Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών. Επικοινωνίες I. Δημήτρης Ευσταθίου. Επίκουρος Καθηγητής

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Επικοινωνίες I Δημήτρης Ευσταθίου Επίκουρος Καθηγητής Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

2 Ύλη μαθήματος Επικοινωνίες Ι Η Ύλη για την εξεταστική περίοδο Εαρινού Εξαμήνου είναι: Οι διαφάνειες των διαλέξεων του κ. Γεωργιάδη: ftp:// Οι ακόλουθες παράγραφοι από το βιβλίο «Επικοινωνίες Ι» του καθηγητή Α. Παπατσώρη: Κεφ 1: (Συστήματα Επικοινωνιών, Ηλεκτρικός Θόρυβος, Θόρυβος σε Διατάξεις Δεκτών, Εύρος Ζώνης και Πληροφορίας, Κυκλωματα LC) Κεφ 2: (Διαμόρφωση κατά Πλάτος, Βασικές αρχές στη Διαμόρφωση ΑΜ, Μαθηματική ανάλυση Διαμόρφωσης ΑΜ) Κεφ 3: και 3.5 (Διαμόρφωση ΑΜ: Λήψη, Ευαισθησία και Επιλεκτικότητα Δεκτών, Υπερετερόδυνοι Δέκτες, Δέκτες ΑΜ) Κεφ 4: (Διπλοπλευρική Επικοινωνία DSB, Μονοπλευρική Επικοινωνία SSB) Κεφ 5: Από την αρχή μέχρι και την (Διαμόρφωση Γωνίας FM, Ανάλυση FM)

3 Ύλη μαθήματος Επικοινωνίες Ι (συνέχεια) Τα ακόλουθα κεφάλαια από το βιβλίο «Συστήματα Επικοινωνίας», Simon Haykin, Ε.Δ. Συκάς και Μ.Ε. Θεολόγου Κεφ 3 Διαμόρφωση Πλάτους Κεφ 4 Διαμόρφωση Γωνίας Κεφ 6 Θόρυβος σε CW Διαμόρφωση Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

4 Εισαγωγή στις Επικοινωνίες Σταθμοί στην εξέλιξη των Επικοινωνιών 1837: Τηλέγραφος (S. Morse) Ανακάλυψε τον τηλέγραφο. Κατέστη για πρώτη φορά δυνατή η στιγμιαία επικοινωνία μεταξύ δύο σημείων που μπορούσαν να απέχουν μεταξύ τους πολύ μεγάλη απόσταση. 1876: Τηλέφωνο (G. Bell) Ανακαλύπτει το τηλέφωνο και δημιουργεί την βάση για την ανάπτυξη της βιομηχανίας των τηλεπικοινωνιών. 1894: Ασύρματη μετάδοση (G. Marconi) Παρουσίασε πρώτος τις δυνατότητες του ασύρματου θεμελιώνοντας τον κλάδο των συστημάτων επικοινωνίας ασύρματης μετάδοσης. 1908: TPI - οδική λυχνία (L. Deforest) Η ανακάλυψη της τριοδικής λυχνίας κενού είχε ως αποτέλεσμα την δυνατότητα υλοποίησης πρακτικών διατάξεων ηλεκτρονικής ενίσχυσης ανοίγοντας νέους ορίζοντες στις ασύρματες επικοινωνίες. 1948: Transistor (Shockley, Brattain, Bardeen) Η ανακάλυψη του τρανζίστορ έφερε επανάσταση στην ηλεκτρονική και κατά επέκταση στις επικοινωνίες Σήμερα: T.C. s, VLSI, SUB-MICRON SCALE Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

5 Συστήματα επικοινωνιών ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΠΡΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ (ΗΧΟΣ, ΕΙΚΟΝΑ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ, ) ΠΟΜΠΟΣ ΜΕΣΟ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ασύρματα ενσύρματα ΔΕΚΤΗΣ ΑΡΧΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών,

6 ΠΟΜΠΟΣ ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΝΙΣΧ. ΑΜ, FM, PM ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ ΕΝΙΣΧ. ΣΗΜΑ ΠΡΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ~ ΦΕΡΟΝ συνημίτονο ΔΕΚΤΗΣ ΣΗΜΑ ΑΠO ΚΕΡΑΙΑ ΕΝΙΣΧ. ΑΜ, FM, PM ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΕΝΙΣΧ. ΑΡΧΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ

7 ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ 1. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ «ΘΕΣΕΙΣ» ΣΤΟ ΔΙΑΘΕΣΙΜΟ ΦΑΣΜΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ. ΡΑΔΙΟΚΥΜΑΤΑ ΥΠΕΡΥΘΡΕΣ ΥΠΕΡΙΩΔΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ - Χ ΑΚΤΙΝΕΣ - γ ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ f(hz) ΕΚΜΕΤΑΛΕΥΣΙΜΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF RADIO TV GSM 3G SAT Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών,

8 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΕΡΟΝ 0 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ f(hz) Διαμόρφωση (modulation) είναι η διαδικασία με την οποία το σήμα της πληροφορίας υπερτίθεται σε ένα σήμα υψηλότερης συχνότητας που ονομάζεται φορέας (carrier) προκειμένου να μεταδοθεί αποτελεσματικά στο μέσο διάδοσης. Στο δέκτη, δηλαδή στο άλλο άκρο της επικοινωνιακής ζεύξης γίνεται η αντίστροφη διαδικασία που ονομάζεται αποδιαμόρφωση. Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

9 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ (συνέχεια) Υπάρχουν τρεις βασικές μέθοδοι με τις οποίες επιτυγχάνεται η υπέρθεση του σήματος πληροφορίας χαμηλής συχνότητας σε φορέα υψηλής συχνότητας. ΦΕΡΟΝ v = V p sin(2πf c t + φ) ΠΛΑΤΟΣ Α.Μ. ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ F.Μ. ΦΑΣΗ Ρ.Μ. V = Στιγμιαία τιμή του φορέα Vp = Το πλάτος της τάσης ω = 2πfc η κυκλική συχνότητα φ = Η γωνία φάσης Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

10 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ (συνέχεια) ΦΕΡΟΝ v = V p sin(2πf c t + φ) ΠΛΑΤΟΣ Α.Μ. ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ F.Μ. ΦΑΣΗ Ρ.Μ. Μεταβάλλοντας κάθε μια από τις τρεις παραμέτρους δηλαδή το πλάτος, τη συχνότητα ή τη γωνία φάσης, τότε ανάλογα με τις μεταβολές του σήματος της πληροφορίας προκύπτει και το αντίστοιχο είδος διαμόρφωσης. Εάν μεταβάλλεται το πλάτος του φορέα ώστε να «παρακολουθεί» τις αλλαγές του σήματος της πληροφορίας, τότε έχουμε «Διαμόρφωση κατά Πλάτος» (Amplitude Modulation AM). Η μεταβολή της συχνότητας ή της φάσης του φορέα έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή «Διαμόρφωσης Συχνότητας» (Frequency Modulation FM) ή «Διαμόρφωση Φάσης» (Phase Modulation PM) Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

11 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ (συνέχεια) πλάτος : 250V c ( t ) = 250 sin(2π t +3) συχνότητα : Hz =1MHz φάση : 3 rad πλάτος : 0,1V sin(100πt) c ( t ) συχνότητα = : 50Hz 10 φάση : 0 rad πλάτος : 3V c ( t ) = 3 sin(100 t) = 3 sin(2 π t) συχνότητα : Hz π π c(t) φάση : 0 rad 2V T f = c 1 T 0 Τ φ V p t(sec) T = 0,001 sec = 1 msec f c = 1000 Hz Τ φ φ = 2π T Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

12 ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΣΗΜΑ ΑΠO ΚΕΡΑΙΑ ΕΝΙΣΧ. ΑΜ, FM, PM ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ ΕΝΙΣΧ. ΑΡΧΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ Η αποστολή του δέκτη είναι να αποκαταστήσει το ληφθέν σήμα έτσι ώστε να καταστεί δυνατή η ανίχνευσή του (αποδιαμόρφωση) και η περαιτέρω επεξεργασία (π.χ. αποκωδικοποίηση) που θα οδηγήσει στην πλήρη ανάκτηση του αρχικού περιεχομένου του σήματος της πληροφορίας. Το ανακτημένο σήμα που περιέχει την αρχική πληροφορία ενισχύεται (αν είναι απαραίτητο) και προωθείται στον μετατροπέα εξόδου (output transducer), ο οποίος συντελεί στην αντίστροφη διαδικασία από αυτή του μετατροπέα εισόδου. Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

13 2. ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΦΕΡΟΝ 0 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ f(hz) Λόγω του ότι το φάσμα που καταλαμβάνουν τα σήματα που μεταφέρουν ωφέλιμη πληροφορία αντιστοιχεί σε χαμηλές συχνότητες, είναι αδύνατη η κατασκευή αποτελεσματικών διατάξεων εκπομπής καθόσον οι σχετικές κεραίες θα έπρεπε να έχουν τεράστιες διαστάσεις. Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, ΤΕΙ Σερρών

14 2. ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΙΑΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΕΊΝΑΙ ΤΟΥΛΑΧΙΣΤΟΝ ΤΟ ΕΝΑ ΔΕΚΑΤΟ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ!!! ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: α. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΗΧΟΥ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ: 20 Ηz ΕΩΣ Ηz ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ: 15 km ΕΩΣ km!!! β. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΡΑΔΙΟΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ: 100 Ηz ΕΩΣ 50 GΗz ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ: 6 mm ΕΩΣ 3 km c = λ f c: ταχύτητα του φωτός m/sec λ: μήκος κύματος (m) f: συχνότητα (Hz) Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών,

15 Περιοριστικοί Παράγοντες στις Επικοινωνίες Υπάρχουν δυο βασικοί παράγοντες που περιορίζουν την απόδοση ενός συστήματος επικοινωνίας: Ο Ηλεκτρικός Θόρυβος Το Εύρος Ζώνης το οποίο καταλαμβάνει το μεταδιδόμενο σήμα. Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών,

16 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ: ΟΠΟΙΑΔΗΠΟΤΕ ΑΝΕΠΙΘΥΜΗΤΗ ΣΤΑΘΜΗ ΤΑΣΗΣ Ή ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΕΜΦΑΝΙΖΕΤΑΙ ΣΕ ΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ. ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΘΟΡΥΒΟΥ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ: ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΗΣ ΘΟΡΥΒΟΣ (ΗΛ. ΑΝΑΦΛΕΞΗ, ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ) έως 500 ΜΗz ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ (ΚΕΡΑΥΝΟΙ) έως 20 ΜΗz ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ (ΗΛΙΑΚΟΣ, ΚΟΣΜΙΚΟΣ) 8 ΜΗz έως 1,5 GHz Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών,

17 ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ: τυχαίες κινήσεις ηλεκτρονίων λόγω θερμότητας ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ απρόβλεπτες κινήσεις φορέων ρεύματος στην επαφή Ρ-Ν (θόρυβος βολής) Ο θόρυβος βολής αυξάνεται αναλογικά με το συνεχές ρεύμα πόλωσης εκτός της περίπτωσης των MOSFET. χρόνος διέλευσης από ημιαγωγό Ρ σε ημιαγωγό Ν και αντίστροφα (θόρυβος χρόνου διέλευσης) Καθορίζει το άνω όριο της συχνότητας λειτουργίας των ημιαγωγών θόρυβος χαμηλών συχνοτήτων (περίσσιος θόρυβος) Είναι σημαντικός για συχνότητες μικρότερες του 1kHz και θεωρείται ότι οφείλεται στις ατέλειες των κρυσταλλικών επιφανειών των ημιαγωγών οι οποίες μεταβάλλονται με ρυθμό αντιστόφως ανάλογο της συχνότητας. Ο περίσσιος θόρυβος συναντάται στα τρανζίστορ διπολικής ένωσης Bipolar Junction Transistor BJT και στα τρανζίστορ πεδίου) Field Effect Transistor) Είναι γνωστός ως ροζ θόρυβος θόρυβος Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, 0 βολής f

18 ΩΦΕΛΙΜΟ ΣΗΜΑ ΔΕΚΤΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ ΩΦΕΛΙΜΟ ΣΗΜΑ + ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ + ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών,

19 ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΘΟΡΥΒΟΥ - Η ΙΣΧΥΣ ΤΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - PN = k T f k=1, J/K (Boltzmann), T: θερμοκρασία ( 0 Κ), Δf: ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΕΝΤΟΣ ΤΟΥ ΟΠΟΙΟΥ ΘΕΩΡΕΙΤΑΙ Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΣΕ Hz ΜΕΣΗ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΤΙΜΗ ΤΑΣΗΣ ΘΟΡΥΒΟΥ (RMS): ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ e = 4 k T f R n - ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ ΘΟΡΥΒΟΥ ΩΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ - NOISE POWER DENSITY (W/Hz) SHOT+THERMAL 0 Δ. Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, 10 f(hz)

20 ΘΟΡΥΒΟΣ ΣΕ ΔΕΚΤΕΣ ΛΟΓΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣ ΘΟΡΥΒΟ (SIGNAL TO NOISE RATIO, SNR) - ΒΑΣΙΚΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ - ΩΣ ΚΑΘΑΡΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ P SNR S KA.. P N ΩΣ DECIBEL (db) SNR = 10 log = db 10 P S P N P S : ΙΣΧΥΣ ΣΗΜΑΤΟΣ (W) P N : ΙΣΧΥΣ ΘΟΡΥΒΟΥ (W) - Ο ΛΟΓΟΣ SNR ΕΙΝΑΙ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΣ ΣΕ ΚΑΘΕ ΣΗΜΕΙΟ ΤΗΣ ΠΟΡΕIΑΣ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ - ΩΦΕΛΙΜΟ ΣΗΜΑ P S ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ P NEXT ΔΕΚΤΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ P NINT ΩΦΕΛΙΜΟ ΣΗΜΑ P S ΣΥΝΟΛΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ P NEXT + P NINT SNR ΕΙΣΟΔΟΥ SNR ΕΞΟΔΟΥ P S S SNR IN = SNR OUT = P Δ. Ευσταθίου, Τμήμα N P N + PN Πληροφορικής και Επικοινωνιών, EXT EXT INT P