Το 5ο κεφάλαιο στο μάθημα Επικοινωνίες Δίκτυα & Τεχνολογία Η/Υ

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΥΚΤΙΑΔΥΚΤΙΑ ––ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΗΗ//ΥΥ

ΑναλογικάΑναλογικά καικαι ΨηφιακάΨηφιακάΣήματαΣήματα καικαι ΑρχέςΑρχές ΤηλΤηλ//νιωννιων

ΚεφΚεφ. 5. 5

6/3/20136/3/2013 ΛΕΥΘΕΡΟΥΔΗΣΛΕΥΘΕΡΟΥΔΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣΘΕΟΔΩΡΟΣ ΠΕΠΕ17081708 22

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ5.1 Εισαγωγή.5.2 Ο όρος πληροφορία.5.3 Η μονάδα ποσότητας πληροφορίας BIT.5.4 Το τηλεπικοινωνιακό σύστημα.5.5 Χωρητικότητα καναλιού – ΘεώρημαSHANNON.5.6 Ψηφιακή και αναλογική μετάδοση.5.7 Δειγματοληψία – Διαμόρφωση παλμών.5.8 Ψηφιακή μετάδοση αναλογικών σημάτων.– 5.8.1 Παλμοκωδική διαμόρφωση.– 5.8.2 Το σύστημα PCM.


5.15.1 ΕισαγωγήΕισαγωγήΑπό τα βασικότερα χαρακτηριστικά της σημερινήςεποχής είναι η ταχύτατη εξέλιξη της τεχνολογίαςστον τομέα των επικοινωνιών.Τα πρώτα πρωτόγονα τηλεπικοινωνιακά συστήματαήταν συστήματα συγκεκριμένων καταστάσεων.Π.χ. το μήνυμα με την φωτιά.Ήταν ένα συγκεκριμένο μήνυμα που ήτανπροσχεδιασμένο με το άναμμα της φωτιάς.Π.χ. τηλέγραφος.Στην περίπτωση αυτή υπήρχε αντιστοίχηση κάθεμεταδιδόμενου χαρακτήρα σε μια σειρά διακριτώνσυμβόλων (παύλα ή τελεία).


5.15.1 ΕισαγωγήΕισαγωγήΤα συστήματα αυτά που χρησιμοποιούν σύμβολαδιακριτών καταστάσεων, όπως :ΝΑΙ – ΌΧΙ.Άσπρο – μαύρο.Φωτιά – όχι φωτιά.Καπνός – όχι καπνός.0 – 1.Με δύο σύμβολα. Χαρακτηρίζονται ως δυαδικά.Γενικά, τα συστήματα που χρησιμοποιούν διακριτάσύμβολα (ενδεχομένως περισσότερα από δύο)χαρακτηρίζονται ως ψηφιακά.


5.15.1 ΕισαγωγήΕισαγωγήΣτις αρχές του 19ου αιώνα έγινε μια μεγάλη αλλαγήκαι από τα πρώτα συστήματα, που ήταν ουσιαστικάψηφιακά, περάσαμε στα λεγόμενα αναλογικά.Τηλέφωνο.Ραδιόφωνο.Τηλεόραση.Με την είσοδο του 21ου αιώνα η τεχνολογία τωντηλεπικοινωνιών γίνεται πάλι σε μεγάλο βαθμόψηφιακή.Κάθε αναλογικό σήμα μπορεί να μετατραπεί μεκάποια κωδικοποίηση σε ψηφιακό.


5.25.2 ΟΟ όροςόρος πληροφορίαπληροφορίαΗ επικοινωνία γίνεται με μεταβίβαση μηνυμάτωναπό μία θέση σε μία άλλη (πομπός – δέκτης).Information technology From WikipediaΜε τον όρο μήνυμα (Message) εννοείται μια σειράαπό πληροφορίες οι οποίες δίνουν έναολοκληρωμένο και αυτοτελές νόημα.Ένα μήνυμα αποτελείται συνήθως από μια διαδοχήσυμβόλων, τα οποία διακρίνονται μεταξύ τους και ταοποία συνιστούν μια ακολουθία.Π.χ. γράμματα αλφαβήτου, αριθμοί, τελείες –παύλες, ναι – όχι,Η μπορεί να είναι μια συνεχής ακολουθία απόστάθμες ενός μεγέθους.

http://en.wikipedia.org/wiki/Information_technology

http://en.wikipedia.org/wiki/Message

http://en.wikipedia.org/wiki/Information


5.25.2 ΟΟ όροςόρος πληροφορίαπληροφορίαΗ θεωρία πληροφορίας αναπτύχθηκε στηνπροσπάθεια των επιστημόνων, με πρωτεργάτη τονΚλώντ Σάννον (C. Shannon), να βρουν κάθε φοράτην ελάχιστη ποσότητα πληροφορίας που χρειάζεταιγια να εκφραστεί ένα μήνυμα και στην συνέχεια, τονκαλύτερο συνδυασμό συμβόλων για την μετάδοσητου.Ζητούμενο είναι ο ορισμός της απόλυτηςπληροφορίας ή πιο σωστά της ποσότηταςπληροφορίας που περιλαμβάνεται σε ένα σήμα,ώστε να μπορούμε με βάση αυτήν να μετράμε και νααξιολογούμε τα διάφορα συστήματα.

http://en.wikipedia.org/wiki/Claude_Shannon


5.25.2 ΟΟ όροςόρος πληροφορίαπληροφορίαΗ ποσότητα πληροφορίας πρέπει να οριστείαυστηρά, δηλαδή με μία μαθηματική σχέση. Το δεσήμα μπορεί να είναι οτιδήποτε.– Τηλεπικοινωνιακό.– Βιολογικό.– Σήμα εισόδου Η/Υ.– Κ.λ.π.Θα ασχοληθούμε με «ασυνεχή σήματα ή μηνύματα»δηλαδή με ακολουθίες διακριτών συμβόλων.Για να περιέχει ένα μήνυμα μια κάποια πληροφορία,θα πρέπει η εμφάνιση των συμβόλων να είναιαποτέλεσμα μιας επιλογής από πολλά δυνατάσύμβολα.


5.25.2 ΟΟ όροςόρος πληροφορίαπληροφορίαΌσο περισσότερο απίθανος ή δυσεύρετοςείναι ένας συνδυασμός τόσο περισσότερεςπληροφορίες φέρνει μαζί του και αντίστροφα.Ο ορισμός λοιπόν της πληροφορίαςχρησιμοποιεί την έννοια της πιθανότητας.Η πιθανότητα πραγματοποίησης ενόςγεγονότος συνδέεται άμεσα με τηνπληροφορία τη σχετική με το γεγονόςαυτό.Αν η πιθανότητα είναι μεγάλη τότε ηπληροφορία είναι μικρή και αντίστροφα.


5.25.2 ΟΟ όροςόρος πληροφορίαπληροφορίαΑποδεικνύεται ότι η σχέση αυτή τηςποσότητας «I» ενός συμβόλου και τηςπιθανότητας εμφάνισης του «Ρ»,περιγράφεται από τη μαθηματική έννοια τηςλογαριθμικής συνάρτησης.Όπου α η βάση του λογαρίθμου.

P1logI a=


ΛογάριθμοςΛογάριθμοςΛογάριθμος : εάν η δύναμη ενός αριθμούακ=Ν, όπου το α είναι διάφορο του 0 καιτου 1, τότε ο εκθέτης κ=logαΝ ορίζεται ωςλογάριθμος του Ν με βάση το α.Π.χ. 24=16, log2 16=4.Ισχύει επίσης logα α=1 και logα 1=0Λογάριθμος αρνητικού αριθμού δενορίζεταιΗ σχέση Υ=logα χ ονομάζεται λογαριθμικήσυνάρτηση.


ΒοήθειαΒοήθεια 11Τράπεζα, λεφτά (είναι οι πληροφορίες μας,διαδοχικές λέξεις - σύμβολα).Κλέψανε από την τράπεζα λεφτά.(ολοκληρωμένο και αυτοτελές νόημα =μήνυμα).Τ Π Ε Α. (διαδοχικά σύμβολα)Τ Ρ Α Π Ε Ζ Α (ολοκληρωμένο καιαυτοτελές νόημα = μήνυμα).Πάτημα πλήκτρου σε πληκτρολόγιο.


ΒοήθειαΒοήθεια 22Πχ χρησιμοποιόντας ως σύμβολα ταγράμματα της αλφαβήτου.Εάν μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμεμόνο τα γράμματα α,β,γ τότε θαμπορούσαμε να στείλουμε μόνο την λέξηαβγά.Εάν είχαμε στην διάθεσή μας όλα ταγράμματα τότε το μήνυμα μας θα περιείχεπερισσότερες πληροφορίες.


ΒοήθειαΒοήθεια 33

ΗΛΙΟΣΗΛΙΟΣΌΧΙΌΧΙ (0)(0)

ΒΡΟΧΗΒΡΟΧΗΝΑΙΝΑΙ (1)(1)

ΒΡΟΧΗΒΡΟΧΗ1111

ΣΥΝΕΦΑΣΥΝΕΦΑ++ΗΛΙΟΣΗΛΙΟΣ0011

ΗΛΙΟΣΗΛΙΟΣ++ΣΥΝΕΦΑΣΥΝΕΦΑ1100

ΗΛΙΟΣΗΛΙΟΣ0000ΒΡΟΧΗΒΡΟΧΗΝΑΙΝΑΙ (1)(1)


ΒοήθειαΒοήθεια 44Ας πάρουμε την περίπτωση στην οποία είσαστεμάρτυρες ενός τροχαίου ατυχήματος ή πιθανού τροχαίουατυχήματος.Δύο αυτοκίνητα τρέχουν με κάποια ταχύτητα καισυναντιούνται σε μία διασταύρωση, εκείνη την στιγμή καικάποια λεπτά πριν τρακάρουν θα μπορούσατε ναφωνάξετε :«ωχ, θα τρακάρουν».Η πιθανότητα να συμβεί το γεγονός είναι μεγάλη και ηπληροφορία που εκπέμπετε εκείνη την χρονική στιγμήμικρή σε μέγεθος.Σε αντίθετη περίπτωση, αν ο ένας οδηγός πάει πιο σιγά;«ευτυχώς που ο ένας πάει πιο σιγά και θα την γλυτώσει»(η πιθανότητα να συμβεί το γεγονός είναι μικρή και ηπληροφορία που εκπέμπετε εκείνη την χρονική στιγμήμεγάλη σε μέγεθος).


5.35.3 ΗΗ μονάδαμονάδα ποσότηταςποσότητας πληροφορίαςπληροφορίας ««BITBIT»»

Για να ορίσουμε τώρα την απλούστερη μονάδαποσότητας πληροφορίας, θα θεωρήσουμε τηνπερίπτωση που έχουμε δύο μονό δυνατά σύμβολαΑ και Β (αφού με ένα μόνο δεν γίνεται μήνυμα) καιθα τα θεωρήσουμε ισοπίθανα.Δηλαδή : η πιθανότητα εμφάνισης του καθενός είναιΡ=50% ή Ρ=1/2.Τότε η ποσότητα πληροφορίας θα είναι :

12logP1logI 22 ===


5.35.3 ΗΗ μονάδαμονάδα ποσότηταςποσότητας πληροφορίαςπληροφορίας ««BITBIT»»

Έτσι, όταν ως βάση χρησιμοποιείται το δυο 2(δυαδικό σύστημα), η μονάδα πληροφορίας είναι 1,και ονομάζεται bit (binary digit).Το bit είναι η ελάχιστη ποσότητα πληροφορίαςοποιουδήποτε συστήματος επικοινωνίας καιχρησιμοποιείται ως βάση μέτρησης και αξιολόγησηςτων διαφόρων συστημάτων.Πχ. Όταν συνδέουμε ένα καλώδιο δικτυού στον Η/Υτότε βλέπουμε ένα μήνυμα ότι συνδεθήκαμε με 100Μbps.Στην ασύρματη βλέπουμε 56 Mbps.Άρα μπορούμε να αξιολογήσουμε και να πούμε ότι ησύνδεση με καλώδιο είναι γρηγορότερη.


5.45.4 ΤοΤο τηλεπικοινωνιακότηλεπικοινωνιακό σύστημασύστημα


ΗΗ πηγήπηγή πληροφορίαςπληροφορίαςΗ πηγή πληροφορίας.Είναι εκείνη που παράγει ένα μήνυμα πουφέρει την πληροφορία.Άνθρωπος.Η/Υ.Όργανο καταγραφής.Κ.λ.π.


ΟΟ πομπόςπομπόςΟ πομπός.Ο οποίος αποτελείται από τον κωδικοποιητή καιτο διαμορφωτή.Ο κωδικοποιητής μετατρέπει το μήνυμα τηςπηγής σε μια δυαδική ακολουθία από 0 και 1.Δηλαδή σκοπός του είναι να μετατρέψει τηνακολουθία συμβόλων που εκπέμπονται από τηνπηγή σε μια ακολουθία bits, σύμφωνα με τηνκωδικοποίηση που έχει επιλεγεί.Π.χ. πληκτρολόγιο Η/Υ.Η κωδικοποίηση αποσκοπεί στον περιορισμότων σφαλμάτων κατά την μετάδοση.


ΟΟ διαμορφωτήςδιαμορφωτήςΟ διαμορφωτής δέχεται στην είσοδο τουμια ακολουθία δυαδικών ψηφίων και τηνμετατρέπει σε κυματομορφή κατάλληληγια μετάδοση μέσω του διαύλουεπικοινωνίας (κανάλι), ώστε η πληροφορίανα μεταδοθεί κατά τον αποδοτικότεροτρόπο.Η διαδικασία αυτή λέγεταιδιαμόρφωση (modulation).


ΟΟ διαμορφωτήςδιαμορφωτήςΠ.χ. ασύρματη επικοινωνία.Χρησιμοποιούμε ένα φέρων ηλεκτρομαγνητικόσήμα του οποίου κάποιο από τα χαρακτηριστικάτου (πλάτος, συχνότητα, φάση) μεταβάλετε απότην δυαδική ακολουθία που παράγει οκωδικοποιητής. Και τέλος εκπέμπεται από μιακεραία.Το διαμορφωμένο σήμα έχει δύο βασικέςιδιότητες :α) περιέχει την πληροφορία,β) μπορεί να μεταδοθεί σε μεγάλες αποστάσειςλόγω της υψηλής του συχνότητας (μικρήεξασθένηση).


ΤοΤο φυσικόφυσικό κανάλικανάλιΤο φυσικό κανάλι επικοινωνίας. μπορεί ναείναι :– Χάλκινο καλώδιο.– Οπτική ίνα.– Ελεύθερος χώρος.Είναι εκείνο που μεταφέρει το διαμορφωμένοσήμα δηλαδή την ακολουθία των συμβόλων,εξασφαλίζοντας την φυσική σύνδεση μεταξύπομπού και δέκτη.Η μεταφορά αυτή στην πράξη δεν είναι ιδανική.Ένας αριθμός συμβόλων δεν μεταδίδεται σωστάλόγω του θορύβου του καναλιού.


ΤοΤο φυσικόφυσικό κανάλικανάλιΘόρυβος είναι η προσθήκη ξένωνανεπιθύμητων σημάτων κατά τη διέλευση τουωφέλιμου σήματος πληροφορίας από έναφυσικό κανάλι ή ένα σύστημα επικοινωνίας.Επίσης εσφαλμένη λήψη συμβόλων μπορεί ναπροκύψει από παραμόρφωσή τους.Η παραμόρφωση δημιουργείται λόγοπεριορισμένης χωρητικότητας του καναλιού.Η χωρητικότητα ενός φυσικού μέσουμετάδοσης (καναλιού) είναι η μέγιστη τιμήτου ρυθμού μετάδοσης πληροφορίας.


ΤοΤο φυσικόφυσικό κανάλικανάλι


ΟΟ δέκτηςδέκτηςΟ δέκτης.Είναι εκείνος στον οποίο πραγματοποιούνται οιαντίστροφες διαδικασίες από εκείνες τουπομπού.Αποδιαμόρφωση (εξαγωγή του δυαδικούψηφιακού σήματος).Διόρθωση (λόγου παραμόρφωσης – θορύβου).Αποκωδικοποίηση (μετατροπή των δυαδικώνψηφίων σε ακολουθία συμβόλων).Χρήση των σημάτων από τον αποδέκτη.


5.55.5 ΧωρητικότηταΧωρητικότητα καναλιούκαναλιού –– ΘεώρημαΘεώρημα SHANNONSHANNON

Ως φυσικό κανάλι ορίζεται ο χώροςμετάδοσης της πληροφορίας ανάμεσαστον πομπό και στο δέκτη.Χωρητικότητα C του καναλιού είναι ομέγιστος αριθμός συμβόλων πουμπορούν να μεταφερθούν μέσω ενόςκαναλιού στη μονάδα του χρόνου.(bits/sec).



Θεώρημα Shannon :Αν ο ρυθμός πληροφορίας R της πηγής είναιμικρότερος ή το πολύ ίσος με την χωρητικότηταC του καναλιού, δηλαδή R<=CΤότε υπάρχει πάντα μία τεχνική κωδικοποίησης,έτσι ώστε να είναι δυνατή ή μετάδοσηπληροφορίας μέσα από το κανάλι με οσοδήποτεμικρή πιθανότητα σφάλματος, ανεξάρτητα απότην ύπαρξη ή όχι θορύβου στο κανάλι.Αντίθετα, αν R>C, τότε δεν είναι δυνατή ημετάδοση μηνυμάτων χωρίς λάθη.



Στην πράξη, για να είναι δυνατή ησύγκριση των διαφόρων ειδώνσυστημάτων τηλεπικοινωνιών, το κανάλιπεριγράφεται σε σχέση με το εύρος ζώνηςκαι τον λόγο σήματος προς θόρυβο (Signalto Noise Ratio, SNR).Για τον λόγο αυτό, υπάρχει το θεώρημαHartley – Shannon που αποτελείσυμπλήρωμα του θεωρήματος Shannon.



Θεώρημα Shannon – Hartley :Η χωρητικότητα C ενός καναλιού εύρους ζώνηςΒ δίνεται από την σχέση :Όπου S και N είναι η μέση ισχύς του σήματος καιτου θορύβου αντίστοιχα, στην έξοδο τουκαναλιού.Μας δίνει το ανώτατο όριο ρυθμούμετάδοσης αξιόπιστων δεδομένων μέσα απόένα κανάλι με θόρυβο.

)1(log* 2 NSBC +=



Έτσι ο κάθε σχεδιαστής συστήματος προσπαθείνα κάνει «άριστο» το σύστημα του, για να πετύχειρυθμό δεδομένων όσο γίνεται πλησιέστερα στοC με έναν αποδεκτό ρυθμό σφαλμάτων.Μία σημαντική επίσης συνέπεια του θεωρήματοςαυτού είναι δυνατότητα να αυξομειώνουμε τοένα μέγεθος σε βάρος του άλλου ανάλογα με τιςανάγκες μας.Δηλαδή μπορούμε να αυξάνουμε ή ναελαττώνουμε το εύρος ζώνης σε βάρος ή σεόφελος του λόγου σήματος προς θόρυβο.



Π.χ. θέλουμε να μεταδώσουμε δεδομένα μερυθμό 9000 bit/s σε ένα κανάλι με εύροςB=3000 Ηz (πρακτικά αδύνατο) μπορούμενα βρούμε :Για το ίδιο πρόβλημα αν είχαμε Β=9000 Hzτότε :

71212)/( 3)/( =-=-= BCNS

11212)/( 1)/( =-=-= BCNS


ΠαράδειγμαΠαράδειγμα τηλεφωνικήςτηλεφωνικής γραμμήςγραμμής

Υπολογίστε τη χωρητικότητα ενός καναλιού με διαθέσιμοεύρος ζώνης Β=4000 Hz και SNR=1000 στην έξοδο του.Κάτι τέτοιο συμβαίνει με την τηλεφωνική γραμμή τηνοποία χρησιμοποιούμε για την μετάδοση ψηφιακώνδεδομένων μέσω modem.Το modem είναι ο κωδικοποιητής + διαμορφωτής πουεφαρμόζει το θεώρημα του Hartley – Shannon.Λόγω συμπίεσης δεδομένων τα modem μπορούν ναφτάσουν έως 56 Kbps

KbpsNSBC

40)10001(log*4000

)1(log*

2

2

»+

=+=


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοσηΗ ψηφιακή μετάδοση έχει κυριαρχήσει ως τεχνικήστις επικοινωνίες.Γιατί ;;;;Έστω, δύο τηλεφωνικές συσκευές σε χρήση, οιοποίες είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους με ένακανάλι επικοινωνίας (όποιο θέλετε).Στα αναλογικά συστήματα το μήνυμαπαριστάνεται με μία κυματομορφή, της οποίας ητιμή (π.χ. το πλάτος) μεταβάλλεται συνεχώς μετο χρόνο.Σε ένα τηλεφωνικό κανάλι η τιμή του είναιανάλογη με την ακουστική πίεση στο μικρόφωνο.


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοσηΟι περισσότερες κυματομορφές έχουν πολλέςσυνιστώσες συχνότητας, τις οποίες το κανάλι δενμεταδίδει ομοιόμορφα, με αποτέλεσμα το σήμανα παραμορφώνεται.Η παραμόρφωση αυτή ονομάζεταιπαραμόρφωση συχνότητας και μπορεί ως έναβαθμό να διορθωθεί.Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι το αναλογικόσήμα εξασθενεί καθώς ταξιδεύει.Επιπλέον, υπάρχει και ο θόρυβος ο οποίοςγεννιέται μέσα στο κανάλι ή εισέρχεται σε αυτόαπό έξω.


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοσηΌσο μεγαλώνει η απόσταση τόσο το σήμαμειώνεται και ο θόρυβος αυξάνεται.Συνήθως χρησιμοποιούνται ενισχυτές για νααυξηθεί η ισχύς του σήματος, άλλα δυστυχώςενισχύουν και το θόρυβο.Δεν υπάρχει ασφαλής τρόπος ώστε ένααναλογικό κανάλι να εκμηδενίσει το θόρυβο, απότη στιγμή που αυτός έχει προστεθεί στο σήμα.Τα ψηφιακά σήματα επιτυγχάνουν τηναποκατάσταση του εξασθενημένου καιπαραμορφωμένου σήματος απορρίπτονταςταυτόχρονα το θόρυβο.


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοσηΑυτό οφείλεται στο ότι στην ψηφιακήκωδικοποίηση υπάρχει ένα περιορισμένο καικαλά καθορισμένο σύνολο χαρακτήρων.0 & 1Έτσι μπορούμε να ανιχνεύσουμε και ναδιορθώσουμε ένα ισχυρά παραμορφωμένο σήμααρκεί να αναγνωρίσουμε εάν έχει σταλεί 0 ή 1.ΌΛΑ τα είδη σημάτων μπορούν να σταλούν σανακολουθίες ψηφίων.Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι η ψηφιακήμετάδοση είναι φθηνότερη.


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοση


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοσηΔιότι είναι εύκολο να κατασκευαστούν διατάξεις μαζικά οιοποίες πρέπει μόνο να αποφασίζουν για δύοκαταστάσεις.Ενώ στα αναλογικά είναι πιο δαπανηρό και δύσκολογιατί θα πρέπει να είναι διατάξεις ακριβείας που θαχειρίζονται σήματα με μεγάλο εύρος τιμών.Στον δέκτη το ψηφιακό σήμα μπορεί εύκολα ναμετατραπεί σε αναλογική μορφή.Ένα άλλο και πολύ σημαντικό πλεονέκτημα είναι ηδυνατότητα και η ευκολία επεξεργασίας τωνψηφιακών σημάτων με την σημερινή τεχνολογία.– Αποθήκευση.– Προσαρμογή ρυθμού μετάδοσης από συσκευή σε συσκευή.– Πολυπλεξίας.


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοση


5.65.6 ΨηφιακήΨηφιακή καικαι αναλογικήαναλογική μετάδοσημετάδοσηΗ ψηφιακή μετάδοση απαιτεί κανάλιαεπικοινωνίας μεγαλύτερου εύρους ζώνης.Και ο πομπός και ο δέκτης επιβαρύνονταιαπό βαθμίδες μετατροπής από αναλογικό σεψηφιακό και αντίστροφα.Τα μειονεκτήματα όμως αυτά έχουν με τηνπρόοδο της τεχνολογίας αντιμετωπιστείικανοποιητικά.Analog transmission From WikipediaData transmission From Wikipedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Analog_transmission

http://en.wikipedia.org/wiki/Data_transmission


5.75.7 ΔειγματοληψίαΔειγματοληψία –– διαμόρφωσηδιαμόρφωση παλμώνπαλμώνΓια να μετατραπεί ένα αναλογικό σήμα σεψηφιακό, θα πρέπει να μετατραπεί σε σήμαδιακριτών καταστάσεων ως προς το χρόνο. Αυτόπραγματοποιείται με τη διαδικασία τηςδειγματοληψίας.Δειγματοληψία (sampling) ονομάζεται ηδιαδικασία, κατά την οποία από ένα αναλογικόσήμα λαμβάνεται ένας πεπερασμένος αριθμόςτιμών του (δείγματα).Θεώρημα δειγματοληψίας (Nyquist).Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα αναλογικό σήμαπληροφορίας S(t) περιορισμένης ζώνηςσυχνοτήτων και ότι η fmax είναι η μεγαλύτερησυχνότητα που περιέχει.


5.75.7 ΔειγματοληψίαΔειγματοληψία –– διαμόρφωσηδιαμόρφωση παλμώνπαλμών

Αν πάρουμε δείγματα του πλάτους τουσήματος σε κανονικά χρονικά διαστήματαμε ρυθμό δειγματοληψίας μεγαλύτεροαπό 2* fmax , τα δείγματα αυτά περιέχουνόλη την πληροφορία του αρχικούαναλογικού σήματος S(t).Άρα οποιοδήποτε αναλογικό σήμα μπορείνα μετατραπεί σε ψηφιακό.Μπορούμε να ξαναδημιουργήσουμε τοαρχικό σήμα, αν επεξεργασθούμεκατάλληλα τα δείγματα αυτά.


5.75.7 ΔειγματοληψίαΔειγματοληψία –– διαμόρφωσηδιαμόρφωση παλμώνπαλμώνΩς διαμόρφωση παλμών ονομάζουμε τηδιαμόρφωση, όπου το σήμα φορέας είναιακολουθία παλμών και το σήμα πληροφορίαςδιαμορφώνει κάποιο από τα χαρακτηριστικά τωνπαλμών όπως το πλάτος, τη διάρκεια, τη θέσηκ.λ.π.Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες διαμόρφωσηςπαλμών.Διαμόρφωση πλάτους παλμών (Pulse AmplitudeModulation – PAM).Διαμόρφωση διάρκειας παλμών (Pulse DurationModulation - PDM).Διαμόρφωση θέσης παλμών (Pulse PositionModulation - PPM).


5.75.7 ΔειγματοληψίαΔειγματοληψία –– διαμόρφωσηδιαμόρφωση παλμώνπαλμώνPAM : Το ύψος (πλάτος) των σταθερήςδιάρκειας και θέσεις παλμών είναι ανάλογο μετο πλάτος του αναλογικού σήματος.PDM : Η διάρκεια των μεταδιδόμενων παλμώνείναι ανάλογη με το πλάτος του αναλογικούσήματος διαμόρφωσης τη στιγμή τηςδειγματοληψίας. Η θέση και το πλάτος είναισταθερά.PPM : Η θέση των παλμών στον άξονα τουχρόνου μεταβάλλετε σε συνάρτηση με τοπλάτος του αναλογικού σήματος. Το πλάτος καιη διάρκεια είναι σταθερά.







Sampling (signal processing) FromWikipedia,Pulse-amplitude modulation FromWikipediaPulse-width modulation From WikipediaPulse-position modulation From Wikipedia

PWMTutorial

Pulse WidthModulationPrinciple

Dimmerwith PWM

EWB

Dimmer withPWM

crocodile

PWMEWB

PPMEWB

SamplingTheorem

Wolfram

Pure TonesWith Sample

Rate

http://en.wikipedia.org/wiki/Sampling_%28signal_processing%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-amplitude_modulation

http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation

http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-position_modulation


5.85.8 ΨηφιακήΨηφιακή μετάδοσημετάδοση αναλογικώναναλογικών σημάτωνσημάτων5.8.15.8.1 ΠαλμοκωδικήΠαλμοκωδική διαμόρφωσηδιαμόρφωση

Το τελευταίο βήμα για την μετατροπή του αναλογικούσήματος σε ψηφιακό είναι η μετατροπή του σήματος (π.χPAM) σε ένα άλλο είδος σήματος, μία ακολουθία απόψηφία bits, δηλαδή να κωδικοποιηθεί.Η σημαντικότερη μέθοδος κωδικοποίησης είναι ηΠαλμοκωδική Διαμόρφωση PCM (Pulse CodeModulation).Χρησιμοποιείται για την μετάδοση σημάτων, που είναιδιακριτά όχι μόνο στον χρόνο άλλα και στις τιμές τους.Η ουσία των συστημάτων αυτών βασίζεται στηνικανότητα κωδικοποίησης διακριτών (συγκεκριμένουαριθμού) τιμών.



Πολλά σήματα είναι αναλογικά, έστω και ανέχουν υποστεί δειγματοληψία στο χρόνο.Τέτοια σήματα πρέπει πρώτα να υποστούνκβάντιση, πράξη που περιορίζει τις τιμέςτους σε κάποιο πεπερασμένο αριθμό.Αν μεταδίδαμε σήμα PAM χωρίς να έχειυποστεί κβάντιση μέσα από έναθορυβώδες κανάλι τότε ο δέκτης δεν θαμπορούσε να διακρίνει την ακριβήακολουθία των εκπεμπόμενων τιμών.



Η επίδραση του θορύβου μπορεί να ελαχιστοποιηθεί μετην αναπαράσταση των δειγμάτων με ένα συγκεκριμένοαριθμό από προκαθορισμένες στάθμες (τιμές).Αν η στάθμες απέχουν πολύ μεταξύ τους, συγκριτικά μετην διαταραχή του θορύβου, θα είναι απλό για το δέκτηνα αποφανθεί για την συγκεκριμένη τιμή πουεκπέμφθηκε.Έτσι, μπορεί να εξαλειφθεί πρακτικά η επίδραση τουθορύβου.Η αναπαράσταση των αναλογικώνδειγματοληπτημένων τιμών με ένα πεπερασμένοσύνολο σταθμών ονομάζεται κβάντιση.



Έτσι ενώ η δειγματοληψία μετατρέπει ένασυνεχές χρονικά σήμα σε σήμα διακριτούχρόνου, η κβάντιση μετατρέπει ένα δείγμασυνεχούς πλάτους σε δείγμα διακριτούπλάτους.Οι λειτουργίες δειγματοληψίας καικβάντισης μετατρέπουν μια αναλογικήπηγή σε ψηφιακή πηγή.



Το αναλογικό σήμαf(t), υφίσταταιδειγματοληψία τιςχρονικές στιγμές Τ,2Τ, 3Τ…Και οι τιμές του είναιπεριορισμένες στιςτιμές 0,1,2,3,4.



Όταν η τιμή του f(t)βρίσκεται στοδιάστημα {0-0,5}τότε η τιμή τουθεωρείται ότι είναι 0.Όταν είναι μεταξύ{0,5-1,5} τότε η τιμήτου θεωρείται 1.Όταν είναι {1,5-2,5}θεωρείται 2.Κ.ο.κ.



Οι τιμές 0,1,2,3,4ονομάζονται τιμές ήστάθμες κβάντισης.Και η απόσταση μεταξύδύο διαδοχικών τιμώνονομάζεται βήμακβάντισης ήδιακριτότητα.Και αφού το βήμα είναιμονάδα και είναισταθερό η κβάντισηονομάζεταιομοιόμορφη.



Οι διαφορές μεταξύτων πραγματικώντιμών και των τιμώνκβάντισηςαποτελούν το λάθοςή το σφάλμακβάντισης καιονομάζεταιθόρυβος κβάντισηςΤο λάθος αυτό δενδιορθώνεται ΠΟΤΕ.Η κβάντιση δεν είναιπράξη αντίστροφη.



Πρέπει επομένως να δεχθούμε από την αρχή ότι θαέχουμε ένα συγκεκριμένο (συνήθως μικρό) βαθμόπαραμόρφωσης τον οποίο θα τον θεωρήσουμεανεκτό για την ποιότητα της επικοινωνίας πουεπιθυμούμε να έχουμε.Πικάπ VS CDFLAC_HΧΟΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣΗ παραμόρφωση αυτή θα υπεισέρχεται στη διαδικασίαψηφιοποίησης.Η ανταμοιβή για αυτό είναι ότι επιτυγχάνουμε ένασυγκριτικά φθηνότερο και αποτελεσματικό τρόπο για νααφαιρέσουμε το μεγαλύτερο μέρος την παραμόρφωσηκαι τον θόρυβο που εισάγει το κανάλι μετάδοσης.Οι συσκευές που εκτελούν την πράξη αυτή ονομάζονταικβαντιστές.

http://www.hlektronika.gr/forum/showthread.php?t=46307

http://www.hxos.gr/show_page.php?page_id=2057&cat_id=85



Αφού δειγματοληπτηθεί και κβαντιστεί ηέξοδος μιας αναλογικής πηγήςπληροφορίας, η ακολουθία των σταθμώνεξόδου μπορεί να παρασταθεί με ένακωδικό αριθμό και να μεταδίδουμε τωνκωδικό αριθμό αντί για την ίδια τηνστάθμη.Το σύστημα αυτό μετάδοσης ονομάζεταιPCM.

Οι τιμές τουσήματος f(t)περνάνε μέσααπό ένανκβαντιστή και τοαποτέλεσμαείναι μόνο 16πιθανές στάθμες(από 0-15).Οι τιμές αυτέςμπορούν νακωδικοποιηθούνστο δυαδικόαριθμητικόσύστημα.

Για να είναι πιοκατανοητή ηδιαδικασία, τα«0»παριστάνονταιμε παλμούςαρνητικούπλάτους, ενώτα «1» μεπαλμούςθετικούπλάτους.


What isPCM


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCMAnalog to Digital Converter ADC A/D

Digital to Analog Converter DAC D/A

PCMmultisim


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCMΠλεονεκτήματα PCM έναντι των συστημάτωναναλογικής διαμόρφωσης.1) Στις επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, τασήματα PCM μπορούν να αναγεννηθούνεντελώς σε κάθε επαναλήπτη, αρκεί ηαπόσταση μεταξύ των επαναληπτών να είναιτόση, ώστε ο θόρυβος να παραμένειμικρότερος από το μισό του βήματοςκβάντισης.2) Στους χαμηλούς λόγους SNR εισόδου, τοSNR του συστήματος PCM είναι καλύτεροςαπό αυτόν των αναλογικών συστημάτων.


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCMΠλεονεκτήματα PCM έναντι τωνσυστημάτων αναλογικής διαμόρφωσης.3) Τα κυκλώματα διαμόρφωσης καιαποδιαμόρφωσης στο PCM είναι όλαψηφιακά και επομένων προσφέρουνμεγάλη αξιοπιστία και σταθερότητα.4) Οι τεχνικές κωδικοποίησης καιαποκωδικοποίησης στο PCM περιορίζουντις επιπτώσεις του θορύβου και τωνπαρεμβολών.


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCMΠλεονεκτήματα PCM έναντι των συστημάτωναναλογικής διαμόρφωσης.5) Η εναποθήκευση των σημάτων PCM είναιεύκολη με τη βοήθεια ψηφιακών μνημών.Επίσης μπορούν να πολυπλεχθούν εύκολα.6) Στο PCM οι τεχνικές κωδικοποίησης πηγήςκαι καναλιού μπορούν να χρησιμοποιηθούν γιατον περιορισμό των επιπτώσεων του θορύβουκαι των παρεμβολών.7) Στα συστήματα PCM είναι εύκολη ήανταλλαγή εύρους ζώνης με ισχύ.


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCM

Κύκλωμα απόφασης :Είναι ένα κύκλωμα το οποίο αποφασίζειαν το λαμβανόμενο σύμβολο είναι «0» ή«1».Είναι ουσιαστικά ένας ανιχνευτής πουεξετάζει αν η τιμή του παλμού πουλαμβάνεται είναι πάνω ή κάτω από μίασυγκεκριμένη στάθμη ή οποία ονομάζεταιστάθμη κατωφλιού.


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCM

Αποκωδικοποιητής :Μετατρέπει την ακολουθία «0» και «1»στις στάθμες κβάντισης που αντιστοιχούνστα δείγματα του αρχικού αναλογικούσήματος.Η έξοδός του είναι δηλαδή ένα σήμαPAM.


5.8.25.8.2 ΤοΤο σύστημασύστημα PCMPCMΦίλτρο :Τέλος το σήμα ΡΑΜ περνάει από έναχαμηλοδιαβατό ή βαθυπερατό φίλτρο (φίλτροδιέλευσης χαμηλών συχνοτήτων), το οποίοαποκόπτει όλες τις συχνότητες που βρίσκονταιεκτός της βασικής ζώνης συχνοτήτων τουαρχικού αναλογικού σήματος.Το τελικό σήμα εξόδου είναι πανομοιότυπο μετο αρχικό σήμα.ΕΚΤΟΣ…;Εκτός βέβαια από το σφάλμα κβάντισης και ταενδεχόμενα σφάλματα του συστήματοςαπόφασης λόγο θορύβου και παραμόρφωσης.

Education

Το 5ο κεφάλαιο στο μάθημα Επικοινωνίες Δίκτυα & Τεχνολογία Η/Υ