Ψηφιακή Μετάδοση Αναλογικών Σηµάτων

Transcript

1 Ψηφιακή Μετάδοση Αναλογικών Σηµάτων Τα σύγχρονα συστήµατα επικοινωνίας σε πολύ µεγάλο ποσοστό διαχειρίζονται σήµατα ψηφιακής µορφής, δηλαδή, σήµατα που δηµιουργούνται από ακολουθίες δυαδικών ψηφίων. Τα περισσότερα σήµατα στην πράξη είναι αναλογικά. Η µετάδοση των σηµάτων αυτών σε ψηφιακή µορφή απαιτεί τα αναλογικά αυτά σήµατα να µετατραπούν σε ψηφιακά. Η διαδικασία της µετατροπής αναλογικών σηµάτων σε ψηφιακά ονοµάζεται αναλογική σε ψηφιακήµετατροπή (A/D analog to digital conversion) ήκωδικοποιήσηςκυµατοµορφής. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνικές κωδικοποιήσης κυµατοµορφής, παλµοκωδική διαµόρφωση και η διαµόρφωση δέλτα. Εισαγωγή στα σήµατα -5

2 Παλµοκωδική ιαµόρφωση (PCM) Σεραφείµ Καραµπογιάς Η παλµοκωδική διαµόρφωση (Pulse Code Modulation (PCM)) είναι το απλούστερο σχήµα κωδικοποιήσης κυµατοµορφής. Ένας παλµοκωδικός παλµών αποτελείται από τρία βασικά µέρη: ένα δειγµατολήπτη, έναν κβαντιστή και ένα κωδικοποιητή. ΣΥΣΤΗΜΑ PC M ειγµατολήπτης Κβαντιστής x (t ) x ( n ) x ( n ) t n n Εισαγωγή στα σήµατα -6

3 E Σεραφείµ Καραµπογιάς Σε ένα ψηφιακό σύστηµα επικοινωνίας τα µηνύµατα που παράγονται από την πηγή, σύµβολα ή επιτρεπόµενες στάθµες, µετατρέπονται συνήθως σε µιαακολουθίαδυαδικώνψηφίων. Η διαδικασία της αποδοτικής µετατροπής της µίας αναλογικής ή ψηφιακής, σε ακολουθία δυαδικών ψηφίων καλείται κωδικοποίηση ή συµπίεση δεδοµένων. Στον κώδικα Morse τα γράµµατα του αγγλικού αλφαβήτου τα αναπαράστησε µε µία ακολουθία από τελείες και παύλες (δηλαδή από κωδικές λέξεις). A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Ο κώδικας ASCII (American Standard Code for Information Interchange), σύνολοχαρακτήρων τουλατινικούαλφάβητου. είναι ένα κωδικοποιηµένο Εισαγωγή στα σήµατα -7

4 Ο ρόλος του κωδικοποιητή είναι να εισάγει, κατά έναν ελεγχόµενο τρόπο, κάποιο πλεονασµό στη δυαδική ακολουθία πληροφορίας ο οποίος να µπορεί να χρησιµοποιηθεί στο δέκτη για να κατανικήσει τις επιδράσεις του θορύβου. Έτσι αυξάνεται η αξιοπιστία των λαµβανοµένων δεδοµένων. Ένας (τετριµµένος) τρόπος κωδικοποίησης µίας δυαδικής ακολουθίας πληροφορίας είναι απλώς η επανάληψη κάθε δυαδικού ψηφίου m φορές, όπου m θετικός ακέραιος Εισαγωγή στα σήµατα -8

5 Ο ρόλος του κωδικοποιητή είναι να εισάγει, κατά έναν ελεγχόµενο τρόπο, κάποιο πλεονασµό στη δυαδική ακολουθία πληροφορίας ο οποίος να µπορεί να χρησιµοποιηθεί στο δέκτη για να κατανικήσει τις επιδράσεις του θορύβου. Έτσι αυξάνεται η αξιοπιστία των λαµβανοµένων δεδοµένων. Ένας πιο σύνθετος κωδικοποιητής λαµβάνει k bits πληροφορίας κάθε φορά και απεικονίζει κάθε ακολουθία των k-bits σε µία ενιαία ακολουθία n-bits (n > k), καλούµενη κωδική λέξη. Μπλοκ από k bits 2 3 k k bits πληροφορίας Κωδικές λέξεις των n bits 2 3 k k+ k bitsπληροφορίας n-k bits ελέγχου n Εισαγωγή στα σήµατα -9

6 Σεραφείµ Καραµπογιάς υαδική ακολουθία Αναλογικό σήµα Επειδή σχεδόν όλα τα κανάλια επικοινωνίας που συναντάµε στην πράξη είναι ικανά να µεταδίδουν ηλεκτρικά σήµατα (κυµατοµορφές). Ο πρωταρχικός ρόλος του ψηφιακού διαµορφωτή είναι να απεικονίζει τις δυαδικές ακολουθίες σε κυµατο- µορφέςσήµατος. Ο ψηφιακός απεικονίζει το δυαδικό ψηφίο στην κυµατο- µορφή s (t) και το δυαδικό ψηφίο στηνκυµατοµορφή s (t). g T (t) A g T (t) t A u(t) A A T b T b Tb t 2Tb 3Tb t Εισαγωγή στα σήµατα -2

7 u(t) r(t) Οποιοδήποτε και αν είναι το φυσικό µέσο για τη µετάδοση του σήµατος, το κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι τοµεταδιδόµενοσήµααλλοιώνεταικατάτυχαίοτρόποαπόµίαποικιλίαπιθανώνµηχανισµών. Η πιο συνήθης µορφή υποβάθµισης του σήµατος προέρχεται από έναν προσθετικό θόρυβο ο οποίος συχνά καλείται θερµικός θόρυβος. u(t) r(t) Tb 2Tb 3Tb t Tb 2Tb 3Tb t Εισαγωγή στα σήµατα -2

8 u(t) απο r(t) Στο άλλο άκρο της λήψης ενός ψηφιακού συστήµατος επικοινωνίας, ο ψηφιακός απο επεξεργάζεται τις αλλοιωµένες από το κανάλι διαβιβασµένες κυµατοµορφές και εκτιµά το διαβιβασµένο δυαδικό ψηφίο. r(t) Tb 2Tb 3Tb t απο Εισαγωγή στα σήµατα -22

9 Αποκωδικοποιητής απο Ο προστιθέµενος πλεονασµός στην ακολουθία πληροφορίας χρησιµοποιείται από τον αποκωδικοποιητή στηναποκωδικοποίησητηςεπιθυµητήςακολουθίαςπληροφορίας. Εισαγωγή στα σήµατα -23

10 Αποκωδικοποιητής απο Σφάλµα στη µετάδοση Ο προστιθέµενος πλεονασµός στην ακολουθία πληροφορίας χρησιµοποιείται από τον αποκωδικοποιητή στην αποκωδικοποίηση της επιθυµητής ακολουθίας πληροφορίας. Έτσι, ο προστιθέµενος πλεονασµός χρησιµεύει στο να αυξήσει την αξιοπιστία των λαµβανόµενων δεδοµένων και να βελτιώνει την πιστότητα του λαµβανόµενου σήµατος. Εισαγωγή στα σήµατα -24

11 Ε Ε Αποκωδικοποιητής Αποκωδικοποιητής απο Ο αποκωδικοποιητής της δέχεται την ακολουθία του αποκωδικοποιητή και γνωρίζοντας την µέθοδο που χρησιµοποιείται για την κωδικοποίηση της προσπαθεί να ανακατασκευάσει όσο γίνεται πιστότερα το αρχικό αναλογικό σήµα της. Τα συστήµατα ψηφιακής επικοινωνίας µπορούν να µεταδώσουν δεδοµένα µε διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης (transmission rate). Ο ρυθµός µετάδοσης µιας ζεύξης µετρείται σε bits/sec. Εισαγωγή στα σήµατα -25

12 Σεραφείµ Καραµπογιάς Ποµπός έκτης Σύστηµα Επικοινωνίας Τα περισσότερα συστήµατα επικοινωνίας, όπως το διαδίκτυο και τα συστήµατα κινητής τηλεφωνίας, περιλαµβάνουν µεγάλο αριθµό ποµπών και δεκτών, οι οποίοι πρέπει να χρησιµοποιούν από κοινού το ίδιο φυσικό µέσο. Τα επίπεδα δικτύου και ελέγχου (network and control layers) εξασφαλίζουν την αξιόπιστη και αποτελεσµατική χρησιµοποίηση του ίδιου φυσικού µέσου από πολλά τερµατικά. Επίπεδα δικτύου και ελέγχου Ποµπός Επίπεδα δικτύου και ελέγχου έκτης Σύστηµα Επικοινωνίας ιάγραµµα λειτουργικών βαθµίδων ενός συστήµατος επικοινωνίας Εισαγωγή στα σήµατα -26