιμές και ο οριζόντιος άξονας περιγράφει το χρόνο. Η μετάβαση από την μια τιμή στην άλλη είναι συνεχής για τα αναλογικά, ενώ στα ψηφιακά σήματα θεωρείται ακαριαία.  Τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: Αναλογικά Σήματα (Analog Signals): Οι τιμές που παίρνουν είναι συνεχείς, ανήκουν δηλαδή σε όλο το σύνολο των πραγματικών αριθμών. Ψηφιακά Σήματα (Digital Signals): Παίρνουν διακριτές τιμές που στην απλούστερη περίπτωση είναι οι τιμές του συνόλου {0, 1}. Δηλαδή εκφράζουν τις δύο καταστάσεις της πληροφορίας. 3

4 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ  Όλα τα σήματα μπορεί να είναι είτε περιοδικά είτε απεριοδικά (ή μη-περιοδικά): Περιοδικά Σήματα (Periodic Signals): Σήματα που επαναλαμβάνουν τη μορφή τους στο σταθερό χρονικό διάστημα μιας περιόδου Τ. Στην κάθε επανάληψη του σήματος συμπληρώνεται ένας κύκλος (cycle). Απεριοδικά ή Μη-περιοδικά Σήματα (Aperiodic ή NonPeriodic Signals): Δεν επαναλαμβάνουν τη μορφή τους, αλλά μπορούν να αποσυντεθούν σε έναν απεριόριστο αριθμό περιοδικών σημάτων (Μετασχηματισμός Fourier). 4 Περιοδικά αναλογικά και ψηφιακά σήματα Απεριοδικό αναλογικό και ψηφιακό σήμα

5 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ  Τα αναλογικά σήματα χαρακτηρίζονται από τρεις μεταβλητές:  Πλάτος (Amplitude): Περιγράφει την τιμή του σήματος την κάθε χρονική στιγμή. Μετριέται σε Volts ή Amperes ή Watts.  Συχνότητα/Περίοδος (Frequency/Period): Η συχνότητα εκφράζει τον αριθμό των περιόδων ή των ολοκληρωμένων κύκλων του σήματος σε χρόνο 1 sec. Μετριέται σε Hz και σε όλα τα παράγωγά του. Η περίοδος εκφράζει το χρονικό διάστημα στο οποίο ολοκληρώνεται ένας κύκλος. Μετριέται σε sec και σε όλες τις υποδιαιρέσεις του. Ανάμεσα σε συχνότητα (f) και περίοδο (T) ισχύει η σχέση: f = 1/T ή Τ = 1/f.  Φάση (Phase): Εκφράζει τη μετατόπιση του σήματος ως προς τον χρόνο. Μετριέται σε μοίρες (degrees) ή ακτίνια (rad). Ως γνωστόν, ισχύει: 360º = 2π rad. 5

6 Ψηφιακά σήματα Σημείωση: Ένα φάσμα συχνοτήτων περιγράφεται από ένα διάγραμμα συχνοτήτων. Το εύρος του φάσματος υπολογίζεται από τη διαφορά της ελάχιστης από τη μέγιστη συχνότητα του φάσματος. Τα ψηφιακά σήματα χαρακτηρίζονται από 2 μεταβλητές:  Διάστημα (Διάρκεια) των bit (bit Interval): Το χρονικό διάστημα για την αποστολή του ενός bit. Μετριέται σε sec και στις υποδιαιρέσεις του (msec, nanosec,…).  Ρυθμός των bits (bit Rate): Ο αριθμός των bit που στέλνονται σε χρόνο 1 sec. Μετριέται σε bps (bits per second) και στα παράγωγά του (Kbps, Mbps,…).  Τα ψηφιακά σήματα μπορούν να μετατραπούν (αποσυντεθούν) σε ένα σύνολο αναλογικών σημάτων, με πεπερασμένο φάσμα συχνοτήτων συγκεκριμένου εύρους. Το φάσμα αυτό λέγεται σημαντικό φάσμα συχνοτήτων (Significant Spectrum). To modem είναι μια συσκευή που πετυχαίνει τη μετατροπή αυτή. 6

7 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ – ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ Η μετάδοση πληροφορίας μπορεί να γίνει είτε με – μετατροπή του σήματος σε ψηφιακό με μεταφορά σε υψηλές συχνότητες (διαμόρφωση ευρείας ζώνης), είτε – με μετατροπή χωρίς να χρησιμοποιείται κάποια υψηλή συχνότητα (διαμόρφωση βασικής ζώνης). 7

8 Διαμόρφωση πληροφορίας στη βασική ζώνη Η διαμόρφωση πληροφορίας χρησιμοποιείται για τη μεταφορά των δεδομένων στο εσωτερικό του υπολογιστή, αλλά και για την μεταφορά διαμέσου κάποιου δικτύου. Υπάρχουν τρεις κύριες τεχνικές: 1.η μονοπολική (unipolar) κωδικοποίηση, 2.η πολική (polar) κωδικοποίηση και η 3.διπολική (bipolar) κωδικοποίηση. 8

9 1. Μονοπολική Κωδικοποίηση (Unipolar Encoding)  Η μια εκ των δύο ψηφιακών καταστάσεων (συνήθως η ‘1’) παριστάνεται από κάποια τάση (πολικότητα), ενώ στην άλλη αντιστοιχεί τάση 0 volts.  1ο πρόβλημα: Η μη ύπαρξη τάσης σηματοδοτεί το ψηφίο ‘0’.  2ο πρόβλημα: Έλλειψη συγχρονισμού, δηλαδή σε μεγάλες ακολουθίες από όμοια bits, ο παραλήπτης δε μπορεί να διακρίνει την έναρξη και τον τερματισμό του κάθε bit, εξαιτίας της ίδιας πολικότητας. 9

10 2. Πολική Κωδικοποίηση (Polar Encoding) Χρησιμοποιεί δύο επίπεδα τάσης (θετικό και αρνητικό) για την αναπαράσταση του ‘1’ και του ‘0’, με αποτέλεσμα να εξαλείφεται μερικώς ή εντελώς το 1ο πρόβλημα. Η κωδικοποίηση αυτή εμφανίζεται σε τρεις παραλλαγές: Α. NRZ (NonReturn to Zero) Β. RZ (Return to Zero) Γ. Διφασική Κωδικοποίηση (Biphase) 10

11 2. Πολική Κωδικοποίηση (Polar Encoding) - NRZ (NonReturn to Zero)  Η πολικότητα του σήματος είναι πάντοτε είτε θετική είτε αρνητική. Υπάρχουν δύο επιμέρους τύποι της μετάδοσης NRZ: ◦ 1ος τύπος (NRZ-L): Η πολικότητα εξαρτάται από το είδος του bit, οπότε υπάρχουν και στην περίπτωση αυτή προβλήματα συγχρονισμού. Εδώ το «0» αναπαριστάται με +Α V και το «1» με -A V. ◦ 2ος τύπος (NRZ-I): Η αντιστροφή πολικότητας (από θετική σε αρνητική και αντιστρόφως) αντιπροσωπεύει το bit ‘1’, ενώ στο ‘0’ δεν πραγματοποιείται καμία μεταβολή. Είναι κατανοητό ότι και στην περίπτωση αυτή, μια μεγάλη ακολουθία από ‘0’ μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα συγχρονισμού. 11

12 2. Πολική Κωδικοποίηση (Polar Encoding) - RZ (Return to Zero)  Χρησιμοποιούνται τρεις τάσεις σήματος: μια αρνητική, μια θετική και η μηδενική. Το bit ‘1’ κωδικοποιείται σε μια μετάβαση από θετική τάση σε μηδενική, ενώ το ‘0’ αντιπροσωπεύεται από μια μετάβαση από αρνητική σε μηδενική τάση. Οι μεταβάσεις πραγματοποιούνται εντός του διαστήματος του κάθε bit.  Η τεχνική αυτή επιλύει το πρόβλημα έλλειψης συγχρονισμού, αλλά καταλαμβάνεται μεγαλύτερο εύρος ζώνης. 12

13 2. Πολική Κωδικοποίηση (Polar Encoding) - Διφασική Κωδικοποίηση (Biphase)  Αποτελεί την καλύτερη λύση ενάντια στην έλλειψη συγχρονισμού. Υπάρχουν 2 παραλλαγές: ◦ Manchester Encoding: Το ‘1’ αντιπροσωπεύεται από μία μετάβαση από αρνητική προς θετική τάση, ενώ το ‘0’ από μια μετάβαση από θετική προς αρνητική τάση. Οι μεταβάσεις πραγματοποιούνται εντός του διαστήματος του κάθε bit. ◦ Differential Manchester Encoding: Η αλλαγή πολικότητας στη διάρκεια του κάθε bit χρησιμοποιείται για συγχρονισμό, ενώ η αναπαράσταση του κάθε bit πραγματοποιείται από την αντιστροφή (‘0’) ή τη μη αντιστροφή (‘1’) του σήματος στην αρχή του κάθε bit. 13

14 3. Διπολική Κωδικοποίηση (Bipolar Encoding) - ΑΜΙ (Alternate Mark Inversion) Πρόκειται για την απλούστερη μορφή διπολικής κωδικοποίησης, τo ‘0’ αντιστοιχίζεται σε 0 V και το ‘1’ εναλλάξ σε +A V και -A V. Παρουσιάζει αδυναμίες συγχρονισμού για μεγάλες ακολουθίες από ‘0’. 14

15 3. Διπολική Κωδικοποίηση (Bipolar Encoding) - B8ZS (Bipolar 8-Zero Substitution)  Αποτελεί την Αμερικάνικη λύση στο πρόβλημα έλλειψης συγχρονισμού για μεγάλες ακολουθίες από ‘0’. Πάλι τo ‘0’ αντιστοιχίζεται σε 0 V και το ‘1’ εναλλάξ σε +A V και -A V. Σε μια ακολουθία από οκτώ ‘0’, αλλάζουν οι πολικότητες με βάση την πολικότητα του προηγούμενου ‘1’, ως εξής: Αν οι ακολουθία είναι της μορφής: +00000000 τότε αλλάζει σε: +000+–0–+. Αν η ακολουθία είναι της μορφής: –00000000 τότε αλλάζει σε –000–+0+–. 15

16 3. Διπολική Κωδικοποίηση (Bipolar Encoding) - HDB3 (High-Density Bipolar 3)  Αποτελεί την Ευρωπαϊκή και Ιαπωνική λύση στο πρόβλημα έλλειψης συγχρονισμού για μεγάλες ακολουθίες από ‘0’.  Πάλι τo ‘0’ αντιστοιχίζεται σε 0 V και το ‘1’ εναλλάξ σε +A V και -A V.  Σε μια ακολουθία από τέσσερα ‘0’, αλλάζουν οι πολικότητες με βάση την πολικότητα του προηγούμενου ‘1’ και τον αριθμό των ‘1’ μετά την τελευταία αντικατάσταση, ως εξής:  Αν ο αριθμός των ‘1’ είναι περιττός τότε πραγματοποιούνται οι αλλαγές: Από +0000 σε +000+ και από –0000 σε –000–.  Αν ο αριθμός των ‘1’ είναι άρτιος πραγματοποιούνται οι αλλαγές: Από +0000 σε +–00– και από – 0000 σε –+00+. 16

17 Άσκηση 1 17 ΑΜΙ Παράδειγμα με τις 3 τεχνικές κωδικοποίησης 1)RZ Το bit ‘1’ κωδικοποιείται σε μια μετάβαση από θετική τάση σε μηδενική, ενώ το ‘0’ αντιπροσωπεύεται από μια μετάβαση από αρνητική σε μηδενική τάση. Οι μεταβάσεις πραγματοποιούνται εντός του διαστήματος του κάθε bit. 2) Bi-phase (Manchester) Το ‘1’ αντιπροσωπεύεται από μία μετάβαση από αρνητική προς θετική τάση, ενώ το ‘0’ από μια μετάβαση από θετική προς αρνητική τάση. Οι μεταβάσεις πραγματοποιούνται εντός του διαστήματος του κάθε bit. 3) Bi-Polar (AMI) Το ‘1’ εναλλάσσεται θετικά - αρνητικά Manchester

18 Άσκηση 2 18 ΑΜΙ Συμπληρώστε τα bits για τις 4 τεχνικές κωδικοποίησης Manchester

19 Βασικές έννοιες Baud - είναι συνώνυμο με το σύμβολα ανά δευτερόλεπτο. Είναι η μονάδα του symbol rate, ή baud rate ή modulation rate πχ ένα baud rate των 1 kBd = 1,000 Bd ισοδυναμει με ένα symbol rate των 1,000 symbols ανά second. Στην περίπτωση του modem αυτό είναι 1,000 tones ανά second Baud rate (N baud )- καθορίζει το bandwidth που απαιτείται για να αποσταλεί ένα σήμα Bit rate - baud rate επί τον αριθμό των bits που αντιπροσωπεύει κάθε signal unit. Baud rate= Bit rate/αριθμός bits ανά baud Φέρον σήμα - υψηλής συχνότητας αναλογικό σήμα που χρησιμοποιείται σαν βάση για το σήμα της πληροφορίας (information signal). Η πληροφορία κωδικοποιείται διαμορφώνοντας το φέρον σήμα Την συχνότητα φέροντος θα την συμβολίζουμε f c 19

20 Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 Ένα αναλογικό σήμα μεταφέρει 4 bits σε κάθε signal unit. Αν στέλνονται 1000 signal units ανά δευτερόλεπτο ποσο είναι το baud rate και το bit rate; Λύση Baud rate: 1000 bauds per second Bit rate: 1000x4=4000bps 20 Παράδειγμα 2 To bit rate ενός σήματος είναι 3000. Αν κάθε signal unit μεταφέρει 6 bits πόσο είναι το baud rate; Λύση Baud rate=3000/6= 500baud/s

21 Διαμόρφωση ψηφιακού σήματος στην ευρεία ζώνη  Πρόκειται για τη διαδικασία που πραγματοποιείται από ένα modem, κατά τη μετάδοση πληροφοριών μεταξύ δύο υπολογιστών διαμέσου συνήθως ενός τηλεφωνικού δικτύου (PSTN).  Υπάρχουν 4 γνωστοί μηχανισμοί που πραγματοποιούν τη μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό: 1.ASK (Amplitude Shift Keying) 2.FSK (Frequency Shift Keying) 3.PSK (Phase Sift Keying) 4.QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 21

22 ASK (Amplitude Shift Keying)  Οι μεταβολές ανάμεσα στα bits ‘0’ και ‘1’ αναπαριστώνται από αντίστοιχες μεταβολές στο πλάτος του φέροντος σήματος, ενώ η φάση και η συχνότητα παραμένουν σταθερές.  Τόσο στο ‘0’ όσο και στο ‘1’ αντιστοιχεί συγκεκριμένο, σταθερό πλάτος.  Αυτού του είδους η μετάδοση είναι ευάλωτη σε φαινόμενα θορύβου.  Δημοφιλείς ASK τεχνική η on/off keying (OOK) όπου ένα bit αναπαριστάται χωρίς τάση (για εξοικονόμηση ενέργειας) 22

23 ASK (Amplitude Shift Keying) - bandwidth B=(1+d)xN baud Β: Bandwidth d: Παράγοντας σχετικός με την διαδικασία διαμόρφωσης με ελάχιστο το 0 N baud : το baud rate Το ελάχιστο bandwidth για την ASK ισούται με το N baud 23

24 ASK – Παραδείγματα (1)Βρείτε το ελάχιστο bandwidth για την ASK μετάδοση σήματος στα 2000bps σε half-dublex. Λύση Στην ASK bit rate ισούται με το baud rate οπότε N baud =2000 Ένα σήμα ASK απαιτεί το ελάχιστο bandwidth να είναι ίσο με το N baud Άρα B min =2000Hz 24 (2)Ποιο είναι το baud rate και bit rate για ένα ASK σήμα με bandwidth στα 5000Hz ; Λύση Στην ASK το baud rate είναι το ίδιο με το bandwidth οπότε N baud =5000 Τέλος το baud rate είναι το ίδιο με το bit rate Άρα το bit rate θα είναι 5000bps

25 ASK – Παραδείγματα (3) Για μια full-dublex ASK επικοινωνία με bandwidth 10.000Hz (1.000- 11.000Hz) βρείτε την συχνότητα φέροντος και το bandwidth για κάθε κατεύθυνση Λύση Β=10000/2=5000Hz για κάθε κατεύθυνση Οι συχνότητες φέροντος μπορούν να επιλεχθούν στο μέσο κάθε μπάντας: f c(fbackard) =1000+5000/2=3500Hz f c(forward) =11000-5000/2=8500Hz 25

26 FSK (Frequency Shift Keying) Το ‘0’ και το ‘1’ αναπαριστώνται από δύο διαφορετικές συχνότητες του φέροντος σήματος. Η φάση και το πλάτος διατηρούνται σταθερά. 26

27 FSK (Frequency Shift Keying) - Bandwidth B=f c1 -f c0 +N baud f c1 -f c0 : Η διαφορά των δυο συχνοτήτων φέροντος N baud : baud rate 27

28 FSK – Παραδείγματα (1) Βρείτε το ελάχιστο bandwidth για ένα FSK σήμα που μεταδίδεται στα 2000bps. H μετάδοση γίνεται σε half-dublex ενώ οι συχνότητες φέροντος διαφέρουν κατά 3000Hz Λύση B=f c1 -f c0 +N baud To bit rate είναι το ίδιο με το N baud Οπότε B=3000+2000=5000Hz 28 (2) Βρείτε το μέγιστο bit rate για ένα FSK σήμα αν το bandwidth του μέσου είναι 12.000Hz και οι συχνότητες φέροντος διαφέρουν κατά 2.000Hz. Η μετάδοση γίνεται σε full-dublex. Λύση Αφού η μετάδοση είναι full-dublex μόνο 6000 Hz θα διατίθενται σε κάθε κατεύθυνση. B=f c1 -f c0 +N baud ->N baud =B-(f c1 -f c0 )-> N baud =6000-2000=4000 Τέλος επειδή το baud rate ισούται με το bit rate: Bit rate=4000bps

29 PSK (Phase Shift Keying)  Διακυμάνσεις στη φάση του φέροντος σήματος αναπαριστούν τις μεταβολές ανάμεσα στο ‘0’ (0 o ) και στο ‘1’ (180 o ), ενώ η συχνότητα και το πλάτος παραμένουν σταθερά.  Δίδεται η δυνατότητα στο κάθε baud να μεταφέρει περισσότερα του ενός bit.  Η PSK δεν επηρεάζεται τόσο από τον θόρυβο όπως η ASK και δεν έχει τους περιορισμούς στο bandwidth όπως η FSK  Ο μόνος περιορισμός του PSK είναι η ικανότητα του εξοπλισμού να αναγνωρίζει μικρές αλλαγές στην φάση. Αυτό μπορεί να περιορίσει το bit rate. 29

30 PSK (Phase Shift Keying), M-PSK Η μέθοδος της προηγούμενης διαφάνειας ονομάζεται 2-PSK ή binary PSK λόγω των 2 φάσεων που χρησιμοποιεί (0 ο και 180 ο ), M=2 Αντί να χρησιμοποιούμε μόνο 2 φάσεις μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε 4 φάσεις (4-PSK ή Q-PSK),, M=4 Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε 8 φάσεις (8-PSK) M=8 30

31 PSK (Phase Shift Keying) - Bandwidth 31 Το ελάχιστο Bandwidth που απαιτείται για την PSK είναι ίσο με αυτό για την ASK Όμοια το Baud rate είναι το ίδιο με την ASK Το bit rate μπορεί να είναι 2 ή περισσότερες φορές μεγαλύτερο Bit Rate = Baud Rate * log 2 (M)

32 PSK – Παραδείγματα (1) Να βρεθεί το bandwidth για ένα 4-PSK σήμα που μεταδίδεται στα 2000bps σε half dublex Λύση Για 4-PSK το baud rate είναι το ½ του bit rate οπότε N baud =1000 Ένα PSK σήμα απαιτεί bandwidth ίσο με το baud rate. Οπότε B=1000Hz 32 (2) Για bandwidth 5000Hz σε half-duplex 8-PSK για ένα PSK σήμα πόσο είναι το baud rate και πόσο το bit rate; Λύση Για ένα PSK σήμα το baud rate είναι ίδιο με το bandwidth, οπότε N baud =5000 Όμως για το 8-PSK το bit rate είναι τριπλάσιο από το baud rate Οπότε bit rate=15.000bps

33 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)  Είναι συνδυασμός των ΑSK και PSK. Παρέχει ακόμη μεγαλύτερη αναλογία bit/baud συγκριτικά με την διαδικασία PSK.  Η διαδικασία QAM παρέχει τα ίδια πλεονεκτήματα με τις ASK και PSK, και χρησιμοποιεί το ίδιο εύρος ζώνης.  Θεωρητικά υπάρχουν άπειρες διαφοροποιήσεις της QAM 33 Το ελάχιστο Bandwidth που απαιτείται για την PSK είναι ίσο με αυτό για την ASK Όμοια το Baud rate είναι το ίδιο με την ASK Το bit rate μπορεί να είναι 2 ή περισσότερες φορές μεγαλύτερο Bit Rate = Baud Rate * log 2 (M)

34 QAM – Παραδείγματα (1) Υπολογίστε το bit rate για ένα 1000 baud 16-QAM σήμα Λύση Στην 16-QAM ένα baud περιέχει log 2 16=4 bits Οπότε το bit rate θα είναι 4x1000=4000bps 34 (2) Υπολογίστε το baud-rate για 72.000bps 64-QAM σήμα Λύση Σε ένα 64-QAM σήμα, κάθε baud έχει 6 bits (log 2 64=6) Οπότε το N baud =72.000/6=12.000baud

35 Διαμόρφωση αναλογικού σήματος σε ψηφιακό σήμα  Η διαδικασία μετατροπής του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό είναι γνωστή με τον όρο παλμοκωδική διαμόρφωση (PCM – Pulse Code Modulation). H PCM περιλαμβάνει 4 στάδια: Διαμόρφωση εύρους παλμού (PAM – Pulse Amplitude Modulation): Πρόκειται για το στάδιο της δειγματοληψίας του αναλογικού σήματος. Ο ρυθμός της δειγματοληψίας προσδιορίζεται από το θεώρημα του Nyquist. Σύμφωνα με αυτό, ο ρυθμός δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσιος της μέγιστης συχνότητας που παρατηρείται στο αναλογικό σήμα. Κβάντωση (Quantization): Σε αυτό το στάδιο γίνεται η απόδοση διακριτών τιμών στα δείγματα που προήλθαν από το στάδιο PAM. Ψηφιακή Κωδικοποίηση (Binary Encoding): Εδώ οι διακριτές τιμές κωδικοποιούνται στο δυαδικό σύστημα. Ο αριθμός των bits για το κάθε δείγμα εξαρτάται από το επίπεδο ακρίβειας που απαιτήθηκε στο δεύτερο στάδιο. Μετατροπή της Ψηφιακή Πληροφορίας σε Ψηφιακό Σήμα (Digital-to-digital Encoding): Πρόκειται για τη διαδικασία που περιγράφηκε στις προηγούμενες διαφάνειες. Ο ρυθμός των bits του ψηφιακού σήματος δίνεται από τον τύπο: Ρυθμός bit = Ρυθμός δειγματολειψίας x Αριθμός bit ανά δείγμα. 35

36 PCM – Pulse Code Modulation Τα 4 στάδια της PCM 36 3.Ψηφιακή Κωδικοποίηση (Binary Encoding) 2.Κβάντωση (Quantization) 1.Διαμόρφωση εύρους παλμού (PAM – Pulse Amplitude Modulation) 4.Μετατροπή της Ψηφιακή Πληροφορίας σε Ψηφιακό Σήμα (Digital-to-digital Encoding) με Unipolar encoding

37 PCM – Σχηματικό διάγραμμα 37

38 Διαμόρφωση αναλογικού σήματος σε ψηφιακό σήμα  Εκτός από την Παλμοκωδική Διαμόρφωση, η ανάγκη για όσο το δυνατόν λιγότερα bit κατά την ψηφιοποίηση έχει οδηγήσει σε διάφορες έξυπνες τεχνικές δειγματοληψίας.  Τέτοιες είναι η Διαφορική Παλμοκωδική Διαμόρφωση (Differential PCM), η Διαμόρφωση Δέλτα (Delta Modulation) και η Προγνωστική Κωδικοποίηση (Predictive Encoding) που αποτελεί βελτίωση του διαφορικού PCM. 38

39 Παραδείγματα (1) Ποιος ρυθμός δειγματοληψίας απαιτείται για ένα σήμα με φάσμα (1.000Hz – 11.000Hz); Λύση Σύμφωνα με το Θεώρημα του Nyquist, o ρυθμός δειγματοληψίας πρέπει να είναι ΤΟΥΛΑΧΙΣΤΟΝ διπλάσιος της μέγιστης συχνότητας του σήματος δηλ 2x11.000=22.000 δείγματα / sec 39 (2) Θέλουμε να ψηφιοποιήσουμε την ανθρώπινη ομιλία. Ποιο είναι το ΕΛΑΧΙΣΤΟ bit rate θεωρώντας 8bits ανά δείγμα; Λύση Oι συχνότητες της ανθρώπινης ομιλίας είναι κανονικά από 0-4000Hz οπότε ο ΕΛΑΧΙΣΤΟΣ ρυθμός δειγματοληψίας θα είναι ΕΛΑΧΙΣΤΟΣ Ρυθμός δειγματολειψίας=2x4000=8000δείγματα/sec ΕΛΑΧΙΣΤΟΣ bit rate= Ρυθμός δειγματοληψίας x Αριθμός bit ανά δείγμα=8000x8=64Kbps

40 Διαμόρφωση αναλογικού σήματος (πληροφορίας) σε αναλογικό σήμα  Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή στα ραδιοφωνικά δίκτυα. Υπάρχουν τρεις τύποι μετατροπής: 1. AM (Amplitude Modulation): Το φέρον σήμα μεταβάλλει το πλάτος του σύμφωνα με τις μεταβολές του πλάτους του αρχικού σήματος, ενώ διατηρεί τη φάση και τη συχνότητά του σταθερές. 2. FM (Frequency Modulation): Το φέρον σήμα μεταβάλλει τη συχνότητά του σύμφωνα με τις μεταβολές του πλάτους του αρχικού σήματος, ενώ διατηρεί τη φάση και το πλάτος του σταθερά. 3. PM (Phase Modulation): Το φέρον σήμα μεταβάλλει την φάση του σύμφωνα με τις μεταβολές του πλάτους του αρχικού σήματος, ενώ διατηρεί το πλάτος και τη συχνότητά του σταθερά. 40

41 AM-FM Bandwidth To Bandwidth για ένα ΑΜ σήμα είναι διπλάσιο από το προς διαμόρφωση σήμα – Το bandwidth ενός σήματος ήχου (ομιλία και μουσική) είναι συνήθως 5KHz. Οπότε ένας ραδιοφωνικός σταθμός ΑΜ χρειάζεται τουλάχιστον 10KHz. Το Bandwidth για ένα FM σήμα είναι δέκα φορές μεγαλύτερο από το προς διαμόρφωση σήμα. – Σήμα για στερεοφωνική μετάδοση είναι σχεδόν 15KHz. Οπότε κάθε σταθμός FM απαιτεί bandwidth 1,5-0,2MHz για να μην υπάρχουν παρεμβολές 41

42 (1) Έχουμε ένα σήμα ήχου στα 5KHz. Πόσο bandwidth θα χρειαστούμε αν διαμορφώσουμε το σήμα με AM; Λύση Ένα ΑΜ σήμα απαιτεί διπλάσιο bandwidth από το αρχικό οπότε 2x5=10KΗz 42 Παραδείγματα (2) Έχουμε ένα σήμα ήχου στα 4MHz. Πόσο bandwidth θα χρειαστούμε αν διαμορφώσουμε το σήμα με FM; Λύση Ένα FM σήμα απαιτεί το 10πλάσιο bandwidth του αρχικού, οπότε 40MHz

43 ΑΛΛΟΙΩΣΕΙΣ ΣΗΜΑΤΩΝ  Τόσο τα αναλογικά όσο και τα ψηφιακά σήματα υπόκεινται σε τρία είδη αλλοιώσεων. Αυτά είναι η εξασθένηση, η παραμόρφωση και ο θόρυβος. Τα τρία αυτά φαινόμενα συνυπάρχουν και παράγουν ένα συνδυασμένο αποτέλεσμα. Η ανάλυση των αλλοιώσεων αυτών πραγματοποιείται στις παρακάτω διαφάνειες και γίνεται για την κάθε μια χωριστά.  Για την επίλυση του προβλήματος αυτού, χρησιμοποιούνται ενισχυτές (amplifiers) για την περίπτωση των αναλογικών σημάτων και επαναλήπτες (repeaters) για τα ψηφιακά σήματα, κατά μήκος του μέσου διάδοσης (γραμμής). Και οι δύο συσκευές αποτελούνται από δύο τμήματα: το πρώτο ενισχύει το πλάτος του σήματος εξαλείφοντας την εξασθένηση, ενώ το δεύτερο (Equalizer – Εξισωτής) αντιμετωπίζει την παραμόρφωση. Λόγω των δύο μόνο καταστάσεων των ψηφιακών σημάτων, ένας επαναλήπτης, αφού εξαλείψει την εξασθένηση και την παραμόρφωση, μπορεί να προβλέψει με ασήμαντο ποσοστό σφαλμάτων (1/10 12 ) το αρχικό σήμα του πομπού, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνει απομάκρυνση του θορύβου. Κάτι τέτοιο είναι αδύνατο στην περίπτωση του ενισχυτή και των αναλογικών σημάτων. 43

44 Εξασθένηση (Attenuation)  Η εξασθένηση του σήματος είναι η μείωση του πλάτους του κατά μήκος του μέσου μετάδοσης.  Ανάλογα με τον τύπο του μέσου μετάδοσης, υπάρχει ένα οριακό σημείο του πέρα από το οποίο θεωρείται ότι ο παραλήπτης του σήματος δεν μπορεί να ανιχνεύσει και να ερμηνεύσει αξιόπιστα το λαμβανόμενο σήμα. Στα οριακά αυτά σημεία του μέσου μετάδοσης τοποθετούνται οι ενισχυτές ή οι επαναλήπτες.  Η διαδικασία αντιμετώπισης της εξασθένησης λέγεται ενίσχυση (amplification ή gain). Μονάδα μέτρησης της εξασθένησης και της ενίσχυση είναι το decibel (dB). 44 Η εξασθένηση κατά μήκος μιας γραμμής είναι: Σε ένα κανάλι πολλαπλών τμημάτων, η ολική εξασθένηση ή ενίσχυση του μεταδιδόμενου σήματος προκύπτει από το αλγεβρικό άθροισμα των εξασθενήσεων και των ενισχύσεων στα επιμέρους τμήματα.

45 Παραμόρφωση (Distortion)  Το φαινόμενο της παραμόρφωσης εμφανίζεται στα σύνθετα σήματα και οφείλεται στις διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης των επιμέρους ημιτονικών σημάτων που τα αποτελούν.  Η ταχύτητα διάδοσης εξαρτάται από τη συχνότητα. Επομένως τα σήματα με διαφορετικές συχνότητες φθάνουν στον προορισμό με διαφορετικές καθυστερήσεις. Αυτό οδηγεί στην παραμόρφωση του αρχικού σύνθετου σήματος. 45

46 Θόρυβος (Noise)  Ο θόρυβος προκαλείται από διάφορες αιτίες, αλλά κυρίως οφείλεται στα χαρακτηριστικά του μέσου μετάδοσης.  Για κάθε μέσο μετάδοσης δίνεται από τον κατασκευαστή ο σηματοθορυβικός λόγος S/N ή SNR (Signal-to-Noise Ratio), o οποίος δίνεται από τη σχέση: όπου S είναι η ισχύς του σήματος και Ν είναι η ισχύς του θορύβου. Ο λόγος SNR μετριέται σε decibel.  Οι κυριότερες αιτίες θορύβου είναι οι ακόλουθες: Οι τυχαίες κινήσεις των ηλεκτρονίων στα ενσύρματα μέσα μετάδοσης (Thermal Noise). Οι επιδράσεις πάνω στο μέσο μετάδοσης από διάφορες εφαρμογές, όπως είναι οι γεννήτριες (Induced Noise). Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις διάφορες ενσύρματες γραμμές (Crosstalk). Οι στιγμιαίες επιδράσεις διαφόρων εξωτερικών παραγόντων, όπως είναι οι αστραπές ή άλλες πηγές υψηλής ενέργειας (Impulse Noise). 46

47 Χαρακτηριστικά μέσων μετάδοσης (Σύνοψη)  Εύρος ζώνης (Bandwidth) [B]: σχετίζεται άμεσα με την ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να μεταφέρει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διατρέχει ένα μέσο. Μεγαλύτερο εύρος ζώνης -> μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης Παράδειγμα: Κατά την μετάδοση φωνής (και δεδομένων) στο σύστημα PSTN, τα τηλεφωνικά καλώδια χαλκού υποστηρίζουν συχνότητες από 300Hz έως 3.300Ηz, οπότε Β=3KHz  Χωρητικότητα (Capacity) [C]: εκφράζει τον μέγιστο ρυθμό με τον οποίο μπορούμε να στείλουμε ή να λάβουμε δεδομένα (χωρίς σφάλματα)  Ρυθμός σφάλματος δυαδικού ψηφίου (Bit error rate) [BER]: εκφράζει την πιθανότητα μετάδοσης εσφαλμένων δυαδικών ψηφίων, αφού υπολογίζει το ποσοστό των δυαδικών ψηφίων που στάλθηκαν αλλά παρελήφθησαν εσφαλμένα. Για παράδειγμα για ρυθμό σφάλματος δυαδικού ψηφίου 1,5 x 10 -9 έχει συμφωνηθεί να εννοούμε την παρουσία 1,5 λανθασμένων δυαδικών ψηφίων (κατά μέσο όρο) σε ένα σύνολο 10 9 αποστελλόμενων δυαδικών ψηφίων. Φυσικά ο αριθμός αυτός ποικίλει ανάλογα με τον τύπο της πληροφορίας που αποστέλλεται. 47

48 Θεώρημα Nyquist - Εάν το σήμα αποτελείται από V διακεκριμένα επίπεδα, τότε ισχύει η ακόλουθη σχέση: Μέγιστος Ρυθμός Μετάδοσης Δεδομένων =2*B*log 2 V (bit/sec). - Ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων αντιπροσωπεύει την χωρητικότητα (Capacity - C) του συστήματος. Επομένως: C = 2Blog 2 V (bit/sec) Παράδειγμα: Για ψηφιακό σήμα (two voltage levels – δύο επίπεδα σήματος) C=2B 48

49 Θεώρημα Shannon – Hartley O μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων ενός καναλιού με θόρυβο, του οποίου το εύρος ζώνης είναι Β Hz και ο σηματοθορυβικός λόγος είναι S / N, δίνεται από τη σχέση: όπου: R: αυτό που μπορούμε να στείλουμε στο κανάλι, C: χωρητικότητα καναλιού (bps), B: Εύρος Ζώνης (Hz), S: σήμα (Signal), N: Θόρυβος (Noise). 49

50 Παραδείγματα (1)Ένα modem μεταδίδει με 8 διακριτά επίπεδα σήματος και εύρος ζώνης 3100Hz. Ποια είναι η χωρητικότητα του καναλιού; Λύση Με βάση Nyquist: C = 2B log 2 V (Β=3100Hz, V=8) C=2*3100 log 2 8=18600bps 50 (2) Θεωρούμε μία τυπική τηλεφωνική γραμμή με εύρος ζώνης Β = 3100 Hz και λόγο σήματος προς θόρυβο ίσο με 30 dB. Ποια η θεωρητική χωρητικότητα του καναλιού επικοινωνίας; Σημ.:log 2 x= log 10 x/ log 10 2 Λύση Με βάση Shannon: Αρχικά υπολογίζουμε το 30=10*log 10 (S/N) -> log 10 (S/N) =3 -> S/N=10 3 =1000. Οπότε C=B* log 2 (S/N+1) = 3100*log 2 (1000+1)=30898bps Όπου log 2 1001= log 10 1001/ log 10 2=9.9672

51 (3) Θεωρούμε το φάσμα ενός καναλιού επικοινωνίας μεταξύ 3 MHz και 4 MHz και το SNR ίσο με 24 dB. a) Να υπολογιστεί το θεωρητικό όριο της χωρητικότητας του καναλιού. b) Για αυτό το θεωρητικό όριο πόσα επίπεδα σηματοδοσίας απαιτούνται; Λύση a) Αρχικά υπολογίζουμε το 24=10*log 10 (S/N) -> log 10 (S/N) =2.4 -> S/N=10 2.4 =251 Οπότε από τον τύπο του Shannon C = 10 6 *log 2 (1+251)=7.97Μbps b) Mε βάση Nyquist C = 2Blog 2 V -> 7.97  10 6 = 2  10 6  log 2 V -> 3.985 = log 2 V -> V = 16 (στρογγ. στον πλησιέστερο ακέραιο) 51 Παραδείγματα (4) Nα υπολογίσετε το λόγο σήματος προς θόρυβο που απαιτείται σε μια κοινή τηλεφωνική γραμμή για να επιτευχθεί ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων των μόντεμ στα 46kbps. (Θεωρήστε ότι το εύρος ζώνης είναι 3.000 Hz). Λύση C = Blog 2 (1 + S/N) -> log 2 (1+ S/N)=C/B=46000/3000=15,33 -> 1+ S/N =2 15,33 -> S/N = 41.189 -> (SNR) db = 10*log 10 41189 = 46.14 dB

52 Θεώρημα Shannon – Hartley 52 To θεώρημα αυτό αν και περιορίζεται για την περίπτωση Gaussian θορύβου, η συνέπειά του είναι γενική, αφού στα περισσότερα συστήματα τηλεπικοινωνιών το κανάλι μπορεί να μοντελοποιηθεί από ένα Gaussian κανάλι. Το θεώρημα έχει δύο σπουδαίες συνέπειες. 1) δίνει τη μέγιστη δυνατή τιμή του ρυθμού μετάδοσης αξιόπιστων δεδομένων μέσα από ένα Gaussian κανάλι. Έτσι, κάθε σχεδιασμός συστήματος πρέπει να γίνεται, έτσι ώστε η χωρητικότητα C να πλησιάζει την τιμή της εξίσωσης μ΄ έναν αποδεκτό ρυθμό σφαλμάτων. 2) Η δεύτερη συνέπεια του θεωρήματος αυτού έχει να κάνει με την ανταλλαγή σήματος-προς-θόρυβο με το εύρος ζώνης. Για να γίνει κατανοητή η ανταλλαγή αυτή δίνεται το ακόλουθο παράδειγμα.

53 Να βρεθεί η απαιτούμενη χωρητικότητα καναλιού εύρους ζώνης B = 3 kHz για την ασφαλή μεταφορά δεδομένων με ρυθμό 10 kbps. Επίσης, να υπολογίσετε τη μεταβολή του SNR, όταν το Β = 10 kHz. Λύση Επειδή R = 10000 bps ⇒ C ≥ 10000 bps. Όταν B = 3 kHz ⇒ S/N = 2 C/B - 1 ≅ 9, ενώ όταν B = 10 kHz ⇒ SNR = 1. Δηλαδή, μια αύξηση του εύρους ζώνης από 3 kHz σε 10 kHz, οδηγεί σε μείωση του S/N από 9 σε 1. Οπότε αύξηση του εύρους ζώνης σημαίνει ελάττωση του λόγου σήματος-προς-θόρυβο και, αντίστροφα, ελάττωση του εύρους ζώνης πρέπει να πληρωθεί με αύξηση του λόγου σήματος-προς-θόρυβο, για δεδομένη ποσότητα μεταφερόμενης πληροφορίας. 53 Παράδειγμα

54 Θεώρημα Shannon – Hartley 54 Από το θεώρημα Hartley-Shannon φαίνεται ότι η χωρητικότητα του καναλιού τείνει στο άπειρο, καθώς το εύρος ζώνης Β τείνει στο άπειρο, για ένα κανάλι δίχως θόρυβο. Στην πράξη όμως, η χωρητικότητα του καναλιού δεν απειρίζεται καθώς το εύρος ζώνης τείνει στο άπειρο, αφού αύξηση του εύρους ζώνης έχει σαν συνέπεια την αύξηση της ισχύος του θορύβου. Συνεπώς, για ένα καθορισμένο σήμα ισχύος με την παρουσία Gaussian θορύβου, η χωρητικότητα του καναλιού πλησιάζει ένα άνω όριο καθώς το εύρος ζώνης αυξάνει.

55 ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ 1.Μαγνητικά μέσα 2.Δισύρματες ανοιχτές γραμμές 3.Συνεστραμμένα ζεύγη 4.Ομοαξονικά καλώδια 5.Οπτικές ίνες 6.Δορυφορική Σύνδεση 7.Μικροκύματα 8.Ραδιοκύματα 55

56 1. Μαγνητικά μέσα Η μετάδοση δεδομένων με μαγνητικά μέσα αφορά την εγγραφή τους σε μαγνητικές ταινίες ή δισκέτες και τη φυσική μεταφορά αυτών στην μηχανή λήψης των δεδομένων, η οποία τα διαβάζει στη συνέχεια. Παρόλο που αυτή η μέθοδος είναι η πιο απλή περίπτωση μετάδοσης δεδομένων, μπορεί να αποδειχθεί περισσότερο αποδοτική για περιπτώσεις μεταφοράς όπου απαιτείται υψηλό εύρος ζώνης ή υπάρχει υψηλό κόστος ανά μεταδιδόμενο bit. 56

57 2. Δισύρματες ανοιχτές γραμμές Μετά από τα μαγνητικά μέσα, που αναφέρθηκαν προηγουμένως, οι δισύρματες ανοιχτές γραμμές (two-wire open lines) είναι τα πιο απλά μέσα μετάδοσης. Αυτός ο τύπος γραμμής δύσκολα μπορεί να συνδέσει συσκευές που απέχουν άνω των 50 m, ενώ οι ρυθμοί μετάδοσης των δεδομένων δεν ξεπερνούν το φράγμα των 19,2 Kbps. Αυτό οφείλεται στα έντονα φαινόμενα θορύβου που παρουσιάζονται μεταξύ των γραμμών, εξαιτίας των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στα καλώδια. Οι δισύρματες ανοιχτές γραμμές μπορούν να συνδέουν απευθείας δύο τερματικά ή ένα τερματικό με ένα modem. 57

58 3. Συνεστραμμένα ζεύγη Τα συνεστραμμένα ζεύγη (Twisted Pairs) καλωδίων βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στα τηλεφωνικά συστήματα και δίκτυα. Για αποστάσεις μικρότερες των 100 m, οι ταχύτητες αποστολής δεδομένων μπορούν να φθάσουν το μέγεθος του 1 Mbps, ενώ οι ταχύτητες πέφτουν όσο οι αποστάσεις μεγαλώνουν πέρα από το όριο αυτό. Υπάρχουν, όμως, και καλώδια όπως τα γνωστά UTP Cat-5,6,7 (Unshielded Twisted Pairs – Καλώδια χωρίς Περίβλημα), τα οποία μπορούν να επιτύχουν ακόμα μεγαλύτερες ταχύτητες, με χρήση πολύπλοκων οδηγών και κυκλωμάτων. Ακόμα χρησιμοποιούνται και καλώδια, που λέγονται STP (Shielded Twisted Pairs), τα οποία μειώνουν ακόμη περισσότερο τις επιδράσεις των σημάτων παρεμβολής. 58

59 4. Ομοαξονικά καλώδια Τα ομοαξονικά καλώδια (Coaxial Cable) μπορούν να πετύχουν ταχύτητες μετάδοσης της τάξης των 10 Mbps και άνω για εκατοντάδες μέτρα. Επιπλέον, λειτουργούν σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης της τάξεως των 350 MHz και άνω (σε ορισμένα συστήματα καλωδιακής τηλεόρασης παρατηρείται εύρος ζώνης 500 MHz). Λόγω της κατασκευής τους (4 στρώματα: Χάλκινος πυρήνας, μονωτικό υλικό, εξωτερικός αγωγός – πλέγμα, πλαστικό κάλυμμα προστασίας) παρουσιάζουν μεγάλη ασφάλεια έναντι του θορύβου σε συνδυασμό με το μεγάλο εύρος ζώνης. Υπάρχουν δύο τύποι ομοαξονικών καλωδίων: – τα βασικής ζώνης (Baseband) και – τα ευρείας ζώνης (Broadband). Τα πρώτα χρησιμοποιούνται για ψηφιακή μετάδοση με ρυθμούς της τάξης των 10 Mbps. Τα δεύτερα πραγματοποιούν αναλογική μετάδοση, οπότε ένα ψηφιακό σήμα πρέπει να μετατραπεί πρώτα σε αναλογικό. Τα ευρείας ζώνης αναπτύσσουν ρυθμούς 100 Mbps – 150 Mbps, ενώ προσφέρουν κανάλια με μικρότερο εύρος ζώνης των οποίων ο ρυθμός μετάδοσης είναι της τάξεως των 2 Mbps – 3 Mbps. 59

60 5. Οπτικές ίνες Τα συστήματα οπτικών (Fiber Optic Systems) μεταδίδουν τις πληροφορίες με τη μορφή ακτινών φωτός και όχι ως ηλεκτρικά σήματα όπως γίνεται με τα χάλκινα καλώδια. Το μεγαλύτερο εύρος ζώνης των οπτικών κυμάτων συμβάλλει στην επίτευξη ακόμα μεγαλύτερων ρυθμών. Οι οπτικές ίνες υπερτερούν και σε θέματα ασφάλειας, αφού καθιστούν αδύνατη κάθε προσπάθεια υποκλοπής πληροφοριών. Επίσης, συμβάλλουν στην επίλυση προβλημάτων αλλοίωσης του σήματος, όπως είναι ο θόρυβος. Ένα σύστημα οπτικών ινών αποτελείται από τον πομπό, το μέσο μετάδοσης και τον δέκτη. Ο πομπός χρησιμοποιεί μια δίοδο φωτοεκπομπής (Light Emitting Diode - LED) ή μια δίοδο Laser (Injection Laser Diode) για την μετατροπή ηλεκτρικών σημάτων σε ακτίνες φωτός. Ο δέκτης πραγματοποιεί την αντίστροφη μετατροπή, χρησιμοποιώντας μία φωτοδίοδο ή φωτο – τρανζίστορ. Το μέσο μετάδοσης αποτελείται από τρία τμήματα: το γυάλινο πυρήνα (core), ένα γυάλινο επικάλυμμα (cladding) και ένα εξωτερικό περίβλημα προστασίας (Jacket). Οι δείκτες διάθλασης των δύο εσωτερικών στρωμάτων συνδυάζονται έτσι ώστε οι ακτίνες φωτός που μεταφέρουν τις πληροφορίες να διαθλώνται στο εσωτερικό του πυρήνα, με βάση μια κρίσιμη γωνία διάθλασης. 60

61 5. Οπτικές ίνες (συνέχεια) Ανάλογα με τη διάμετρο της ίνας στον πυρήνα, οι οπτικές ίνες διακρίνονται σε πολύτροπες (Multimode Fiber) και μονότροπες (Single Mode Fiber). Στις πρώτες, η διάμετρος είναι μεγαλύτερη από 10 μm με αποτέλεσμα διαφορετικές ακτίνες φωτός να ανακλώνται με διαφορετικές γωνίες. Στις δεύτερες, η διάμετρος πλησιάζει το μήκος κύματος του φωτός (3 μm– 10 μm) με αποτέλεσμα το φως να μεταφέρεται σε ευθεία γραμμή εντός του πυρήνα. Έτσι, οι ταχύτητες που αναπτύσσονται είναι εξαιρετικά μεγάλες και μπορούν να φθάσουν το όριο κάποιων Gbps. 61

62 6. Δορυφορική Σύνδεση Κατά την μετάδοση με δορυφορική σύνδεση, τα δεδομένα αποστέλλονται με μορφή (ραδιο)κυμάτων σε κάποιον τηλεπικοινωνιακό δορυφόρο, χωρίς να παρεμβάλλεται κάποιο φυσικό μέσο μετάδοσης. Οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι είναι γεωσταθεροί (ή σύγχρονοι), δηλαδή οι τροχιές τους είναι συγχρονισμένες με τη περιστροφή της γης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργούνται σταθερά και ευθύγραμμα μονοπάτια επικοινωνίας ανάμεσα στους επίγειους σταθμούς. Τα σήματα μπορεί να είναι είτε κοινά (coarse) οπότε καλύπτουν ευρείες γεωγραφικές περιοχές, είτε εστιασμένα (focused) οπότε καλύπτουν περιορισμένες εκτάσεις κάποιων εκατοντάδων χιλιομέτρων, με αποτέλεσμα να απαιτούνται δέκτες μικρής διαμέτρου (VSAT – Very Small Aperture Terminals), όπως κεραίες (antennas) και πιάτα (dishes). Οι συχνότητες των δορυφορικών σημάτων ανήκουν στις ζώνες που είναι γνωστές ως ζώνες των 4/6 GHz (3.7 GHz – 4.2 GHz & 5.925 GHz – 6.425 GHz). Λόγω υπερπληρότητας των ζωνών αυτών είναι διαθέσιμες για τις ανάγκες της τηλεπικοινωνίας και ζώνες υψηλότερων συχνοτήτων, των 12/14 GHz και των 20/30 GHZ (οι τελευταίες σε μικρότερο βαθμό λόγω του μεγάλου όγκου εξοπλιστικών δαπανών που απαιτούνται). 62

63 6. Δορυφορική Σύνδεση (συνέχεια) Οι δορυφόροι χρησιμοποιούν έναν αριθμό αναμεταδοτών, καθένας εκ των οποίων ανιχνεύει συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Ο αναμεταδότης λαμβάνει το εισερχόμενο σήμα και το αποστέλλει στον δέκτη με διαφορετική συχνότητα (για να μην υπάρχουν παρεμβολές μεταξύ εισερχόμενου και εξερχόμενου σήματος), αφού πρώτα το ανανεώσει με την χρήση ενός επαναλήπτη. Οι δορυφόροι πλεονεκτούν από τα άλλα μέσα μετάδοσης στο ότι οι καθυστερήσεις μετάδοσης είναι κατά πολύ μικρότερες για μεγάλα μηνύματα (άνω των 2.6 Kbits), ο ρυθμός εμφάνισης σφαλμάτων είναι μικρός και το συνολικό κόστος μετάδοσης είναι μικρό. Όμως, μειονεκτούν στο γεγονός ότι τα φαινόμενα υποκλοπής είναι αναπόφευκτα. 63

64 7. Μικροκύματα Τα μικροκύματα, τα οποία καλύπτουν την περιοχή από 2 GHz έως 40 GHz του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, χρησιμοποιούνται για την επίτευξη τηλεπικοινωνιών σε περιοχές όπου το κόστος εγκατάστασης των φυσικών μέσων μετάδοσης είναι ασύμφορο ή ακόμα η εγκατάσταση τους είναι πρακτικά αδύνατη. Τέτοιες περιοχές είναι ερημικές περιοχές, βάλτοι, ποταμοί κ.α. Τα μικροκύματα παράγονται από μεγάλες κεραίες (antennas), το ύψος των οποίων επηρεάζει την απόσταση μετάδοσης. Το μειονέκτημα αυτού του τρόπου μετάδοσης είναι ότι είναι ευάλωτος στα κακά καιρικά φαινόμενα. Αυτή η μέθοδος επικοινωνίας είναι αποδοτική για αποστάσεις άνω των 50 km. 64

65 8. Ραδιοκύματα Χαμηλής συχνότητας ραδιοκύματα χρησιμοποιούνται σε κινητά τηλέφωνα, σε τοπικά ασύρματα δίκτυα εντός των ορίων μιας πόλης ή πανεπιστημιούπολης. Τα ραδιοκύματα καλύπτουν την ευρύτερη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος από 3 KHz έως 300 GHz. Επομένως, τα μικροκύματα αποτελούν ένα είδος ραδιοκυμάτων. Ανάλογα με το μέγεθος της συχνότητάς τους, τα ραδιοκύματα χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες (VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF). 65

66 Παράλληλη & σειριακή μετάδοση Η παράλληλη μετάδοση επιτρέπει την ταυτόχρονη αποστολή πολλών bit. Δηλαδή, τα 8 bit του ενός byte να μπορούν να μεταφερθούν ταυτόχρονα από τον πομπό στον δέκτη. Κάτι τέτοιο απαιτεί την ύπαρξη 8 διαφορετικών καλωδίων ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη, και επομένως το κόστος είναι αυξημένο. Το πλεονέκτημα της παράλληλης μετάδοσης είναι ο αυξημένος ρυθμός αποστολής των δεδομένων. 66

67 Παράλληλη & σειριακή μετάδοση Στην σειριακή μετάδοση, υπάρχει ένα μόνο καλώδιο ανάμεσα στις δύο συσκευές, διαμέσου του οποίου γίνεται η μεταφορά των δεδομένων. Έτσι, το κόστος είναι πολύ μικρότερο από αυτό της παράλληλης μετάδοσης, αλλά ο ρυθμός αποστολής είναι μικρότερος στην περίπτωση αυτή. Υπάρχουν 2 κατηγορίες σειριακής μετάδοσης: – Ασύγχρονη Μετάδοση: Τα δεδομένα οργανώνονται σε byte των 8 bit. Το κάθε byte αποστέλλεται χωριστά στον δέκτη. Δεν υπάρχει κάποιο σταθερό χρονικό διάστημα ανάμεσα στις αποστολές των byte. Στην αρχή του κάθε byte υπάρχει ένα ψηφίο αφετηρία – το ‘0’ – ώστε να γνωρίζει ο δέκτης ότι ακολουθεί το προς λήψη byte. Στο τα τέλος του byte ακολουθούν ένα ή περισσότερα ψηφία τερματισμού – ένας ή περισσότεροι ‘1’. Επιπλέον, για να ξεχωρίζουν τα bytes, υπάρχει ανάμεσά τους κάποιο κενό, μεταβλητής διάρκειας. Στην ουσία, υπάρχει συγχρονισμός του πομπού και του δέκτη σε επίπεδο byte. – Σύγχρονη Μετάδοση: Υπάρχει συγχρονισμός σε επίπεδο πλαισίων (frames). Το κάθε πλαίσιο αποτελείται από πολλαπλά byte, τα οποία αποστέλλονται με τη σειρά και χωρίς να μεσολαβεί κάποιο κενό ανάμεσά τους. Ο δέκτης επιφορτίζεται με το έργο να ξεχωρίσει τα διάφορα byte. Επομένως, ο αποστολέας αποστέλλει μια ακολουθία από bit και ο δέκτης πρέπει να συγχρονιστεί με αυτή, για να υπάρχει ακρίβεια (accuracy) στα λαμβανόμενα δεδομένα. 67

68 Παράλληλη & σειριακή μετάδοση Κάτι που επίσης αφορά την μετάδοση είναι ο τρόπος επικοινωνίας ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη. Υπάρχουν τρεις δυνατές περιπτώσεις: – Μονόδρομη Επικοινωνία (Simplex): Υπάρχει ένα κανάλι επικοινωνίας, ο πομπός και ο δέκτης είναι διαφορετικές συσκευές και τα δεδομένα μεταφέρονται μόνο προς την μια κατεύθυνση. – Αμφίδρομη, μη ταυτόχρονη (Half duplex): Υπάρχει δυνατότητα επικοινωνίας και προς τις δυο κατευθύνσεις του καναλιού. Ο πομπός και ο δέκτης εναλλάσσουν συνεχώς ρόλους, χωρίς να μπορούν να έχουν τον ίδιο ρόλο συγχρόνως. Έτσι, η μια συσκευή απαντά στις αιτήσεις της άλλης. Προφανώς οι δυο συσκευές πρέπει να μπορούν να εναλλάσσονται μεταξύ των καταστάσεων αποστολής και λήψης μετά από κάθε μετάδοση. – Αμφίδρομη, ταυτόχρονη (Full duplex): Σε αυτήν την περίπτωση επιτυγχάνεται σύγχρονη μετάδοση δεδομένων και προς τις δύο κατευθύνσεις του καναλιού, οπότε πομπός και δέκτης στέλνουν και λαμβάνουν μηνύματα συγχρόνως. 68

69 ΠΟΛΥΠΛΕΞIA (MULTIPLEXING) Πολυπλεξία (Multiplexing) είναι ένα σύνολο από τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την μετάδοση πολλαπλών σημάτων διαμέσου μιας απλής γραμμής μεταφοράς δεδομένων. 1.Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing – FDM) 1.Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing – TDM) 1.Πολυπλεξία Διαίρεσης Κώδικα (Code Division Multiple Acess- CDMA) 69

70 1. Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing – FDM) Αναλογική τεχνική που εφαρμόζεται όταν το bandwidth του μέσου είναι μεγαλύτερο από τα συνδυασμένα bandwidths των απεσταλμένων σημάτων Τα σήματα κάθε συσκευής διαμορφώνουν διαφορετικές συχνότητες φέροντος Οι συχνότητες φέροντος χωρίζονται από αρκετό εύρος ζώνης για να φιλοξενήσουν το διαμορφωμένο σήμα (Κανάλια) Ανάμεσα στα κανάλια υπάρχει αχρησιμοποίητο bandwidth (guard bands) 70

71 1. Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing – FDM) Στην πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας (Frequency Division Multiplexing, FDM), το εύρος ζώνης (bandwidth) του μέσου μετάδοσης υποδιαιρείται σε πολλές μικρότερες ζώνες συχνότητας, οι οποίες ονομάζονται λογικά κανάλια. Κάθε ένα από αυτά τα κανάλια αποδίδεται σε κάθε ένα από τους σταθμούς του συστήματος, οι οποίοι μπορούν να εκπέμψουν ταυτόχρονα, ο καθένας στο δικό του ξεχωριστό κανάλι, πάνω στο οποίο έχει την αποκλειστική χρήση. AM (530-1700KHz band) Όλοι οι ραδιοσταθμοί χρησιμοποιούν την ίδια μπάντα και πρέπει να έχουν bandwidth 10KHz To σήμα στον αέρα είναι συνδυασμός όλων των σημάτων και ο παραλήπτης φιλτράρει το επιθυμητό σήμα Χωρίς πολυπλεξία μόνο ένας σταθμός ΑΜ θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τον αέρα FM (88-108MHz band) Όλοι οι ραδιοσταθμοί χρησιμοποιούν την ίδια μπάντα και πρέπει να έχουν bandwidth 200KHz Τηλεόραση Κάθε κανάλι τηλεόρασης απαιτεί bandwidth 6ΜHz 71

72 1. Παραλλαγή της FDM: Πολυπλεξία Διαίρεσης μήκους κύματος (Wave Division Multiplexing – WDM) Χρησιμοποιείται για υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης σε οπτικές ίνες Η ίδια τεχνική με την FDM αλλά με οπτικά σήματα σε οπτικές ίνες και όχι σε μεταλλικά καλώδια 72

73 1. Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing – FDM) Tο παραπάνω σχήμα αφορά μετάδοση σε συχνότητες 60-72 KHz. Τα τρία σήματα προς μετάδοση, υφίστανται διαμόρφωση προκειμένου να μεταφερθούν από χαμηλές σε υψηλές συχνότητες και στη συνέχεια μεταδίδονται ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας το κάθε ένα το δικό του λογικό κανάλι. 73

74 2. Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing – TDM) Στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου (Time Division Multiplexing, TDM), οι χρήστες εξυπηρετούνται ο ένας μετά τον άλλο, και χρησιμοποιώντας όλο το εύρος ζώνης για μικρό και εντελώς συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Δηλαδή σε αντίθεση με την πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας, όπου ο χρήστης χρησιμοποιεί ένα τμήμα του εύρους ζώνης και για όσο χρονικό διάστημα επιθυμεί, στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, το εύρος ζώνης δεν υποδιαιρείται σε μικρότερα κομμάτια, αλλά αποδίδεται ολόκληρο σε κάθε χρήστη αλλά για μικρότερο χρόνο. Αυτός ο τρόπος πολυπλεξίας χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην ψηφιακή μετάδοση σε αντίθεση με την πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας η οποία χρησιμοποιείται και στην αναλογική μετάδοση δεδομένων. Συνήθως η τεχνική της πολυπλεξίας επιμερισμού χρόνου, εφαρμόζεται στις περιπτώσεις σύγχρονης επικοινωνίας, με τη μετάδοση των δεδομένων να πραγματοποιείται κατά ομάδες. Επιπλέον, επειδή το εύρος ζώνης του μέσου μετάδοσης, αποδίδεται ολόκληρο σε κάθε σταθμό, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας αλγόριθμος επιβολής πειθαρχίας, που θα καθορίζει τη χρονική στιγμή κατά την οποία ο κάθε σταθμός θα αρχίσει να εκπέμπει. Στις πιο συνηθισμένες περιπτώσεις, ο κάθε σταθμός παραμένει σιωπηρός μέχρι τη στιγμή που ο ελεγκτής κυκλοφορίας της διάταξης, του δώσει την άδεια να εκπέμψει. Η τεχνική αυτή είναι γνωστή ως διαλογή (polling). 74

75 2. Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing – TDM) Στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, ο συλλέκτης είναι μια ειδική υπολογιστική διάταξη, ο ρόλος της οποίας είναι η αποθήκευση των δεδομένων που αποστέλλονται από τις τερματικές διατάξεις, με τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορούν να ξαναδιαβαστούν με ρυθμό διαφορετικό από το ρυθμό με τον οποίο αποθηκεύτηκαν. Πρακτικά ο συλλέκτης προσφέρει μνήμη, προκειμένου να αποθηκευτούν προσωρινά τα μηνύματα των τερματικών διατάξεων, έτσι ώστε με τη βοήθεια του κατάλληλου λογισμικού επικοινωνίας, να ελέγξει την κατανομή της διαθέσιμης χωρητικότητας της γραμμής επικοινωνίας. Η αρχή λειτουργίας του συλλέκτη, παρουσιάζεται στο επόμενο σχήμα. Από το σχήμα αυτό, διαπιστώνεται πως ο βασικός του ρόλος είναι να δέχεται δεδομένα εισόδου από μια ομάδα τερματικών, και να συγκεντρώνει τα δεδομένα εξόδου σε μια γραμμή, κάνοντας επίσης και την αντίστροφη λειτουργία. 75

76 2. Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing – TDM) - Παράδειγμα Το φέρον σήμα Τ1 (1.544 Mbps). 76

77 2. Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing – TDM) - Παράδειγμα Πολυπλεξία των Τ1 σε ανώτερα φέροντα σήματα (Τ2, Τ3). 77

78 2. Σύγκριση ΤDMA με FDMA Η βασική διαφορά που υφίσταται ανάμεσα στην πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας και στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, είναι ο διαφορετικός τρόπος κατανομής του καναλιού στους σταθμούς του δικτύου. Στην πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας τα σήματα διαχωρίζονται στην περιοχή συχνοτήτων και εκπέμπονται ταυτόχρονα, ενώ στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, τα σήματα διαχωρίζονται χρονικά αλλά εκπέμπονται στην ίδια περιοχή συχνοτήτων, και χρησιμοποιώντας ολόκληρο το εύρος ζώνης του μέσου μετάδοσης. Από πρακτική άποψη, η πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, φαίνεται πως υπερτερεί της πολυπλεξίας επιμερισμού συχνότητας, σε δύο βασικά σημεία. Το πρώτο σημείο, είναι η καθαρά ψηφιακή φύση του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται – και που σε γενικές γραμμές περιλαμβάνει ένα πολυπλέκτη και ένα συλλέκτη – η οποία οδηγεί σε αξιόπιστη κατασκευαστική απλότητα και σε αποδοτική λειτουργία (αυτό δεν ισχύει για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στην πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας, και ο οποίος είναι καθαρά αναλογικός). Το δεύτερο σημείο αφορά την απουσία ανεπιθύμητων φαινομένων που εμφανίζονται στην πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας, όπως είναι η διασταύρωση σημάτων (cross-talk) και ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης. Αυτά τα φαινόμενα οφείλονται στην ταυτόχρονη μετάδοση πολλών σημάτων σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων, κάτι που δε συμβαίνει στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, όπου σε κάθε χρονική στιγμή, μόνο ένα σήμα διαρρέει το κανάλι. 78

79 2. Βελτιωμένη TDMA: Στατιστική πολυπλεξία Η στατιστική πολυπλεξία αποτελεί μια βελτίωση της πολυπλεξίας επιμερισμού χρόνου, και έχει ως στόχο να μειώσει τα προβλήματα που παρουσιάζονται σε αυτή. Το πιο βασικό από αυτά τα προβλήματα είναι η αναποτελεσματική χρήση της χωρητικότητας της γραμμής εξόδου, σε περιπτώσεις κατά τις οποίες υπάρχουν τερματικά που δεν στέλνουν δεδομένα στο κανάλι. Επειδή η πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στη σύγχρονη μετάδοση, είναι προφανές πως εάν κάποιο τερματικό δεν έχει να στείλει δεδομένα, θα λάβει χώρα αποστολή εικονικών χαρακτήρων (dummy characters), προκειμένου να διατηρηθεί ο συγχρονισμός ανάμεσα στον πομπό και στο δέκτη. Αυτό όμως σημαίνει κακή διαχείριση της χωρητικότητας του καναλιού επικοινωνίας. Σε αντίθεση με τη συνήθη πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου όπου η χωρητικότητα της γραμμής εξόδου του πολυπλέκτη ισούται με το άθροισμα της χωρητικότητας των γραμμών εισόδου που συνδέονται σε αυτόν, στη στατιστική πολυπλεξία (statistical multiplexing), χρησιμοποιείται μια γραμμή εξόδου, με μικρότερη χωρητικότητα. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται συγκέντρωση (concentration), ενώ οι πολυπλέκτες οι οποίοι λειτουργούν με τον τρόπο αυτό, ονομάζονται στατιστικοί πολυπλέκτες ή συγκεντρωτές (concentrators). 79

80 2. Βελτιωμένη TDMA: Στατιστική πολυπλεξία Αυτοί οι πολυπλέκτες λειτουργούν με το μέσο όρο των ροών κυκλοφορίας δεδομένων των γραμμών εισόδου που συνδέονται σε αυτούς, και χρησιμοποιούνται κυρίως στην ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων (asynchronous data transmission) όπου τα μηνύματα έρχονται από τα τερματικά με τυχαίο ρυθμό, και αποθηκεύονται προσωρινά μέχρι τελικά να σταλούν όλα μαζί, μέσα από τη μια και μοναδική γραμμή εξόδου. Επειδή το μήκος του κάθε μηνύματος γενικά μπορεί να είναι οποιοδήποτε, λαμβάνει χώρα προσθήκη επί του μηνύματος ενός προθέματος (prefix), που περιέχει τη διεύθυνση του αποστολέα και του παραλήπτη, καθώς επίσης και οτιδήποτε σχετικό με την προτεραιότητα διακίνησης του μηνύματος από σημείο σε σημείο. Η βασική διαφορά που υφίσταται ανάμεσα στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου και στη στατιστική πολυπλεξία, είναι η τιμή της χωρητικότητας της μιας και μοναδικής γραμμής εξόδου του πολυπλέκτη, η οποία, στην περίπτωση της συνήθους πολυπλεξίας επιμερισμού χρόνου, ισούται με το άθροισμα των χωρητικοτήτων των γραμμών εισόδου που συνδέονται στον πολυπλέκτη, ενώ στη στατιστική πολυπλεξία, η χωρητικότητα αυτή έχει μικρότερη τιμή. 80

81 2. Βελτιωμένη TDMA: Στατιστική πολυπλεξία Πιο συγκεκριμένα, ο πολυπλέκτης λειτουργεί με το μέσο όρο των χωρητικοτήτων των γραμμών εισόδου, κάτι που σημαίνει πως για να λειτουργήσει σωστά αυτό το σχήμα, θα πρέπει ο μέσος φόρτος της γραμμής κάθε τερματικής διάταξης, να είναι σχετικά μικρός, έτσι ώστε να είναι δυνατή η ταυτόχρονη μεταφορά δεδομένων από όλες τις τερματικές διατάξεις. Η στατιστική πολυπλεξία εφαρμόζεται πολύ πιο αποτελεσματικά στην ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων, όπου ο ρυθμός αποστολής δεδομένων από τις τερματικές διατάξεις προς τον πολυπλέκτη είναι τυχαίος και ακανόνιστος. Αυτό σημαίνει πως αν και στην πραγματικότητα ο ρυθμός αποστολής δεδομένων από τις τερματικές διατάξεις, είναι ίσος με το μέσο όρο των ρυθμών μεταφοράς όλων των σταθμών, στην πράξη, εάν κάποιοι άλλοι σταθμοί δεν στέλνουν δεδομένα, η τερματική διάταξη μπορεί να ζητήσει και να πάρει μεγαλύτερο ποσοστό χωρητικότητας του καναλιού. Με τον ίδιο τρόπο όμως ενδέχεται να λάβει χώρα μείωση της διαθέσιμης χωρητικότητας προς τον κάθε σταθμό, κάτι που γίνεται σε περιπτώσεις κατά τις οποίες η κυκλοφορία στο δίκτυο είναι αυξημένη. Αυτό βεβαίως δεν ισχύει στη συνήθη πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, όπου ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων από τον τερματικό σταθμό προς τον πολυπλέκτη, είναι σταθερός και προκαθορισμένος. 81

82 2. Στατιστική πολυπλεξία:Παράδειγμα 1 82

83 2. Στατιστική πολυπλεξία:Παράδειγμα 1 Παρουσιάζονται δύο παραλλαγές της ίδιας περίπτωσης στην οποία λαμβάνει χώρα πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου τεσσάρων τερματικών σε μια γραμμή εξόδου, με ρυθμό μεταφοράς δεδομένων, 4800 bps. Η διαφορά ανάμεσα στις περιπτώσεις (α) και (β), είναι πως στην περίπτωση (α), και τα τέσσερα τερματικά συνδέονται στον στατιστικό πολυπλέκτη, ενώ στην περίπτωση (β), ο στατιστικός πολυπλέκτης δέχεται είσοδο μόνο από τα τρία ασύγχρονα τερματικά, ενώ το σύγχρονο τερματικό, συνδέεται κατευθείαν στο συλλέκτη. Αυτή η διαφοροποίηση, έχει άμεσο αντίκτυπο στους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων από τα τέσσερα τερματικά. Πράγματι στην πρώτη περίπτωση, και δεδομένου ότι η γραμμή εξόδου του πολυπλέκτη, έχει χωρητικότητα 4800 bps, είναι προφανές πως κάθε ένα από τα τέσσερα τερματικά, θα πρέπει να στείλει δεδομένα, με μέσο ρυθμό 1200 bps, παρά το γεγονός πως οι γραμμές εισόδου των στον πολυπλέκτη υποστηρίζουν ρυθμό μεταφοράς δεδομένων ίσο με 2400 bps. Αντίθετα, στην περίπτωση (β), το κάθε ένα από τα τρία ασύγχρονα τερματικά θα στείλει δεδομένα με ρυθμό 800 bps (μια και η χωρητικότητα της γραμμής εξόδου του πολυπλέκτη είναι 2400 bps), αλλά το σύγχρονο τερματικό που συνδέεται κατευθείαν στο συλλέκτη και δεν έχει σχέση με το στατιστικό πολυπλέκτη, μπορεί να στείλει δεδομένα με την πραγματική ταχύτητά του, που είναι τα 2400 bps. Με άλλα λόγια η περίπτωση (β) επιτρέπει στο σύγχρονο τερματικό να στείλει δεδομένα με την πραγματική ταχύτητά του, και όχι με μικρότερη ταχύτητα, όπως συμβαίνει στην περίπτωση (α). 83

84 2. Στατιστική πολυπλεξία:Παράδειγμα 2 84 Στο σχήμα, τα εννέα τερματικά τα οποία επικοινωνούν με το συλλέκτη, είναι χωρισμένα σε τρεις ομάδες των τριών τερματικών η κάθε μια (διότι ενδεχομένως βρίσκονται σε τρία διαφορετικά εργαστήρια, δωμάτια ή ορόφους). Στην περίπτωση αυτή η ροή της πληροφορίας λαμβάνει χώρα μόνο προς τη μία κατεύθυνση – από το συλλέκτη προς τα τερματικά – και το όλο σχήμα δεν είναι παρά ένας στατιστικός πολυπλέκτης πολλαπλών σημείων διότι η πληροφορία δεν κατευθύνεται σε ένα αλλά σε τρία σημεία ταυτόχρονα.

85 3. Code Division Multiple Access - CDMA Στην πολυπλεξία Code Division Multiple Acess (CDMA) η πολυπλεξία επιτυγχάνεται με την χρήση κωδικών για κάθε χρήστη. Στο παράδειγμα που ακολουθεί, δίνεται η χρήση του CDMA για 4 χρήστες που μεταδίδουν δυαδικές ακολουθίες. Δίνονται 6 παραδείγματα ταυτόχρονης εκπομπής και η ανακατασκευή στον δέκτη για κάθε χρήστη. 85

86 3. Code Division Multiple Access – CDMA:Παράδειγμα (a) Δυαδικές ακολουθίες για κάθε χρήστη A- D (b) Διπολικές ακολουθίες για κάθε χρήστη A- D (c) 6 παραδείγματα εκπομπής (d) Ανακατασκευή των σημάτων κάθε χρήστη 86

87 3. Code Division Multiple Access – CDMA:Παράδειγμα Σχηματισμός των ακολουθιών εκπομπής T=1: O C μεταδίδει ένα ‘1’ : S1 = ακολουθία του C AΡΑ S1 =(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) T=2: O B και ο C μεταδίδουν ένα ‘1’ S2 = ακολουθία του Β+ ακολουθία του C ΑΡΑ S2 = (-2 0 0 0 +2 +2 0 -2) T=3: O Α μεταδίδει ένα ‘1’ και ο Β μεταδίδει ένα ‘0’ S3 = ακολουθία του Α + (- ακολουθία του Β) ΑΡΑ S3 = (0 0 -2 +2 0 -2 0 +2) T=4: O Α μεταδίδει ένα ‘1’, ο Β μεταδίδει ένα ‘0’, ο C μεταδίδει ένα ‘1’ S4 = ακολουθία του Α + (- ακολουθία του Β) + ακολουθία του C ΑΡΑ S4 = (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1) T=5: Όλοι μεταδίδουν ένα ‘1’ S5 = ακολουθία του Α + ακολουθία του Β + ακολουθία του C + ακολουθία του D ΑΡΑ S5 = (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2) T=6: Oι A,B,D, μεταδίδουν ένα ‘1’ ο C μεταδίδει ένα ‘0’ S6 = ακολουθία του Α + ακολουθία του Β + (- ακολουθία του C) + ακολουθία του D ΑΡΑ S6 = (-2 0 -2 -2 0 -2 4 0) 87

88 CDMA – Code Division Multiple Access: :Ένα απλό παράδειγμα Λήψη και αποκωδικοποίηση για κάθε χρήστη <>: ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΓΙΝΟΜΕΝΟ ΑΠΟΚ. ΔΙΠΟΛΙΚΩΝ ΑΚΟΛΟΥΘΙΩΝ: 0 ->ΜΗ ΕΚΠΟΜΠΗ (-), -1 -> ΒΙΤ 0, 1 -> ΒΙΤ 1 ΧΡΗΣΤΗΣ Α Τ=1: /8= (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1).(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8 = 0/8 = 0 Τ=2: /8= (-2 0 0 0 +2 +2 0 -2).(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8 = 0/8 = 0 Τ=3: /8= (0 0 -2 +2 0 -2 0 +2).(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8 = 8/8 = 1 Τ=4: /8= (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1).(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8 = 8/8 = 1 Τ=5: /8= (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2).(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8 = 8/8 = 1 Τ=6: /8= (-2 -2 0 -2 0 -2 4 0).(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8 = 8/8 = 1 ΑΡΑ ΛΗΨΗ ΤΗΣ ΔΥΑΔΙΚΗΣ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ - - 1 1 1 1 ΧΡΗΣΤΗΣ B Τ=1: /8= (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1). (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )/8 = 0/8 = 0 Τ=2: /8= (-2 0 0 0 +2 +2 0 -2). (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )/8 = 8/8 = 1 Τ=3: /8= (0 0 -2 +2 0 -2 0 +2). (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )/8 = -8/8 = -1 Τ=4: /8= (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1). (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )/8 = -8/8 = -1 Τ=5: /8= (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2). (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )/8 = 8/8 = 1 Τ=6: /8= (-2 -2 0 -2 0 -2 4 0). (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )/8 = 8/8 = 1 ΑΡΑ ΛΗΨΗ ΤΗΣ ΔΥΑΔΙΚΗΣ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ - 1 0 0 1 1 88

89 CDMA – Code Division Multiple Access: :Ένα απλό παράδειγμα Λήψη και αποκωδικοποίηση για κάθε χρήστη <>: ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΓΙΝΟΜΕΝΟ ΧΡΗΣΤΗΣ C Τ=1: /8= (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1).(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 )/8=8/8=1 Τ=2: /8= (-2 0 0 0 +2 +2 0 -2).(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 )/8 = 8/8=1 Τ=3: /8= (0 0 -2 +2 0 -2 0 +2).(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 )/8=0/8=0 Τ=4: /8= (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1).(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 )/8=8/8=1 Τ=5: /8= (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2).(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 )/8=8/8=1 Τ=6: /8= (-2 -2 0 -2 0 -2 4 0).(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 )/8=-8/8=-1 ΑΡΑ ΛΗΨΗ ΤΗΣ ΔΥΑΔΙΚΗΣ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ 1 1 - 1 1 0 ΧΡΗΣΤΗΣ D Τ=1: /8= (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1).(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 )/8= 0/8=0 Τ=2: /8= (-2 0 0 0 +2 +2 0 -2).(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 )/8= 0/8=0 Τ=3: /8= (0 0 -2 +2 0 -2 0 +2).(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 )/8= 0/8=0 Τ=4: /8= (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1).(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 )/8= 0/8=0 Τ=5: /8= (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2).(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 )/8=8/8=1 Τ=6: /8= (-2 -2 0 -2 0 -2 4 0).(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 )/8=8/8=1 ΑΡΑ ΛΗΨΗ ΤΗΣ ΔΥΑΔΙΚΗΣ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ - - - - 1 1 89