Γραφική αναπαράσταση ενός ψηφιακού σήµατος

Transcript

1 γ) Ψηφιακάτα x (n) n Γραφική αναπαράσταση ενός ψηφιακού σήµατος Αφού δειγµατοληπτηθεί και κβαντιστεί η έξοδος µιας αναλογικής πηγής πληροφορίας, δηµιουργείταιµιαακολουθίααπόκβαντισµένεςτιµές (στάθµες). Kάθεκβαντισµένηστάθµηκωδικοποιείταισεµια δυαδικήακολουθία µήκουςν, όπουν= 2 ν είναιοαριθµόςτωνσταθµώνκβάντισης (επιτρεπόµενεςτιµές). ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-13

2 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 ψηφιακή µετατροπή (A/D analog o digial conversion) ή κωδικοποιήσηςκυµατοµορφής. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνικές κωδικοποιήσης κυµατοµορφής, παλµοκωδική διαµόρφωση και η διαµόρφωση δέλτα. ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-14

3 Παλµοκωδική ιαµόρφωση (PCM) Η παλµοκωδική διαµόρφωση (Pulse Code Modulaion (PCM)) είναι το απλούστερο σχήµα κωδικοποιήσης κυµατοµορφής. Ένας παλµοκωδικός διαµορφωτής παλµών αποτελείται από τρία βασικά µέρη: ένα δειγµατολήπτη, έναν κβαντιστή και ένα κωδικοποιητή. ΣΥΣΤΗΜΑ PC M ειγµατολήπτης Κβαντιστής x ( ) x (n) x (n) n n L ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-15

4 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής Π Ο Μ Π Ο Σ εξόδου Ε Κ Τ Η Σ Σε ένα ψηφιακό σύστηµα επικοινωνίας τα µηνύµατα που παράγονται από την πηγή, σύµβολα ή επιτρεπόµενες στάθµες, µετατρέπονται συνήθως σε µια ακολουθία δυαδικών ψηφίων. Η διαδικασία της αποδοτικής µετατροπής της εξόδου µίας αναλογικής ή ψηφιακής πηγής, σε ακολουθία δυαδικών ψηφίων καλείται κωδικοποίηση πηγής 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 ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-16

5 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ εξόδου Ε Κ Τ Η Σ Ο ρόλος του κωδικοποιητή καναλιού 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 καναλιού ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-17

6 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ εξόδου Ε Κ Τ Η Σ Ο ρόλος του κωδικοποιητή καναλιού 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 bis πληροφορίας κάθε φορά και απεικονίζει κάθε ακολουθία των k-bis σε µία ενιαία ακολουθία n-bis (n > k), καλούµενη κωδική λέξη. Μπλοκ από k bis L k k bis πληροφορίας καναλιού Κωδικές λέξεις των n bis L k k+1 L k bisπληροφορίας n-k bis ελέγχου n ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-18

7 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ υαδική ακολουθία διαµορφωτής Αναλογικό σήµα εξόδου Επειδή σχεδόν όλα τα κανάλια επικοινωνίας που συναντάµε στην πράξη είναι ικανά να µεταδίδουν ηλεκτρικάσήµατα (κυµατοµορφές), ο πρωταρχικός ρόλος του ψηφιακού διαµορφωτή είναι να απεικονίζει τις δυαδικές ακολουθίες σε κυµατο- µορφές σήµατος. Ο ψηφιακός δια- µορφωτής απεικονίζει το δυαδικό ψηφίο στην κυµατοµορφή s () και το δυαδικό ψηφίο 1 στην κυ- µατοµορφή s 1 (). ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ 1 11 Ε Κ Τ Η Σ διαµορφωτής διαµορφωτής διαµορφωτής g T () A g T () A u() A A T b T b Tb 2Tb 3Tb Εισαγωγή στα συστήµατα 1-19

8 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ διαµορφωτής u() εξόδου r() Ε Κ Τ Η Σ Οποιοδήποτε και αν είναι το φυσικό µέσο για τη µετάδοση του σήµατος, το κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι το µεταδιδόµενο σήµα αλλοιώνεται κατά τυχαίο τρόπο από µία ποικιλία πιθανών µηχανισµών. Η πιο συνήθης µορφή υποβάθµισης του σήµατος προέρχεται από έναν προσθετικό θόρυβο ο οποίος συχνά καλείται θερµικός θόρυβος. u() r() 1 1 Tb 2Tb 3Tb Tb 2Tb 3Tb 1 1 ΣΕΡΑΦΕΙΜ ΚΑΡΑΜΠΟΓΙΑΣ Εισαγωγή στα συστήµατα 1-2

9 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ διαµορφωτής u() εξόδου Ε Κ Τ Η Σ αποδιαµορφωτής r() Στο άλλο άκρο της λήψης ενός ψηφιακού συστήµατος επικοινωνίας, ο ψηφιακός αποδιαµορφωτής επεξεργάζεται τις αλλοιωµένες από το κανάλι διαβιβασµένες κυµατοµορφές και εκτιµά το διαβιβασµένο δυαδικό ψηφίο. r() 1 Tb 2Tb 3Tb αποδιαµορφωτής 11 1 Εισαγωγή στα συστήµατα 1-21

10 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής 1 1 καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ διαµορφωτής εξόδου Αποκωδικοποιητής καναλιού αποδιαµορφωτής Ε Κ Τ Η Σ Ο προστιθέµενος πλεονασµός στην ακολουθία πληροφορίας χρησιµοποιείται από τον αποκωδικοποιητήκαναλιούστηναποκωδικοποίησητηςεπιθυµητήςακολουθίαςπληροφορίας. Εισαγωγή στα συστήµατα 1-22

11 Βασικά στοιχεία ενός συστήµατος ψηφιακής επικοινωνίας Πηγή πληροφορίας πηγής 1 1 καναλιού Π Ο Μ Π Ο Σ διαµορφωτής εξόδου Αποκωδικοποιητής πηγής Αποκωδικοποιητής καναλιού αποδιαµορφωτής Ε Κ Τ Η Σ Σφάλµα στη µετάδοση Ο προστιθέµενος πλεονασµός στην ακολουθία πληροφορίας χρησιµοποιείται από τον αποκωδικοποιητή καναλιού 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. Ο αποκωδικοποιητής της πηγής δέχεται την ακολουθία εξόδου του αποκωδικοποιητή καναλιού και γνωρίζοντας την µέθοδο που χρησιµοποιείται για την κωδικοποίηση της πηγής προσπαθεί να ανακατασκευάσει όσο γίνεται πιστότερα το αρχικό αναλογικό σήµα της πηγής. Τα συστήµατα ψηφιακής επικοινωνίας µπορούν να µεταδώσουν δεδοµένα µε διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης (ransmission rae). Ο ρυθµός µετάδοσης µιας ζεύξης µετρείται σε bis/sec. Εισαγωγή στα συστήµατα 1-23

12 Σκοπός των µεταγωγέων πακέτων Για να υπάρχει επικοινωνία µεταξύ δύο τερµατικών συστηµάτων (υπολογιστών) Α και Β πρέπει αυτοί να συνδέονται µεταξύ τους Α Β Όσο αυξάνει ο αριθµός των τερµατικών συσκευών που θέλουµε να επικοινωνούν µεταξύ τους γίνεται ασύµφορη ή πρακτικά αδύνατη η απευθείας σύνδεσή τους Για Ν τερµατικές συσκευές χρειάζονται. N( N 1) 2 γραµµές για να έχουµε απευθείας σύνδεσή τους. Εισαγωγή στα συστήµατα 1-24

13 Σκοπός των µεταγωγέων πακέτων Οι συνδέσεις των τερµατικών συστηµάτων µεταξύ τους γίνεται µε τη µεσολάβηση των µεταγωγέων πακέτων Εισαγωγή στα συστήµατα 1-25

14 Το δηµόσιο ιαδίκτυο είναι ένα παγκόσµιο δίκτυο υπολογιστών, δηλαδή, ένα δίκτυο που συνδέει εκατοµµύρια υπολογιστές συσκευές σε όλο τον κόσµο. Οι υπολογιστικές συσκευές είναι παραδοσιακά επιτραπέζια PC, σταθµοί εργασίας Linux και εξυπηρέτες (servers), που αποθηκεύουν και µεταδίδουν πληροφορίες, όπως ιστοσελίδες και µηνύµατα . Αλλά και µη παραδοσιακά τερµατικά συστήµατα όπως προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (PDAs (Personal Digial Assisans)), Τηλεοράσεις, φορητοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, κάµερες Wed (Web cams), αυτοκίνητα, και πολλές άλλες συσκευές. Όλες αυτές οι συσκευές ονοµάζονται υπολογιστές (hoss) ή τερµατικά συστήµατα (end sysems). Τα τερµατικά συστήµατα συνδέονται µεταξύ τους µε ζεύξεις επικοινωνίας (communicaion links). Εισαγωγή στα συστήµατα 1-26

15 Πηγή πληροφορίας 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 (nework and conrol layers) εξασφαλίζουν την αξιόπιστη και αποτελεσµατική χρησιµοποίηση του ίδιου φυσικού µέσου από πολλά τερµατικά. Πηγή πληροφορίας Επίπεδα δικτύου και ελέγχου Ποµπός εξόδου Επίπεδα δικτύου και ελέγχου έκτης Σύστηµα Επικοινωνίας ιάγραµµα λειτουργικών βαθµίδων ενός συστήµατος επικοινωνίας Εισαγωγή στα συστήµατα 1-27

16 Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Περιοδικά και µη περιοδικά σήµατα x ( ) = x ( + T ) για κάθε τιµή του x () L L 2T T T 2T Περιοδικό σήµα συνεχούς χρόνου Εισαγωγή στα συστήµατα 1-28

17 Αιτιατά και µη αιτιατά σήµατα Ένα σήµα λέγεται αιτιατό αν x ( ) = για κάθε < x () x () (α) (β) Παράδειγµα: (α) Αιτιατού σήµατος και (β) µη αιτιατού σήµατος Εισαγωγή στα συστήµατα 1-29

18 Άρτια και περιττά σήµατα Ένα σήµα x() λέγεται άρτιο αν x ( ) = x ( ) Ένα σήµα x() λέγεται περιττό αν x ( ) = x ( ) x( ) x( ) συνεχούς χρόνου που παρουσιάζει άρτια συµµετρία συνεχούς χρόνου που παρουσιάζει περιττή συµµετρία Εισαγωγή στα συστήµατα 1-3