ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΟΥ MODEM ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Θωμάς Ξένος Ζαχαρόπουλος Σωτήρης Μητσιμάρης Επαμεινώνδας

2 Θεσσαλονίκη Μάρτιος 2001 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Ένα από τα πιο συναρπαστικά επιτεύγματα, στο τελευταίο αυτό κομμάτι του αιώνα μας, είναι η αξιοποίηση των τηλεπικοινωνιακών μέσων με στόχο τη σύζευξη των υπολογιστών όλου του κόσμου. Tόσο η βιομηχανία τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού όσο και η βιομηχανία ηλεκτρονικών υπολογιστών αναπτύσονται με έναν ιδιαίτερα γρήγορο, σχεδόν ξέφρενο ρυθμό. Αυτό οφείλεται στην όλο και μεγαλύτερη ανάγκη για επικοινωνία και ανταλλαγή πληροφορίας. Μια σημαντική εξέλιξη της βιομηχανίας των υπολογιστών ήταν η χρησιμοποίηση τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ απομακρυσμένων ηλεκτρονικών υπολογιστών, η οποία αποτέλεσε τη βάση για το γνωστό σε όλους μας Ιnternet. Τα τελευταία χρόνια οι εταιρίες τηλεπικοινιακών εξοπλισμών παρουσίασαν μια νέα πρόταση στο χώρο που είναι τα ασύρματα modem. Η πρόταση αυτή έδωσε λύση στο πρόβλημα της ασύρματης μετάδοσης δεδομένων σε μικρές αποστάσεις χωρίς την ανάγκη χρησιμοποίησης ακριβού τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού. Μια από τις εταιρείες που δραστηριοποιήθηκαν στον τομέα αυτό είναι και η Linx Technologies. H Linx Technologies κατασκεύασε διάφορα μοντέλα ασύρματων modem ανάλογα με την περιοχή συχνοτήτων που χρησιμοποιούν. Εμείς ασχοληθήκαμε με τα μοντέλα HP SERIES II τα οποία είναι μια αξιόπιστη και φτηνή λύση για ασύρματη μετάδοση αναλογικής και ψηφιακής πληροφορίας στην ζώνη συχνοτήτων των MHz. Η διπλωματική αυτή είχε σαν σκοπό την υλοποίηση της λειτουργίας και την αξιολόγηση του HP SERIES II. Κατά την προσπάθεια συναντήσαμε πολλά προβλήματα, κυρίως,ότι το αντικείμενο που ασχοληθήκαμε ήταν καινούργιο σε μας και ότι δεν υπάρχει στην Ελλάδα αρκετή εμπειρία όσο αφορά την εφαρμογή τους και την τεχνική υποστήριξη. Τέλος θα θέλαμε να αναφέρουμε την συμβολή του καθηγητή μας κ. Θ. Ξένου η οποία ήταν σημαντική για την διεκπεραίωση της διπλωματικής εργασίας καθώς, θα

3 θέλαμε ακόμα να ευχαριστήσουμε όλους τους συνεργάτες του εργαστηρίου τηλεπικοινωνιών. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΜΟΡΦΗ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Ι) Σειριακή μετάδοση ΙΙ) Παράλληλη μετάδοση ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ HALF/FULL DUPLEX I) Simplex II) Half Duplex III) Full Duplex 1.9 ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Ι) Point to point II) Multipoint ΙΙΙ) Πολύπλεξη 1.10 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Ι) Ψηφιακή Διαμόρφωση Πλάτους ΑSΚ ΙΙ) Ψηφιακή Διαμόρφωση Συχνότητας ΙΙΙ) Ψηφιακή Διαμόρφωση Φάσης ΙV) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ΨΗΦΙΑΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ 1.11 ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ (ΡΥΘΜΟΊ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ) Ι)Ρυθμός μετάδοσης (bit rate) II) Ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένου σήματος (baud rate) III) Χωρητικότητα καναλιού 1.11 ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ RS

4 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2.2 ΘΥΡΑ ΣΕΙΡΙΑΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2.3 ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΡΟΗΣ ΤΩΝ BIT AΡΧΙΚΟ ΒΙΤ (START ΒΙΤ) ΒΙΤ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΒΙΤ ΙΣΟΤΙΜΙΑΣ ΒΙΤ ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΥ 2.4 ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΓΙΣΤΑ ΕΠΙΤΡΕΠΟΜΕΝΑ ΜΗΚΗ ΚΑΛΩΔΙΩΝ 2.5 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΘΕΩΡΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΟΝΤΑ Η ΠΑΝΩ ΣΕ ΤΕΛΕΙΟ ΚΑΙ 39 ΑΠΕΙΡΟ ΑΓΩΓΙΜΟ ΜΕΣΟ ΘΕΩΡΙΑ ΕΙΔΩΛΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΙΠΟΛΟ ΚΑΘΕΤΟ ΣΤΗΝ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ 3.4 ΚΕΡΑΙΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ 45 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΟDEM 4.1 ΠΟΜΠΟΣ ΜΟΡΦΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΚΡΟΔΕΚΤΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΤΟΥ ΠΟΜΠΟΥ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ Η ΕΞΟΔΟΣ CTS (Clear To Send) ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΕΓΓΥΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 4.2 ΔΕΚΤΗΣ ΜΟΡΦΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΚΡΟΔΕΚΤΩΝ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΤΟΥ ΔΕΚΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΕΞΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

5 4.2.7 ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RSSI ΚΑΝΟΝΤΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕ ΤΟ RSSI ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ ΤΟΥ ΔΕΚΤΗ 4.3 ΜΕΛΕΤΗ ΚΕΡΑΙΩΝ Η ΚΕΡΑΙΑ ΣΤΟΝ ΠΟΜΠΟ Η ΚΕΡΑΙΑ ΣΤΟΝ ΔΕΚΤΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ MODEM 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5.2 ΠΛΑΚΕΤΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΛΗΨΗΣ 5.3 ΛΟΓΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Ι) Διαλογική επικοινωνία ΙΙ) Μεταφορά αρχείων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 6.1 ΕΞΑΣΘΕΝΙΣΗ ΛΟΓΩ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΟΔΕΥΣΕΩΝ 6.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ 1.1 MΟΡΦΗ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Ο σκοπός κάθε συστήματος επικοινωνίας είναι η μεταβίβαση πληροφορίας από ένα σημείο σε ένα άλλο. Η παράσταση της πληροφορίας επιτυγχάνεται με τη χρήση συμβόλων, όπως για παράδειγμα το αλφάβητο κάποιας φυσικής γλώσσας, τα αριθμητικά ψηφία και τα διάφορα σημεία στίξης. Στις μέρες μας η πλέον διαδεδομένη μορφή σημάτων που χρησιμοποιούνται για τη μεταβίβαση πληροφορίας είναι τα ηλεκτρικά σήματα. Κλασικό παράδειγμα αποτελεί η μεταβίβαση της ομιλίας μέσω του τηλεφωνικού δικτύου. Στις επικοινωνίες δεδομένων ενδιαφέρει κυρίως η μεταβίβαση πληροφοριών, οι οποίες βρίσκονται αποθηκευμένες σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Σήμερα ένας υπολογιστής μπορεί να καλέσει έναν άλλο υπολογιστή, ακριβώς όπως καλούμε ο ένας τον άλλο με το τηλέφωνο, και να του μεταδώσει πληροφορίες. Ακόμα και με την περιορισμένη ταχύτητα μιας συμβατικής τηλεφωνικής γραμμής, ο υπολογιστής μπορεί συχνά να κωδικοποιήσει τις πληροφορίες, ώστε να στέλνει εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές περισσότερες πληροφορίες, απ όσες μπορεί να στείλει στον ίδιο χρόνο ένας άνθρωπος που μιλάει στο τηλέφωνο. Επίσης σήμερα μπορούμε να καλέσουμε τους υπολογιστές και να επικοινωνήσουμε μεταξύ τους. Υπάρχουν προσωπικοί υπολογιστές και φτηνά τερματικά που έχουν σχεδιαστεί, ώστε να επιτρέπουν στους χειριστές να επικοινωνούν με υπολογιστές που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση. Μπορούμε σήμερα να υποβάλουμε ερωτήσεις στους υπολογιστές, να ψάξουμε τεράστιες τράπεζες πληροφοριών, να κάνουμε υπολογισμούς, να εισάγουμε δεδομένα τα οποία οι υπολογιστές αποθηκεύουν και επεξεργάζονται.

7 Μετά τη δεκαετία του 1950, όπου έχουμε την παράλληλη ανάπτυξη των υπολογιστών και της ηλεκτρονικής επεξεργασίας των πληροφοριών, οι τηλεπικοινωνίες αρχίζουν να καταλαμβάνουν σημαντική θέση στη ζωή του ανθρώπου. Σήμερα οι πλέον γνωστές εφαρμογές των τηλεπικοινωνιών είναι η τηλεφωνία, το TELEX, η ραδιοφωνία και η τηλεόραση. Όμως τα τελευταία χρόνια η χρήση των υπολογιστών επεκτείνεται σε ευρύτερα στρώματα του πληθυσμού, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων μορφών τηλεπικοινωνιών μεταξύ αυτών και οι Επικοινωνίες Δεδομένων (Data Communication). H Επικοινωνία Δεδομένων εκτός από τη λειτουργία της εκπομπής και της κωδικοποίησης της πληροφορίας, περιέχει τον έλεγχο της μετάδοσης ως προς τη φορά και την ορθότητά της, αλλά και τους κανόνες που πρέπει να διέπουν συστήματα ανταλλαγής πληροφοριών. Δηλαδή περιέχει τα φυσικά κυκλώματα μετάδοσης, τον απαιτούμενο εξοπλισμό και το λογισμικό, διαδικασίες αναγνώρισης και διόρθωσης των σφαλμάτων μετάδοσης, έλγχο της ροής των δεδομένων και συνολικά κανόνες για την εξασφάλιση της επικοινωνίας δύο ή περισσοτέρων τερματικών. 1.2 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ Οι πληροφορίες τις οποίες αποθηκεύουν, επεξεργάζονται και μεταδίδουν, αποτελούνται από γράμματα του αλφαβήτου, αριθμούς, σημεία στίξης και άλλους χαρακτήρες σύμβολα. Οι Η/Υ είναι ψηφιακές συσκευές οι οποίες για την εσωτερική παράσταση των διαφόρων πληροφοριών χρησιμοποιούν το δυαδικό σύστημα αρίθμησης με τα ψηφία 0 και 1. Συνεπώς τα διάφορα σύμβολα του γραπτού λόγου (α, κ, 9,! κλπ.) δεν αποθηκεύονται ως έχουν σε έναν υπολογιστή, αλλά αντιστοιχούνται σε συγκεκριμένες ακολουθίες από 0 και 1 και εν συνέχεια αποθηκεύονται οι ακολουθίες αυτές. Η αμφιμονοσήμαντη απεικόνιση των διαφόρων συμβόλων σε δυαδικές ακολουθίες (λέξεις) ονομάζεται κωδικοποίηση. Οι κώδικες λοιπόν των Η/Υ δεν είναι τίποτα άλλο παρά πίνακες αμφιμονοσήμαντης αντιστοιχίας των χαρακτήρων με σειρές από bit. Υπάρχουν σήμερα σε χρήση αρκετοί κώδικοι όπως ο ASCII, ο EBCDIC κλπ. Ο κώδικας ASCII o oποίος είναι και ο πιο γνωστός χρησιμοποιεί 7 bit για την πληροφορία και συχνά ένα επιπλέον bit ισοτιμίας (parity). Περιλαμβάνει 128 ( = 2 7 ) χαρακτήρες, από τους οποίους οι 95 είναι σύμβολα γραφής και οι 33 είναι χαρακτήρες ελέγχου. Τα 95 σύμβολα γραφής απαρτίζονται από τα 26 κεφαλαία λατινικά γράμματα, τα 26 μικρά, τους 10 αριθμούς, τα σημεία στίξης και ειδικά σύμβολα (παρενθέσεις, κενό κλπ.). Οι 33 χαρακτήρες ελέγχου του κώδικα ASCII χρησιμοποιούνται για να ενεργοποιήσουν, να τροποποιήσουν ή να σταματήσουν μια ενέργεια που έχει να κάνει με την εγγραφή, την επεξεργασία ή τη μετάδοση δεδομένων. Οι χαρακτήρες αυτοί μπορούν να διαιρεθούν στους χαρακτήρες ελέγχου επικοινωνίας, διαχωρισμού

8 πληροφοριών, μετακίνησης του cursor, ελέγχου συσκευών και άλλους. Οι χαρακτήρες ελέγχου έχουν τα bit 6 και 7 μηδέν για να αναγνωρίζονται γρήγορα από τον υπολογιστή. Παρακάτω αναφέρονται οι χαρακτήρες ελέγχου επικοινωνίας του κώδικα ASCII. Οι χαρακτήρες αυτοί χρησιμοποιούνται για αν διαμορφώσουν ένα μήνυμα σε εύκολα αναγνωρίσιμη από τον παραλήπτη μορφή και για τον έλεγχο ροής των Data κατά την μετάδοση. SOH Start of Header, είναι συνήθως ο πρώτος χαρακτήρας της επικεφαλίδας ενός μηνύματος. STX Start of Text, χρησιμοποιείται για να δείξει την αρχή του μηνύματος και ταυτόχρονα το τέλος της επικεφαλίδας του. ΕΤΧ End of Text, χρησιμοποιείται για να δηλώσει το τέλος του μηνύματος. SYN Χαρακτήρας συγχρονισμού που χρησιμοποιείται συνήθως προκειμένου να συγχρονίσει τον δέκτη στη λήψη του μηνύματος. EOT End of transmission, δηλώνει το τέλος μιας μετάδοσης. ENQ Enquiry, χρησιμοποιείται για να προκαλέσει απάντηση από τον παραλήπτη. ACK Acknowledge, χαρακτήρας που χρησιμοποιείται για επιβεβαίωση λήψης μηνυμάτων. NAK Negative Acknowledgment, ο χαρακτήρας ενημέρωσης για μη σωστή λήψη μηνύματος. ETB End of Transmission Block, δείχνει το τέλος της αποστολής ενός μπλόκ. DLE Data Link Escape, χαρακτήρας που αλλάζει τη σημασία του συμβόλου που ακολουθεί. Ο παρακάτω πίνακας απεικονίζει τον κώδικα ASCII.

9 1.3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Το επικοινωνιακό μοντέλο που παραθέτουμε στο σχήμα 1, μας βοηθά να κατανοήσουμε ακόμα καλύτερα την έννοια Επικοινωνίες Δεδομένων. Σ ένα μοντέλο Επικοινωνίες Δεδομένων περιλαμβάνονται η πηγή της πληροφορίας, η μονάδα κωδικοποίησης και μετατροπής της πληροφορίας σε μορφή κατάλληλη για το σύστημα μετάδοσης, η μονάδα εκπομπής της διαμορφωμένης πλέον πληροφορίας, τα μέσα μετάδοσης, μονάδα λήψης της πληροφορίας, η μονάδα αποκωδικοποίησης και τέλος η μονάδα παρουσίασης της πληροφορίας στη λήψη. Είσοδος πληροφορίας Σύστημα Εισαγωγής Πληρ/ιας Σύστημα κωδικοποίησης Data προς μετάδοση Σήμα μετάδοσης Πομπός Μέσο μετάδοσης Έξοδος Πληροφορίας Σύστημα εξόδου πληροφορίας Αποκωδικοποιητής Data λήψης Δέκτης Σήμα λήψης Σχήμα-1 Αυτό το μοντέλο αναλύει και περιγράφει τα διάφορα στάδια από τα οποία θα περάσει η πληροφορία. Βασικές λειτουργίες του μοντέλου είναι: Προετοιμασία της πληροφορίας προς αποστολή. Συγχρονισμός των διαφόρων συμμετεχόντων στοιχείων της μετάδοσης Συντονισμός δηλαδή των ενεργειών όλων των συσκευών και των λειτουργιών που επιτελούν. Προσδιορισμός του προορισμού της πληροφορίας. Δρομολόγηση της πληροφορίας. Έλεγχος ροής της πληροφορίας. Διαδικασίες λήψης. Αναγνώριση / διόρθωση σφαλμάτων. Ασφάλεια μεταδιδόμενων data.

10 Τακτοποίηση / παρουσίαση ληφθέντος μηνύματος. Διαχείρηση επικοινωνίας. Τα κύρια θέματα που απασχολούν τις επικοινωνίες Data είναι, πρώτον να ξεκαθαριστεί από την αρχή ποια πληροφορία είναι αυτή που θέλουμε να μετακινήσουμε, να μάθουμε τους τρόπους που υπάρχουν σήμερα για μια επιτυχή μετάδοση, να διελευκάνουμε έννοιες του χώρου των επικοινωνιών και τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά μιας μετάδοσης. Σημαντικό θέμα στο χώρο των τηλεπικοινωνιών είναι επίσης τα μέσα μετάδοσης, ο δρόμος δηλαδή που χρησιμοποιεί η πληροφορία για τη μετάδοσή της. Ένα άλλο κρίσιμο σημείο είναι οι τεχνικές μετάδοσης των δεδομένων, οι τρόποι διαμόρφωσης και η χρήση της ψηφιακής τεχνολογίας. 1.4 ΜΟΡΦΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Ι) Σειριακή μετάδοση Ο δημοφιλέστερος τρόπος σύνδεσης μεταξύ υπολογιστικών συστημάτων είναι αυτός που χρησιμοποιεί τη σειριακή μετάδοση. Κατ αυτήν τα bit των κωδικοποιημένων χαρακτήρων αποστέλλονται το ένα κατόπιν του άλλου μέσα από ένα απλό φυσικό κανάλι μετάδοσης όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Κλασσικό παράδειγμα σειριακής επικοινωνίας είναι η σύνδεση μέσω του Interface V.24 (RS 232). Σχήμα 2 II) Παράλληλη μετάδοση Σε αντίθεση με τη σειριακή μετάδοση όπου τα bit ενός χαρακτήρα αποστέλλονται το ένα κατάπιν του άλλου μέσα από ένα κοινό κανάλι, στην παράλληλη όλα τα bit

11 του χαρακτήρα αποστέλλονται ταυτόχρανα, πράγμα που επιτυγχάνεται με την χρήση πολλαπλών καναλιών μετάδοσης, τουλάχιστων τόσων όσα και το πλήθος των bit που απαρτίζουν τον χαρακτήρα. Λόγω του ότι και τα 8 bit του χαρακτήρα ταξιδεύουν μαζί, η μετάδοση καλείται παράλληλη. Όπως γίνεται εύκαλα κατανοητό η παράλληλη μετάδοση είναι ταχύτερη της σειριακής αφού μεταδίδει πολλά bit ταυτόχρονα. Απαιτεί όμως πολλαπλά κανάλια και γι αυτό έχει εφαρμογή σε μεταδόσεις πολύ μικρών αποστάσεων, όπως για παράδειγμα η επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών και περιφεριακών συσκευών (εκτυπωτές, δίσκοι, κλπ.). 1.5 ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ Ο συγχρονισμός μεταξύ πομπού και δέκτη σε μια γραμμή επικοινωνίας είναι απαραίτητη προυπόθεση για την μετάδοση δεδομένων. Ο δέκτης ενός μηνύματος data πρέπει να γνωρίζει τον ρυθμό (ταχύτητα) και τις σωστές χρονικές στιγμές άφιξεις των bit. Ο στόχος είναι, ο ρυθμός δειγματοληωίας του δέκτη να ταυτίζεται με το ρυθμό μετάδοσης των bit, ώστε να μην χάσει ή να μην πάρει κάποιο bit δύο φορές. Κατάλληλα κυκλώματα χρονισμού στον πομπό κια στον δέκτη καθορίζουν τον ρυθμό λήψης για τον δέκτη. Για παράδειγμα σε μια αποστολή δεδομένων που η ταχύτητα είναι 1200 bit per second (bps), ο πομπός αποστέλλει ένα bit κάθε 1/1200 sec και ο δέκτης πρέπει να κοιτάζει τη γραμμή επικοινωνίας ακριβώς κάθε 1/1200 sec. Αν ο δέκτης κατά λάθος είναι ρυθμισμένος στα 600 bps θα κοιτάζει κάθε 1/600 sec οπότε θα βλέπει μόνο κάθε δεύτερο bit, χάνοντας συλαδή το ένα στα δύο. Σχήμα 3

12 1.6 ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ Η ασύγχρονη μετάδοση χαρακτηρίζεται από την αποστολή των δεδομένων υπο την μορφή χαρακτήρων. Οι χαρακτήρες μεταδίδονται ένας ένας με κάποιο χρονικό διάστημα διαχωρισμού μεταξύ τους, που ο δέκτης εκμεταλλεύεται για να τους διακρίνει. Μπροστά από κάθε χαρακτήρα υπάρχει ένα χαρακτηριστικό start bit που έχει τιμή 0 και χρησιμοποιείται για να ειδοποιήσει τον δέκτη ότι ακολουθούν τα υπόλοιπα data bit που απαρτίζουν τον χαρακτήρα. Προτού φθάσει το start bit η γραμμή διατηρείται μόνιμα σε λογική τιμή 1 (idle). Το start bit χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει τα κυκλώματα χρονισμού του δέκτη ώστε να ξεκινήσει να διαβάζει τα data bit του χαρακτήρα που φθάνουν στη συνέχεια. Σχήμα-4 Ακολούθως με ρυθμό που εξερτάται από την ταχύτητα επικοινωνίας ο δέκτης διαβάζει ένα ένα τα data που ακολουθούν μέχρι να ολοκληρωθεί ο χαρακτήρας. Ο αριθμός των bit ανα χαρακτήρα είναι προσυμφωνημένος μεταξύ πομπού και δέκτη. Μετά την μετάδοση κάθε χαρακτήρα η γραμμή επανάρχεται υποχρεωτικά στην κατάσταση idle (λογικό 1) για χρανικό διάστημα τουλάχιστον ενός bit. Το bit αυτό καλείται stop bit και η διάρκειά του μπορεί να φθάσει ανάλογα με τον κώδικα και την ταχύτητα μετάδοσης το 1,5 bit ή τα 2 bit. Η γραμμή εξακολουθεί και μετά το stop bit να παραμένει σε κατάσταση idle έως ότου εμφανισθεί το start bit του

13 επόμενου χαρακτήρα. Λόγω του ότι κάθε χαρακτήρας περικλείεται από ένα start και ένα stop bit, η μετάδοση αυτή είναι γνωστή και ως start/stop. Η ασύγχρονη μετάδοση χρησιμοποιείται σε συνδέσεις απλών ταρματικών με Η/Υ, στο δίκτυο telex, στη σειριακή σύνδεση υπολογιστικών με εκτυπωτές κλπ. 1.7 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ Σε αντίθεση με την ασύγχρονη μετάδοση οι χαρακτήρες εδώ δεν μεταδίδονται ανεξάρτητα ο καθένας, αλλά ομοδοποιούνται σε block που είναι και το κύριο χαρακτηριστικό της σύγχρονης μετάδοσης. Πρόσθετο σημαντικό χαρακτηριστικό στο οποίο οφείλεται και το όνομα της σύγχρονης μετάδοσης, είναι ένα σήμα χρονισμού που συνοδεύει τα data το οποίο στο εξής θα το καλούμε ρολόι (clock). Σχήμα 5 Το ρολόι αυτό είναι μια τεραγωνική κυματομορφή που έχει συχνότητα ίση με το ρυθμό μετάδοσης. Οι ανερχόμενες παρυφές των παλμών του ρολογιού συμπίπτουν χρονικά με το μέσο του κάθε αποστελλόμενου bit. Υπάρχει ένα ανεξάρτητα σήμα χρονισμού για τα δεδομένα εκπομπής και ένα άλλο για τα δεδομένα λήψης. Στη σύγχρονη μετάδοση δεν υπάρχει idle χρόνος μεταξύ του τελευταίου bit ενόα χαρακτήρα και του πρώτου bit του επόμενου στο ίδιο block.

14 1.8 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ HALF/FULL DUPLEX Ένα φυσικό μέσο μετάδοσης έχει τη δυνατότητα να μεταφέρει πληροφορία προς τη μια ή την άλλη κατεύθυνση ή και προς τις δύο μαζί. Όσον αφορά την κατεύθυνση της πληροφορίας και τον τρόπο που χρησιμοποιείται το φυσικό μέσο μετάδοσης διακρίνουμε τρείς μορφές επικοινωνίας. Την simplex, την half duplex (HDX), και την full duplex (FDX). I) Simplex (μονής κατεύθυνσης) Είναι ο τρόπος εκείνος κατά τον οποίο οι πληροφορίες κινούνται μόνιμα προς μια κατεύθυνση, όπου η μια πλευρά του καναλιού μετάδοσης συνεχώς εκπέμπει και η άλλη συνέχεια λαμβάνει. II) Half Duplex (Αμφίδρομη, μη ταυτόχρονη) Κατ αυτήν η επικοινωνία μπορεί να διεξάγεται είτε προς την μια κατεύθυνση είτε προς την άλλη, αλλά όχι ταυτόχρονα. Χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις όπου απαιτείται να γίνεται εναλλαγή της πληροφορίας. Στις επικοινωνίες με modem, η half duplex επικοινωνία επιτυγχάνεται με δισύρματες αλλά και με τετρασύρματες γραμμές. Στις δισύρματες γραμμές ο χρόνος αλλαγής της κατεύθυνσης γνωστός και σαν turnaround time επιβαρύνει το χρόνο απόκρισης. Πρέπει να σημειωθεί ότι η half duplex είναι ευρύτατα διαδεδομένη σήμερα στο χώρο των data communication. Όπως βλέπουμε και στο σχήμα, τη χρονική στιγμή to η πληροφορία κινείται προς τη μια κατεύθυνση και την t1 προς την άλλη. Σχήμα-6

15 III) Full duplex (Ταυτόχρονα αμφίδρομη) Στην μορφή αυτή της επικοινωνίας τα data μεταδίδονται ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις, εργάζονται δηλαδή ταυτόχρονα οι πομποί και οι δέκτες των δύο ανταποκριτών. Στην περίπτωση της full duplex επικοινωνίας δεν υπάρχει turnaround time, ενώ συνήθως απαιτούνται τερασύρματες γραμμές, το ένα για εκπομπή και το άλλο για λήψη. Με νέες τεχνικές που αναπτύχθηκαν υπάρχει η δυνατότητα full duplex σε δισύρματες γραμμές. 1.9 ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝΔΕΣΗΣ I) Point to point Είναι η απλούστερη σύνδεση μεταξύ δύο τερματικών / υπολογιστικών σημείων και επιτυγχάνεται με μια απευθείας σύνδεση. Στην περίπτωση αυτή μια πόρτα εισόδου / εξόδου (I/O) ενός και μόνο τερματικού (ή υπολογιστή) είναι συνδεδεμένη με μια αντίστοιχη πόρτα εισόδου / εξόδου ενός άλλου υπολογιστή. Σχήμα-7 Point to point συνδέσεις Με τη σύνδεση point to point, το κάθε τερματικό εκμεταλεύεται όλη την χωρητικότητα του καναλιού και συνεπώς έχει τον ελάχιστο χρόνο απόκρισης στη συνομιλία Είναι σαφώς η αποδοτικότερη σύνδεση αν εξαιρέσουμε βέβαια τον παράγοντα κόστος.

16 II) Multipoint Αν έχουμε αρκετά τερματικά τα οποία πρέπει να συνδεθούν με έναν υπολογιστή, σύμφωνα με τον προηγούμενο τρόπο θα διαθέταμε πολλαπλές point to point συνδέσεις. Επειδή αυτή η μέθοδος προυποθέτη πρόσθετη επένδυση σε πόρτες εισόδου / εξόδου, σε modem και σε τηλεφωνικές γραμμές, στην πράξη εφαρμόζεται η Σχήμα-8 Σύνδεση multipoint μέθοδος της multipoint σύνδεσης, όπου σε μια πόρτα του υπολογιστή συνδέονται περισσότερα του ενός τερματικά. Για τις multipoint συνδέσεις απαιτούνται ειδικά πρωτόκολλα και έξυπνα τερματικά. III) Πολύπλεξη (Multiplexing) Όπως είδαμε προηγουμένως, σε μια multipoint σύνδεση πολλά τερματικά σημεία συνδέονται σε ένα Ι/Ο Port του υπολογιστή. Ας υποθέσουμε ότι ο μέγιστος αριθμός τερματικών ανα Port είναι Ν και σε μια περιοχή έχουμε 2Ν τερματικά. Εκ των πραγμάτων είμαστε υποχρεωμένοι να χρησιμοποιήσουμε δύο Ι/Ο port και φυσικά δύο τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις. Σχήμα-9 Πολύπλεξη

17 Με τη βοήθεια της πολύπλεξης έχουμε τη δυνατότητα να περιορίσουμε τις τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις σε μια, συμπτύσοντας τα διαφορετικά σήματα σε μια γραμμή. Η πολύπλεξη μας επιτρέπει επίσης τη συγκέντρωση γραμμών επικοινωνίας με διαφορετικά πρωτόκολλα και τρόπους μετάδοσης (π.χ. σύγχρονο, ασύγχρονο κ.λ.π.) ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζουμε ένα από τα σπουδαότερα θέματα των επικοινωνιών, τις τεχνικές μετάδοσης των σημάτων πληροφορίας μέσα από τα διατιθέμενα κανάλια μετάδοσης. Τα πληροφοριακά σήματα διακρίνονται σε αναλογικά, όπως είναι η φωνή και σε ψηφιακά, όπως είναι τα data των υπολογιστών. Τα κανάλια μετάδοσης που διαθέτουμε είναι τέοια που δε μας επιτρέπουν πάντα να μεταδόσουμε αυτούσια τα σήματα πληροφορίας χωρίς κάποια ιδιαίτερη επεξεργασία. Αυτή η επεξεργασία του σήματος πληροφορίας που το καθιστά κατάλληλο για διέλευση από το κανάλι, ονομάζεται διαμόρφωση (modulation). To διαμορφωμένο σήμα είναι αυτό που μεταδίδεται τελικά μέσα από το κανάλι επικοινωνίας και έχει άλλοτε αναλογική και άλλοτε ψηφικακή μορφή. Στα αναλογικά διαμορφωμένα σήματα η πληροφορία διαμορφώνει ένα ημιτονικό σήμα, συχνότητας κατάλληλης για τη διέλευση από ένα κανάλι μετάδοσης, σήμα που ονομάζεται φορέας. Το σήμα πληροφορίας μπορεί να διαμορφώνει μία από τις τρεις παραμέτρους του φορέα που είναι το πλάτος, η συχνότητα και η φάση του ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Τα ψηφιακά σήματα έχουν πολύ μεγάλο φάσμα συχνοτήτων (bandwidth) πράγμα που οφείλεται στις απότομες ανερχόμενες και κατερχόμενες παρυφές των τετραγωνικών παλμών. Γι αυτό και πρέπει να εφαρμοστούν ειδικές τεχνικές διαμόρφωσης, όταν πρόκειται να περάσουν μέσα από κανάλια με περιορισμένο εύρος ζώνης. Χρησιμοποιούνται με κάποιες παραλλαγές οι βασικοί τύποι διαμόρφωσης AM, FM, PM που συναντώνται με διαφορετική ορολογία σαν ASK, FSK και PSK αντίστοιχα (Amplitude, Frequency and Fhase Shift Keying). Το ψηφιακό σήμα πληροφορίας έχει διάκριτες στάθμες και συνηθέστερα τις τιμές 0 και 1. Συνδυασμός των διαμορφώσεων ASK και PSK δημιουργεί μία ακόμη διαμόρφωση που ονομάζεται QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Στην πράξη συχνότερα απαντώνται οι FSK, PSK και QAM.

18 Ι) Ψηφιακή Διαμόρφωση Πλάτους ASK Η ASK (Amplitude Shift Keying) είναι η απλούστερη από τις διαμορφώσεις που θα εξεταστούν. Το πλάτος ενός ημιτονικού φορέα μεταβάλλεται ανάλογα με την τιμή του ψηφιακού σήματος που πρόκειται να μεταδοθεί, όπως φαίνεται στο Σχήμα 10. Ο δέκτης παρατηρώντας το πλάτος του φορέα, συμπεραίνει την τιμή του ψηφιακού σήματος. Σχήμα 10 II) Ψηφιακή Διαμόρφωση Συχνότητας FSK Στη διαμόρφωση FSK (Phase Shift Keying), η οποία είναι και αυτή που χρησιμοποιούμε στην εφαρμογή μας, και παρατήθεται λεπτομερέστερα στο παράρτημα Α, είναι ένας απλός τρόπος διαμόρφωσης κατά τον οποίο η συχνότητα του ημιτονικού φορέα παίρνει διάκριτες τιμές ανάλογα με την τιμή του ψηφιακού σήματος πληροφορίας όπως φαίνεται και στο Σχήμα-11. Σχήμα-11

19 IIΙ) Ψηφιακή Διαμόρφωση Φάσης PSK Στη διαμόρφωση PSK (Phase Shift Keying) το σήμα που διαμορφώνει το φορέα είναι ψηφιακό και έστι η μεταβολή φάσης παίρνει συγκεκριμένες τιμές. Η απλούστερη μορφή της PSK είναι η BPSK (Binary PSK) όπου μόνο δύο μεταβολές φάσης χρησιμοποιούνται και συνηθέστερα οι τιμές 0ο και 180ο για να κωδικοποιήσουν το 1 και το 0 αντίστοιχα. Συχνότερα απαντώνται οι μορφές QPSK, 8PSK, DPSK. Στο Σχήμα-12 φαίνεται η διαμόρφωση PSK. Σχήμα-12 IV) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Η QAM είναι συνδυασμός μιας PSK (DPSK) και της διαμόρφωσης πλάτους (ASK). Τα διαδοχικά εκπεμπόμενα τμήματα σήματος (baud) μπορούν να διαφέρουν μεταξύ τους κατά φάση, κατά πλάτος ή κατά φάση και πλάτος. Επειδή η διαμόρφωση QAM έχει καλύτερη συμπεριφορά σε θορυβώδες κανάλι απ ότι η DPSK, χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά για μεταδόσεις μα ταχύτητας πάνω από 4800 bps ΨΗΦΙΑΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ Στις περιπτώσεις που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ψηφιακή μετάδοση σημάτων που ήδη αναπτύθηκαν δεν μας είναι απαραίτητες. Το μόνο που χρειάζεται είναι μια διαφορετική κωδικοποίηση των ψηφιακών δεδομένων μας, έτσι ώστε να είναι κατάλληλα να περάσουν από το φυσικό κανάλι. Υπάρχουν πολλοί τρόποι κωδικοποίησης (διαμόρφωσης) των δεδομένων σε ψηφιακά σήματα (ονομάζονται και κώδικες γραμμής) και ο κάθε ένας από αυτούς αξιολογείται ως προς το εύρος ζώνης

20 συχνοτήτων που καταλαμβάνει, την ύπαρξη ή όχι συνεχούς συνιστώσας, την ευκολία εξαγωγής σήματος χρονισμού (clock), την ευκολία αναγνώρισης σφαλμάτων, την πολύπλοκότητα του κωδικοποιητή και του αποκωδικοποιητή, την ευαισθησία στο θόρυβο ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ (ΡΥΘΜΟΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ) Ένα από τα πλέον παρεξηγημένα θέματα των επικοινωνιών data είναι οι ταχύτητες μετάδοσης. Η λέξη ταχύτητα μάλλον δεν είναι η καταλληλότερη για να εκφράσει αυτό που ορθότερα θα εξέφραζε ο όρος Ρυθμός μετάδοσης (bit rate). Και αυτό διότι με τη λέξη ταχύτητα μας έρχεται στο νού η γρηγοράδα με την οποία ταξιδεύουν τα data στη γραμμή, ενώ ο όρος αντιπροσωπεύει το ρυθμό με τον οποίο εκπέμπονται τα Bit από τον πομπό. Γι αυτό και από εδώ και κάτω θα κάνουμε μια μεγάλη προσπάθεια να αντικαταστήσουμε τον όρο ταχύτητα με τον όρο ρυθμός μετάδοσης. Γνωστά μεγέθη που σχετίζονται με τον ένα ή άλλο τρόπο με την ταχύτητα επικοινωνίας είναι : Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (bit rate). Ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένου σήματος (baud rate). Χωρητικότητα καναλιού (channel capacity). Ι) Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (Data signaling rate Bit rate) Είναι ο ρυθμός με τον οποίο μεταδίδονται τα bit δεδομένων, εκφρασμένος σε bit per second ή κατά συντομογραφία bps. Ο ρυθμός μετάδοσης για την περίπτωση της σειριακής μετάδοσης ορίζεται ως: S= 1 log 2 M T Όπου Τ η διάρκεια ενός bit του αποστελλόμενου σήματος σε sec M o αριθμός των διαφορετικών καταστάσεων του σήματος S ο ρυθμός μετάδοσης που εκφράζεται σε bps II) Ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένου σήματος (Baud Rate)

21 Όρος χρησιμοποιούμενος κυρίως για μεταδόσεις μέσω modem, περιγράφει τον αριθμό των μεταβολών του διαμορφωμένου σήματος που έγιναν στη μονάδα του χρόνου. Η μονάδα που εκφράζει αυτό το ρυθμό είναι το baud. Στο Σχήμα-13 φαίνεται ότι η διάρκεια της μονάδας του σήματος είναι 10 msec. Ο ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένου σήματος είναι: 1 = 100 baud 0,010 Ο ρυθμός διαμορφωμένου σήματος (baud rate) δεν είναι κατ ανάγκη ίσος με το ρυθμό μετάδοσης των data (bit rate). Αν η τεχνική διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται αντιστοιχεί ένα bit σε κάθε μεταβολή του διαμορφωμένου σήματος, τότε το baud rate ταυτίζεται με το bit rate. Συχνά όμως το bit rate είναι μεγαλύτερο του baud rate και τούτο επιτυγχάνεται με διαμορφώσεις όπου σε κάθε μεταβολή του διαμορφωμένου σήματος (baud) αντιστοιχούν περισσότερα από ένα bit Σχήμα-13 III) Xωρητικότητα καναλιού Η ικανότητα μετάδοση πληροφορίας ή αλλιώς Χωρητικότητα ή Μεταδοτικότητα ενός καναλιού, είναι ομεγιστος αριθμός των συμβόλων που μπορούν να μεταφερθούν μέσω ενός καναλιού στη μονάδα του χρόνου. Εκφράζεται και αυτός σε bps. Η χωρητικότητα εξαρτάται από το εύρος ζώνης συχνοτήτων Β (bandwidth) του καναλιού και από το επίπεδο του θορύβου. Το επίπεδο του θορύβου από μόνο του δεν σημαίνει πολλά πράγματα, εκείνη όμως η παράμετρος που αντικατοπτρίζει την πραγματικότητα είναι ο Λόγος Σήματος πρός θόρυβο S/N, όπου με το S αναπαριστάμε την ισχύ του μεταδιδόμενου σήματος και με Ν την ισχύ του θορύβου που υπάρχει στο κανάλι. Συνήθως ο λόγος σήματος πρός θόρυβο μετράται σε db.

22 (S/N)db = 10log10(S/N) Όσο πιο μεγάλος είναι ο λόγος S/N τόσο καλύτερη είναι η μετάδοση, διότι ο δέκτης διαχωρίζει με μεγαλύτερη ευκολία το σήμα από το θόρυβο και με λιγότερες πιθανότητες λάθους. Σύμφωνα με τον κανόνα των Shannon και Hartley η χωρητικότητα C ενός καναλιού εξαρτάται από τον S/N και το εύρος ζώνης Β υπακούοντας στον ακόλουθο τύπο: C= Blog2(1 + S/N) 1.12 ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Γενικά περί σφαλμάτων Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται οι τεχνικές που εφαρμόζονται αφ ενός για την αναγνώριση των σφαλμάτων που τυχόν συμβαίνουν κατά την επικοινωνία, αφ ετέρου δε για την κατά το δυνατόν διόρθωσή τους. Στην αρχή αναφερόμαστε στην φυσιολογία του σφάλματος και σε άλλες πληροφορίες γύρω από το θέμα. Στη συνέχεια αναφέρονται οι κυριότερες μέθοδοι Αναγνώρισης σφαλμάτων, από το parity και το Block Check Sum μέχρι και τους κυκλικούς κώδικες. Κατόπιν ερχόμαστε στο σημαντοκότερο θέμα που είναι η διόρθωση σφαλμάτων. Υπάρχουν δύο ειδών μέθοδοι διόρθωσης. Αυτές που χρησιμοποιούν τεχνικές επανεκπομπής μηνυμάτων και αυτές της αυτόματης διόρθωσης. Οι πρώτες είναι αυτές όπου αφού διαγνωσθεί το σφάλμα, ζητείται από τον πομπό να ξαναμεταδώσει το λανθασμένο μήνυμα. Οι δεύτερες είναι εκείνες που οι δέκτες διορθώνουν μόνοι τους το σφάλμα με τη λήψη του μηνύματος. Φυσιολογία του σφάλματος Σφάλμα στη μετάδοση σεδομένων ονομάζουμε την αθέλητη αλλαγή της τιμής κάποιου bit, την εξαφάνισή του ή και στη προσθήκη bit στο block μετάδοσης. Σφάλματα μπορούν να προέλθουν από εξωτερικό θόρυβο, θόρυβο στα ηλεκτρονικά κυκλώματα πομπού ή και δέκτη, μη σωστή τροφοδοσία ρεύματος και διάφορους άλλους παράγοντες που επιδρούν στη ομαλή λειτουργία των μονάδων που ασχολούνται με την αποκατάσταση της επικοινωνίας. Αξιοπρόσεκτο είναι πως επιδρά η διάρκεια του θορύβου στα σφάλματα. Αν δεχτούμε για παράδειγμα σαν διάρκεια κάποιου θορύβου το 1 msec (βλ. Σχήμα 14) και ρυθμό μετάδοσης data 600 bps, ο θόρυβος αυτός θα καταστερέψει 1bit. Στην περίπτωση των 2400 επιδρά σε 3 bit ενώ στα 9600 bps σε 10 bit. Άρα όσο μεγαλύτερη η ταχύτητα τόσο περισσότερα τα σφάλματα.

23 Σχήμα-14 Ρυθμοί εμφάνισης σφαλμάτων Ο ρυθμός εμφάνισης σφαλμάτων σε μια τηλεπικοινωνιακή σύνδεση χαρακτηρίζει την ποιότητα της σύνδεσης. Ο ρυθμός αυτός ποικίλει ανάλογα και με τον ρυθμό μετάδοσης. Για δεδομένη γραμμή, ο ρυθμός εμφάνισης σφαλμάτων αυξάνει όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός μετάδοσης. Το ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων συναντάμε και ως bit error rate (BER) ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ H αναγνώριση των σφαλμάτων στην ευρεία της έννοια δεν είναι πάντα αναγκαία από τα συστήματα. Και τούτο διότι σε μερικές εφαρμογές, πιθανά μεμονωμένα λάθη σε μια φράση δεν δημιουργούν προβλήματα στην κατανόηση του μηνύματος. Στις επικοινωνίες δεδομένων (data communication), η ανάγκη για αναγνώριση σφαλμάτων είναι μεγάλη, τις περισσότερες φορές δε άκρως αναγκαία. Πρέπει να γνωρίζουμε όμως εξαρχής ότι για να επιτύχουμε την αναγνώριση των σφαλμάτων, είμαστε υποχρεωμένοι να χρησιμοποιήσουμε πρόσθετα bit από αυτά της καθαρά πληροφορίας. Όσο περισσότερα είναι αυτά τα bit, τόσο ορθότερα και ακριβέστερα γίνεται από τον δέκτη η αναγνώριση σφαλμάτων. Για λόγους πληρέστερης κατανόησης του θέματος πρέπει να σημειώσουμε ότι στόχος της αναγνώρισης σφαλμάτων δεν είναι ο περιορισμός ή η εξάλειψή τους, αλλά ο περιορισμός εκείνων που περνούν απαρατήρητα. Οι πιο βασικές τεχνικές αναγνώρισης σφαλμάτων είναι : echo plex ισοτιμίας (parity) κυκλικοί κώδικες

24 Echo Plex H απλούστερη μέθοδος αναγνώρισης σφαλμάτων είναι η Echo plex που λειτουργεί σε ασύγχρονη μετάδοση από απλά τερματικά. Κάθε χαρακτήρας που πληκτρολογείται στο πληκτρολόγιο αποστέλλεται στην γραμμή και επιστρέφει μετά την παραλαβή του από τον υπολογιστή οπότε και εμφανίζεται στην οθόνη. Έτσι βλέπουμε το κατάπόσο ο χαρακτήρας έφθασε σωστά. Βέβαια η μέθοδος δεν είναι ακριβής καθώς αν ένας χαρακτήρας επιστρέψει εσφαλμένος στην οθόνη μας, δεν είμαστε σίγουροι ότι ο χαρακτήρας αυτός έφθασε στον προορισμό του εσφαλμένος ή υπέστη αλλοίωση στην επιστροφή του. Ισοτιμία (Parity) Απλούστερη τεχνική στην αναγνώριση σφαλμάτων είναι η τεχνική ελέγχου της ισοτιμίας (parity). Με την τεχνική αυτή φροντίζουμε το πλήθος των 1 σε κάθε χαρακτήρα να είναι ζυγός αριθμός, οπότε λέμε ότο έχουμε άρτια ισοτιμία (even parity). Αντίστοιχα όταν θέλουμε το πλήθος των 1 να είναι μονός αριθμός έχουμε περιττή ισοτιμία (odd parity). Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη ενός πρόσθετου bit στο τέλος του χαρακτήρα ώστε να εκπληρώνεται η προσυμφωνημένη συνθήκη ισοτιμίας. Για παράδειγμα, έστω ο χαρακτήρας Μ ο οποίος στον κώδικα ASCII έχει δυαδική αναπαράσταση (7 bit). Το πρώτο από αριστερά bit που λείπει τώρα από τον χαρακτήρα (στην ουσία το 8 ), θα είναι στην περίπτωση της άρτιας ισοτιμίας 0 διότι τα 1 στο Μ είναι τέσσερα δηλαδή άρτιος αριθμός. Αν θέλουμε περιττή ισοτιμία, το 8 bit θα πρέπει να είναι 1, ώστε το πλήθος των 1 να είναι περιττός αριθμός. Έτσι : Για άρτια ισοτιμία το Μ = Για περιττή ισοτιμία το Μ = Το bit ισοτιμίας πρoστίθεται από τον εκπομπό. Αν κάποιο bit για κάποιο λόγο αλλάξει και γίνει από 0 1 ή από 1 0 τότε η ισοτιμία θα χαλάσει. Αν όμως αλλάξουν ταυτόχρονα δύο bit η ισοτιμία δεν αλλάζει. Στο παράδειγμά μας έστω ότι ο πομπός στέλνει και ο δέκτης παίρνει Ο δέκτης το αποδέχεται σαν σωστό (διότι εξακολουθεί να έχει άρτιο αριθμό από 1 ), ενώ ο χαρακτήρας που παρελήφθη είναι ο G και όχι ο Μ που έστειλε ο πομπός. Συνεπώς η τεχνική ελέγχου ισοτιμίας είναι αποδοτική σε περιττό αριθμό σφαλμάτων, ενώ δεν κάνει τίποτα όταν έχουμε άρτιο αριθμό. Ο Ο Κυκλικοί κώδικες Στην περίπτωση της μετάδοσης block από bit έχουν αναπτυχθεί τεχνικές οι οποίες δεν χρησιμοποιούν καθόλου το bit ισοτιμίας. Οι κυκλικοί κώδικές (Cyclic Redundancy Check-CRC) χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο, καθώς τα bit

25 oriented πρωτόκολλα (HDLC, SDLC) κερδίζουν έδαφος στις επικοινωνίες δεδομένων. Η μέθοδος των κυκλικών κωδίκων σε γενικές γραμμές δουλεύει ως εξής : Τα δεδομένα που στέλνει ο πομπός ομαδοποιούνται σε block αποτελούμενα από bit. Ο πομπός πριν τη μετάδοση διαιρεί το block με ένα δυαδικό αριθμό που ονομάζεται πολυώνυμο γεννήτορας (Generator Polynomial). Το πολυώνυμο αυτό θα πρέπει να είναι γνωστό σε πομπό και δέκτη, η μορφή του δε εξετάζεται παρακάτω. Από τη διαίρεση παίρνουμε ένα πηλίκο και ένα υπόλοιπο. Το πηλίκο το αγνοούμε, το δε υπόλοιπο το επισυνάπτουμε στο τέλος του block. Ο δέκτης λαμβάνει το block και επαναλαμβάνει τη διαίρεση με τον ίδιο δυαδικό αριθμό. Ακολούθως συγκρίνει το υπόλοιπο που υπολόγισε με το υπόλοιπο που έλαβε στο τέλος του block. Αν τα δύο υπόλοιπα διαφέρουν, ο δέκτης αντιλαμβάνεται την ύπαρξη σφάλματος στο block κατά τη μετάδοση. Το μαθηματικό υπόβαθρο των υπολογισμών αυτών έχει ως εξής: Ένα block αποτελούμενο από ν bit μπορεί να εκφραστεί ως ένα πολυώνυμο ν βαθμού ως εξής: Μ(x) = αν-1xν-1 + αν-2xν α1x + α0 Όπου οι αν-1, αν-2,, α1, α0 αντιπροσωπεύουν τα bit του block. Αν για παράδειγμα έχουμε το block τότε α11=1, α10=0, α9=α8=1, α7 =α6=0, α5=1, α4=0, α3=α2=1, α1=0, α0=1. Τα βήματα που ακολουθούνται για τη δημιουργία των κυκλικών κωδίκων είναι τα ακόλουθα: Πολλαπλασιάζουμε το Μ(x) με το xκ όπου κ είναι ο βαθμός του προκαθορισμένου πολυωνύμου γεννήτορα G(x) με το οποίο θα διαιρεθεί το Μ(x). Αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού αυτού είναι η αύξηση του βαθμού του Μ κατά κ μηδενικά, χωρίς να αλλάξουν τα ν bit ανώτερης τάξης. Στην ουσία θα μετακινηθεί το μήνυμα κατά κ θέσεις αριστερότερα. Διαιρούμε modulo-2 το Μ(x)xκ με το G(x). Η διαίρεση μας δίνει ένα πηλίκο Q(x) και ένα υπόλοιπο R(x).Το modulo-2 έχει το ρόλο του exclusive or δηλαδή 0+0=0, 1+1=0, 1+0=1, 0+1=1. Το μήνυμα Τ(x) που τελικά αποστέλλεται είναι της μορφής : Τ(x) = Μ(x) xκ R(x) όπου σημαίνει πρόσθεση modulo-2. Με τον τρόπο αυτό το αποστελλόμενο Τ(x) περιέχει στα μεν μεγαλύτερου βαθμού bit το μήνυμα, στα δε κ τελευταία το υπόλοιπο της διαίρεσης. Ο δέκτης λαμβάνοντας το Τ(x), το διαιρεί modulo-2 με το γνωστό σε αυτόν πολυώνυμο γεννήτορα G(x). Αν το μήνυμα έχει φθάσει σωστά τότε το υπόλοιπο αυτής της διαίρεσης πρέπει να είναι μηδέν. Στο παράδειγμα που ακολουθεί βλέπουμε πως εφαρμόζεται η παραπάνω θεωρία. Έστω το πολυώνυμο Μ= (12 bit) Έστω επίσης το πολυώνυμο G = (6 bit) Επομένως Μ(x) = x11 + x9 + x8 + x5 + x3+ x2 +1 ενώ G(x) = x5+ x4 + x2 +1. Πολλαπλασιάζοντας το Μ(x) με το x5 έχουμε:

26 Μ (x) = x16 + x14 + x13 + x10 + x8+ x7 + x5 ή Μ = Διαιρούμε modulo-2 αυτό το νούμερο με το G όπως φαίνεται στη συνέχεια και δημιουργείται ένα πηλίκο Q και ένα υπόλοιπο R. M = = R Αγνοούμε το πηλίκο Q, προσθέτουμε το R στο Μ και δημιουργούμε το Τ. Έτσι έχουμε Τ= Ο δέκτης παίρνει το Τ, το διαιρεί με το G που του είναι γνωστό και εφόσον το υπόλοιπο R που βγαίνει είναι μηδέν, το μήνυμα είναι σωστό. Αν για υπόλοιπο βρει οτιδήποτε άλλο τότε το μήνυμα έφτασε λάθος. Τ= = R Ένα από τα πιο γνωστά G το προκαθορισμένο από την ITU-T : x16 + x12 + x5 +1 ή σε δυαδική μορφή Στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε αυτό το πολυώνυμο γεννήτορα, το υπόλοιπο θα αποτελείται προφανώς από 16 bit. Άλλα γνωστά G(x) είναι : το CRC-12 : x12 + x11 + x3 + x2 + x +1 το CRC-16: x16 + x15 + x2 +1 το CRC-32: x32 + x26 + x23 +x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1 Αναφέραμε παραπάνω ότι ο δέκτης αναγνωρίζει ως ορθό κάθε block που διαιρούμενο με το πολυώνυμο G δίνει υπόλοιπο 0. Αυτό σημαίνει ότι οποιοδήποτε άλλο πολυώνυμο από αυτό που έστειλε ο πομπός και διαιρείται ακριβώς με το G(x), εκλαμβάνεται από το δέκτη σαν σωστό. Η χρήση των κυκλικών κωδίκων παρότι βελτιώνει σε εξαιρετικό βαθμό τη δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων μετάδοσης δεν

27 καλύπτει το σύνολο των περιπτώσεων. Αποδεικνύεται ότι οι κυκλικοί κώδικες έχουν την δυνατότητα ανίχνευσης των παρακάτω σφαλμάτων : Όλα τα σφάλματα απλών bit. Κάθε ομαδικό σφάλμα το μήκος του οποίου είναι μικρότερο από το μήκος του R(x). Τα περισσότερα μεγαλύτερου μήκους ομαδικά σφάλματα. Κάθε περιττό αριθμό σφαλμάτων εφόσον το G(x) έχει τον όρο x+1. Αν συγκρίνουμε τους κυκλικούς κώδικες με τους ελέγχους ισοτιμίας παρατηρούμε ότι τα πρόσθετα bit σε ένα μήνυμα είναι πολύ λιγότερα με το CRC παρά με τον έλεγχο ισοτιμίας, ιδίως όταν το μέγεθος του block είναι μεγάλο. Είναι σαφές ότι όσο περισσότερα είναι τα πρόσθετα bit, τόσο μικρότερος είναι τελικά ο ρυθμός μετάδοσης. Η πιθανότητα να περάσουν απαρατήρητα λάθη χρησιμοποιώντας τεχνικές κυκλικών κωδίκων είναι της τάξης του 10-9 η οποία θεωρείται πολύ ικανοποιητική ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Το επόμενο και σημαντικό μετά την αναγνώριση ενός σφάλματος είναι η αντιμετώπισή του. Ένας απλός τρόπος είναι η ενημέρωση του αποδέκτη με τη μέθοδο της υποκατάστασης των εσφαλμένων συμβόλων. Πολύ δημοφιλείς είναι οι μέθοδοι επανεκπομπής των μηνυμάτων με σφάλματα, ενώ χρήσιμες σε ειδικές περιπτώσεις είναι και οι τεχνικές της αυτόματης διόρθωσης από το δέκτη. Υποκατάσταση συμβόλου Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται εφόσον δέκτης του μηνύματος είναι άνθρωπος. Χρησιμοποιεί απλό έλεγχο ισοτιμίας και όταν η συσκευή δέκτη ανακαλύψει χαρακτήρα λανθασμένο τοποθετεί στη θέση του ένα ερωτηματικό?. Αν για παράδειγμα ο αποσολέας στέλνει τη λέξη «ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ» και στο δρόμο το P αλλοιωθεί το μήνυμα που θα δει ο αποδέκτης θα είναι «ΗΛΕΚ?ΙΣΜΟΣ» και φυσικά έχει τη δυνατότηατ να κατανοήσει ποια είναι η σωστή λέξη. Μέθοδοι επανεκπομπής Η μέθοδος επανεκπομπής συνίσταται στην ειδοποίηση του αποστολέα του μηνύματος ότι ο δέκτης παρέλαβε λανθασμένο μήνυμα και πρέπει να του ξαναστείλει ένα σωστό. Με την τεχνική αυτή ο δέκτης είναι υποχρεωμένος να ενημερώνει τον πομπό για τη σωστή λήψη των μηνυμάτων. Ο αποστολέας είναι υποχρεωμένος να έχει προσωρινή μνήμη όπου αποθηκεύει προσωρινά τα ανεπιβεβαίωτα μηνύματα, ώστε να έχει τη δυνατότητα επανεκπομπής τους. Το μέγεθος της προσωρινή μνήμης εξαρτάται από το μήκος των μηνυμάτων και από τον τύπο της τεχνικής που εφαρμόζεται.

28 Οι τεχνικές αυτές ονομάζονται εν γένει ARQ που οι διάφορες μορφές τους περιγράφονται παρακάτω. Stop and wait ARQ Είναι ο απλούστερος τύπος ARQ τεχνικής, όπου αφού ο αποστολέας στείλει ένα block με data περιμένει να πάρει από τον δέκτη ένα μήνυμα επιβεβαίωσης (ACK) ή εσφαλμένης (NAK) λήψης. Μόλις ο αποστολέας λάβει το ACK που σημαίνει ότι ο δέκτης δεν αναγνώρισε κανένα λάθος στέλνει το επόμενο block. Αν όμως λάβει NAK που σημαίνει ότι ο δέκτης αναγνώρισε λάθος, ο αποστολέας είναι υποχρεωμένος να ξαναστείλει το block αυτό και να μην προχωρήσει στο επόμενο. Με την τεχνική αυτή χάνεται αρκετός χρόνος προκειμένου να εξασφαλιστεί η επιβεβαίωση των μηνυμάτων. Συνεχής ARQ Το βασικό μειονέκτημα της Stop and wait ARQ τεχνικής είναι η ύπαρξη κενού χρόνου που πολλές φορές υποβιβάζει το transfer rate στο 50%. Προς τούτο έχουν αναπτυχθεί οι τεχνικές της συνεχούς ARQ. Με τη συνεχή ARQ τα data από αποστολέα σε δέκτη και τα μηνύματα θετικής ή αρνητικής από δέκτη σε αποστολέα, ταξιδεύουν ταυτόχρονα στη γραμμή και συνεχώς. Αυτόματη διόρθωση (FEC) Στην αυτόματη διόρθωση με χρήση κατάλληλων διορθωτικών κωδικών, ο δέκτης όχι μόνο αναγνωρίζει αλλά και διορθώνει τα τυχόν σφάλματα που συμβαίνουν κατά τη μετάδοση. Η βασική ιδέα είναι η χρησιμοποίηση πλεοναζόντων bit με τα οποία επιτυγχάνεται η διόρθωση. Οι διορθωτικοί κώδικες είναι πολύ χρήσιμοι εκεί που έχουμε μετάδοση simplex (μονής κατεύθυνσης) και ο δέκτης δεν έχει την πολυτέλεια να στείλει μήμυμα αρνητικής παραλαβής. Ο πιο δημοφιλής διορθωτικός κώδικας είναι αυτός του Hamming.

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ RS ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στις αρχές της δεκαετίας του 60 μια επιτροπή που σήμερα είναι γνωστή ως Ε.Ι.Α. (Electronic Industries Association) δημιούργησε ένα απλό πρότυπο επικοινωνίας για συσκευές που σχετίζονται με ανταλλαγή δεδομένων. Μέχρι τότε η επικοινωνία μεταξύ ενός κεντρικού (mainframe) υπολογιστή και ενός τερματικού ή μεταξύ δυο τερματικών γινόταν μέσω τηλεφωνικών γραμμών. Ήταν δηλαδή απαραίτητη η χρήση modem για διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση του σήματος. Αυτή η τεχνική ήταν απλή σε σύλληψη και σε εκτέλεση αλλά παρουσίαζε ένα σημαντικό πρόβλημα, την μεγάλη πιθανότητα σφάλματος που παρουσιάζεται όταν μεταδίδουμε ψηφιακά δεδομένα μέσω ενός αναλογικού καναλιού. Χρειαζόταν λοιπόν μια καλύτερη τεχνική η οποία να εξασφαλίζει πάνω απ όλα αξιόπιστη επικοινωνία και κατά δεύτερο λόγο να δίνει την δυνατότητα διασύνδεσης μηχανημάτων διαφορετικών κατασκευαστών, προάγοντας έτσι την μαζική παραγωγή και τον ανταγωνισμό μεταξύ των εταιρειών. Μέσα από αυτές τις ιδέες γεννήθηκε το πρότυπο RS232 το οποίο καθορίζει τις τάσεις, το χρονισμό και την λειτουργία των σημάτων καθώς και ένα πρωτόκολλο για ανταλλαγή δεδομένων και μηχανικούς κοννέκτορες. 2.2 ΘΥΡΑ ΣΕΙΡΙΑΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Όλα τα PC διαθέτουν εκ κατασκευής μια τουλάχιστον θύρα σειριακής επικοινωνίας (serial port), γνωστή στο λειτουργικό σύστημα και με το όνομα COM1. Η θύρα αυτή κάνει το PC να συμπεριφέρεται σαν συσκευή DTE, ενώ παράλληλα υπακούει στα χαρακτηριστικά της τυποποιημένης διασύνδεσης RS-232. Στα πρώτα PC, η θύρα αυτή ήταν υλοποιημένη είτε σαν αυτόνομη κάρτα, είτε ήταν ενσωματωμένη στην κάρτα πολλαπλών λειτουργιών (Multi I/O). Σήμερα η

30 χρήση περιορισμένου αριθμού πολύπλοκων ολοκληρωμένων για τη σύνθεση της βασικής μονάδας, έχει αφήσει αρκετό χώρο ελεύθερο και το κύκλωμα της σειριακής θύρας βρίσκεται συνήθως πάνω στο motherboard του PC. Τα σήματα επικοινωνίας καταλήγουν με κάποιο flat cable σε ένα D - connector στο πίσω μέρος του PC. Σε μερικούς τύπους PC για λόγους οικονομίας δε χρησιμοποιείται ο τυποποιημένος αρσενικός D- connector των 25 ακροδεκτών (pin), αλλά ένας μικρότερος με 9 pin (D9, βλέπε σχ. 2.1). Σχήμα 2.1 Η καρδιά του κυκλώματος σειριακής επικοινωνίας, είναι το ολοκληρωμένο 8250 το οποίο ανήκει στην κατηγορία των UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Όπως προκύπτει από την επωνυμία UART, το ολοκληρωμένο αυτό υποστηρίζει μόνο ασύχρονη επικοινωνία, γι αυτό και η αντίστοιχη θύρα αναφέρεται πολλές φορές σαν θύρα ασύχρονης επικοινωνίας. Η εσωτερική δομή του 8250 σε μορφή block διαγράμματος δίνεται στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2

31 2.3 ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΡΟΗΣ ΤΩΝ BIT Το πρότυπο RS232 περιγράφει μια μέθοδο επικοινωνίας στην οποία η πληροφορία στέλνεται bit ανά bit σε ένα φυσικό κανάλι. Η πληροφορία πρέπει να χωριστεί σε λέξεις των οποίων το μήκος ποικίλει από υπολογιστή σε υπολογιστή. Το μήκος της λέξης είναι ίσο με τον αριθμό των bit πληροφορίας. Επιπλέον bit προστίθενται με σκοπό την καλύτερη μεταφορά, τον συγχρονισμό και τον έλεγχο λαθών της πληροφορίας. Είναι απαραίτητο ο πομπός και ο δέκτης να χρησιμοποιούν τον ίδιο αριθμό bits για κάθε λέξη πληροφορίας γιατί υπάρχει η πιθανότητα η πληροφορία να ερμηνευτεί διαφορετικά ή και να μην αναγνωριστεί καθόλου. Τα bits της πληροφορίας στέλνονται με μια ορισμένη συχνότητα (baud rate) η οποία πρέπει να είναι η ίδια και για τον πομπό και για τον δέκτη. Μετά τη λήψη του πρώτου bit ο δέκτης υπολογίζει σε ποιες χρονικές στιγμές θα ληφθούν τα επόμενα bit πληροφορίας. Όπως αναφέραμε παραπάνω εκτός από τα bit πληροφορίας έχουμε και κάποια άλλα bit για τα οποία γίνεται λόγος στη συνέχεια ΑΡΧΙΚΟ BIT (START BIT) Το πρότυπο RS232 είναι ένας ασύγχρονος τρόπος επικοινωνίας. Αυτό σημαίνει ότι η αποστολή μια λέξης πληροφορίας μπορεί να αρχίσει μια οποιαδήποτε στιγμή. Το γεγονός αυτό μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα στο δέκτη ο οποίος δεν θα γνωρίζει ποιο είναι το πρώτο bit που θα λάβει. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα κάθε λέξη πληροφορίας έχει ένα αρχικό bit (start bit) το οποίο έχει λογική τιμή 0 (θετική τάση). Επειδή η κατάσταση του καναλιού επικοινωνίας, όταν δεν υπάρχει μεταφορά δεδομένων αντιστοιχεί στο λογικό 1, είναι εύκολη η αναγνώριση του start bit από το δέκτη BIT ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Αμέσως μετά το αρχικό bit στέλνονται τα bit πληροφορίας. Το λιγότερο σημαντικό bit είναι αυτό που στέλνεται πρώτο BIT ΙΣΟΤΙΜΙΑΣ (PARITY BIT) Το bit αυτό προστίθεται στην πληροφοριακή λέξη για να βοηθήσει στην ανίχνευση σφαλμάτων. Ο πομπός υπολογίζει την τιμή αυτού του bit με βάση την πληροφορία που στέλνει. Ο δέκτης κάνει ακριβώς τον ίδιο υπολογισμό και ελέγχει αν η τιμή του bit ισοτιμίας ανταποκρίνεται στην τιμή που υπολογίστηκε.

32 2.3.4 BIT ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΥ (STOP BIT) Υποθέτουμε ότι ο δέκτης έχασε το αρχικό bit (start bit) εξαιτίας θορύβου στο κανάλι επικοινωνίας. Αν το bit που ακολουθεί το αρχικό είναι και αυτό στο λογικό μηδέν, τότε ο δέκτης θα λάβει λάθος πληροφορία. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα δημιουργήθηκε ένας μηχανισμός επανασυγχρονισμού δέκτη και πομπού. Ο μηχανισμός αυτός βασίζεται στο γεγονός ότι τα bits της πληροφορίας καθώς και τα bits της ισοτιμίας περιέχονται σε ένα πλαίσιο (frame) από αρχικά bits και bits τερματισμού. Η χρονική περίοδος ανάμεσα σε αυτές τις 2 κατηγορίες των bits είναι σταθερή και ορισμένη από το ρυθμό μεταφοράς δεδομένων (baud rate) καθώς και από ένα συγκεκριμένο αριθμό πληροφοριακών bits και bits ισοτιμίας. Με βάση τη λογική αυτή αν ο δέκτης λάβει μια τιμή διαφορετική από το λογικό 1 για το bit τερματισμού τότε ξέρει ότι έχει χαθεί ο συγχρονισμός. Για να επιτευχθεί επανασυγχρονισμός, ο δέκτης προσπαθεί να ανιχνεύσει ένα έγκυρο ζεύγος από start και stop bits. Αυτή η τεχνική λειτουργεί εφ όσων υπάρχει αρκετή διακύμανση στα bits που λαμβάνονται από το δέκτη. Αν για παράδειγμα λαμβάνονται συνεχόμενα bits που είναι 0 τότε ο επανασυγχρονισμός δεν είναι δυνατός. 2.4 ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Το πρότυπο RS232 περιγράφει μια μέθοδο επικοινωνίας ικανή να λειτουργεί σε διαφορετικές συνθήκες. Αυτό είχε τον αντίκτυπό του στα χαρακτηριστικά του RS232 όπως για παράδειγμα η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση. Στον αρχικό ορισμό του προτύπου είχαν ληφθεί υπόψη οι τεχνικές δυνατότητες εκείνης της εποχής. Σαν αποτέλεσμα η μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων ήταν 20kbps. Με τις σημερινές εξελίξεις η ταχύτητα έχει φθάσει στα 1,5Mbps ΤΑΣΕΙΣ Η στάθμη του σήματος στα pins έχει δυο τιμές : Λογικό 0 το οποίο εκφράζεται από μια θετική τάση και λογικό 1 το οποίο εκφράζεται από μια αρνητική τάση. Αυτό φυσικά έρχεται σε αντίθεση με την κοινή πρακτική γιατί συνήθως το λογικό 1 αντιστοιχίζεται σε μια υψηλή στάθμη. Τα όρια της τάσης φαίνονται στο σχήμα 2.3.

33 Τάση λογικό 0 Μεταβατική περιοχή Χρόνος λογικό 1 Σχήμα 2.3 Όρια τάσεων πρωτοκόλλου RS232 Τάσεις από 3 ως 25 Volts θεωρούνται ως λογικό 1 ενώ τάσεις από 3 ως 25 Volts θεωρούνται ως λογικό 0. Η περιοχή από 3 ως 3 Volts θεωρείται ως μεταβατική περιοχή και δεν αντιστοιχίζεται σε κάποια τιμή ( 0 ή 1 ). Η μέγιστη διακύμανση της τάσης στη σειριακή θύρα του υπολογιστή έχει άμεση επίδραση στο μέγιστο μήκος του καλωδίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί καθώς και στη μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα επικοινωνίας.παρά τις μεγάλες τάσεις που εφαρμόζονται στη σειριακή δεν είναι εφικτή η καταστροφή της ακόμα και στην περίπτωση βραχυκυκλώματος. Αντίθετα η εφαρμογή τάσεων σε συνδυασμό με μεγάλα ρεύματα μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή της σειριακής ΜΕΓΙΣΤΑ ΕΠΙΤΡΕΠΟΜΕΝΑ ΜΗΚΗ ΚΑΛΩΔΙΩΝ Το μήκος του καλωδίου είναι ένα από τα πιο πολυσυζητημένα θέματα που αφορούν το πρότυπο RS232. Το ίδιο το πρότυπο δίνει μια ξεκάθαρη απάντηση: το μέγιστο μήκος του καλωδίου είναι 50 πόδια (15 μέτρα περίπου), ή το μήκος του καλωδίου είναι ισοδύναμο με μια χωρητικότητα 2500pF, για ταχύτητα μετάδοσης 19200bps. Αυτό σημαίνει ότι χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο με μικρότερη χωρητικότητα ανά μέτρο μπορούμε να αυξήσουμε το μέγιστο μήκος του καλωδίου. Αν για παράδειγμα χρησιμοποιηθεί καλώδιο τύπου UTP CAT-5 το οποίο έχει μια τυπική χωρητικότητα 56pF/m τότε το μέγιστο επιτρεπόμενο μήκος καλωδίου είναι περίπου 45 μέτρα. Το μέγιστο μήκος του καλωδίου που αναφέρθηκε, επιτρέπει την μέγιστη ταχύτητα επικοινωνίας (εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι το πρότυπο RS232 αναπτύχθηκε αρχικά για ταχύτητα 20kbps). Αν η ταχύτητα μειωθεί κατά 2 ή 4 φορές τότε το μέγιστο μήκος αυξάνεται δραματικά. Μετά από πειράματα που πραγματοποίησε η εταιρεία Texas Instruments βρήκε την σχέση μεταξύ του μέγιστου επιτρεπόμενου μήκους καλωδίου και της ταχύτητας μετάδοσης. Ταχύτητα μετάδοσης Μέγιστο μήκος καλωδίου (m)

34 Πίνακας ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σύμφωνα με τον ορισμό του RS232 η συσκευή που βρίσκεται στο ένα άκρο της σύνδεσης ονομάζεται DTE (Data Terminal Equipment) και είναι συνήθως ένας υπολογιστής, ενώ η συσκευή που βρίσκεται στο άλλο άκρο ονομάζεται DCE (Data Circuit-terminating Equipment) και είναι συνήθως ένα modem. Σχήμα 2.4 Το καλώδιο που συνδέει τις συσκευές DTE και DCE είναι ένα ευθείας αντιστοιχίας καλώδιο (straight-through). Αρχικά το πρότυπο RS232 είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε να χρησιμοποιεί κοννέκτορες με 25 ακροδέκτες (DB25). Σε αυτό το σχεδιασμό είχε προβλεφθεί και η ύπαρξη ενός δευτερεύοντος καναλιού επικοινωνίας. Στην πράξη όμως μόνο το πρωτεύον κανάλι χρησιμοποιείται, για αυτό το λόγο σήμερα χρησιμοποιούνται περισσότερο οι κοννέκτορες με 9 ακροδέκτες (DB9). Η διάταξη των ακροδεκτών και τα σήματα που αντιστοιχούν στον καθένα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και για τους δύο τύπους κοννεκτόρων που αναφέρθηκαν.

35 Σχήμα 2.5 Κοννέκτορες τύπου DB9 και DB25 Οι λειτουργίες των σημάτων του προτύπου RS232 είναι οι παρακάτω: Γείωση σήματος και προστασία Επικοινωνία πρωτεύοντος καναλιού. Χρησιμοποιείται για την ανταλλαγή δεδομένων και περιλαμβάνει τα σήματα ελέγχου για την ροή δεδομένων. (flow control signals). Επικοινωνία δευτερεύοντος καναλιού. Όταν αυτό χρησιμοποιείται (DB25), ο ρόλος του είναι ο έλεγχος της DCE συσκευής, η αίτηση για επαναμετάδοση στην περίπτωση σφάλματος και η επίβλεψη του πρωτεύοντος καναλιού. Έλεγχος λειτουργίας και κατάστασης της DCE συσκευής. Χρονισμός μετάδοσης και λήψης δεδομένων. Αν χρησιμοποιείται σύγχρονο πρωτόκολλο επικοινωνίας η λειτουργία αυτή παρέχει τον απαραίτητο χρονισμό για τον πομπό και τον δέκτη οι οποίοι μπορεί και να λειτουργούν με διαφορετικές ταχύτητες ροής δεδομένων. Έλεγχος του καναλιού επικοινωνίας. Πριν την ανταλλαγή δεδομένων το κανάλι μπορεί να ελεγχθεί για την κατάστασή του. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται αυτόματη ρύθμιση της ταχύτητας ροής δεδομένων στο μέγιστο δυνατό που μπορεί να υποστηρίξει το κανάλι. Τα σήματα που αντιστοιχούν σε κάθε ακροδέκτη (pin) και η λειτουργία του καθενός, για τον κοννέκτορα DB25 (DB9) δίνονται αναλυτικά παρακάτω: Γείωση σήματος και προστασία: Pin 1,Pin 7 (Pin5) Όλα τα σήματα έχουν σαν αναφορά το δυναμικό γείωσης που παρέχεται από το pin7

36 Επικοινωνία πρωτεύοντος καναλιού Pin 2 (pin 2) - TxD (Transmitted Data) Αυτό το σήμα είναι ενεργό όταν δεδομένα μεταδίδονται από τη συσκευή DTE προς τη συσκευή DCE. Όταν δεν μεταδίδονται δεδομένα τότε το σήμα παραμένει στο λογικό 1 (αρνητική τάση). Pin 3 (pin 3) - RxD (Received Data) Αυτό το σήμα είναι ενεργό όταν η DTE συσκευή δέχεται δεδομένα από την DCE συσκευή. Όταν δεν λαμβάνονται δεδομένα τότε το σήμα παραμένει στο λογικό 1 (αρνητική τάση). Pin 4 (pin 8) - RTS (Request To Send) Αυτό το σήμα ενεργοποιείται (λογικό 0 - θετική τάση) για να προετοιμάσει την συσκευή DCE για την λήψη δεδομένων από την DTE συσκευή. Pin 5 (pin 7) - CTS (Clear To Send) Αυτό το σήμα ενεργοποιείται (λογικό 0 - θετική τάση) από την DCE συσκευή για να ενημερώσει την DTE ότι η μετάδοση δεδομένων μπορεί να ξεκινήσει. (Σημείωση: Το RTS και το CTS χρησιμοποιούνται για να περιορίσουν την ροή δεδομένων στη συσκευή DCE.) Επικοινωνία δευτερεύοντος καναλιού. Pin 14 - STxD (Secondary Transmitted Data) Pin 16 SRxD (Secondary Received Data) Pin 19 SRTS (Secondary Request to Send) Pin 13 SCTS (Secondary Clear to Send) Έλεγχος λειτουργίας και κατάστασης της DCE συσκευής Pin 6 (pin 6) DSR (DCE Ready) Όταν το σήμα αυτό είναι ενεργοποιημένο (λογικό 0 ) τότε υποδηλώνει ότι η συσκευή μας είναι ανοιχτή και έτοιμη να λειτουργήσει. Pin 20 (pin 4) DTR (DTE Ready) Αυτό το σήμα ενεργοποιείται (λογικό 0 ) από την DTE συσκευή όταν επιθυμεί να ανοίξει ένα κανάλι επικοινωνίας. Αν η DCE συσκευή είναι ένα modem τότε η ενεργοποίηση του σήματος προετοιμάζει το modem για την σύνδεσή του στο τηλεφωνικό δίκτυο και από τη στιγμή που η σύνδεση επιτευχθεί, την διατηρεί. Όταν το σήμα αυτό απενεργοποιηθεί (λογικό 1 ) τότε η σύνδεση διακόπτεται. Pin 8 (Pin 1) CD (Carrier Detect)

37 Το σήμα αυτό ενεργοποιείται όταν η DCE συσκευή είναι ένα modem. Το modem είναι αυτό που του δίνει την λογική τιμή 0 (θετική τάση) όταν η τηλεφωνική γραμμή είναι ανοιχτή, η σύνδεση έχει αποκατασταθεί και το απομακρυσμένο modem έχει στείλει απάντηση. Όταν το σήμα έχει την λογική τιμή 1 αυτό σημαίνει είτε ότι δεν έχει ληφθεί απάντηση είτε ότι το σήμα που φθάνει από το απομακρυσμένο modem είναι χαμηλής ποιότητας πιθανόν εξαιτίας θορύβου. Pin 12 SCD (Secondary Carrier Detect) Έχει ακριβώς την ίδια λειτουργία με το προηγούμενο αλλά αναφέρεται στο δευτερεύον κανάλι επικοινωνίας. Pin 22 RI (Ring Indicator) Το σήμα αυτό χρησιμοποιείται όταν η DCE συσκευή είναι ένα modem που είναι συνδεδεμένο σε μια τηλεφωνική γραμμή. Είναι ενεργοποιημένο (λογικό 0 ) κατά την διάρκεια του κουδουνίσματος του τηλεφώνου. Pin 23 Data Signal Rate Selector Το σήμα αυτό μπορεί να προέρχεται είτε από την DTE είτε από την DCE συσκευή, αλλά όχι και από τις δύο μαζί, και χρησιμοποιείται για να επιλέξει μεταξύ δύο προκαθορισμένων ταχυτήτων δεδομένων. Για την λογική τιμή 0 διαλέγει την ανώτερη ταχύτητα και για την λογική τιμή 1 την κατώτερη. Χρονισμός μετάδοσης και λήψης δεδομένων Pin 15 TC (Transmitter Clock) Αυτό το σήμα χρησιμοποιείται όταν η DCE συσκευή είναι ένα modem και χρησιμοποιεί κάποιο σύγχρονο πρωτόκολλο. Το modem παράγει αυτό το σήμα χρονισμού για να ελέγχει την ταχύτητα με την οποία του στέλνονται δεδομένα από την DTE συσκευή στο pin2 (TxD). H μετάβαση από το λογικό 1 στο λογικό 0 προκαλεί μια αντίστοιχη μετάβαση στο επόμενο bit πληροφορίας στην γραμμή TxD. Το modem παράγει αυτό το σήμα συνεχώς εκτός αν εκτελεί εσωτερικές λειτουργίες. Pin 17 RC (Receiver Clock) Είναι ανάλογο του παραπάνω σήματος μόνο που παρέχει πληροφορίες χρονισμού για σήματα που μεταδίδονται από το modem. Pin 24 ETC (External Transmitter clock) Το σήμα αυτό χρησιμοποιείται μόνο όταν και τα δύο παραπάνω σήματα (TC και RC) δεν χρησιμοποιούνται. Η μετάβαση από το λογικό 1 στο λογικό 0 υποδηλώνει το μέσο του bit πληροφορίας. Σήματα ελέγχου καναλιού επικοινωνίας Pin 18 LL (Local Loopback)

38 Όταν αυτό το σήμα είναι ενεργοποιημένο (λογικό 0 ) το modem κατευθύνει το διαμορφωμένο σήμα του, το οποίο κανονικά θα πήγαινε στην τηλεφωνική γραμμή, πίσω στο κύκλωμα λήψεως. Με αυτό τον τρόπο τα δεδομένα που μεταδίδονται από την DTE συσκευή επιστρέφουν πάλι σε αυτήν (Echo) για να ελεγχθεί η κυκλωματική κατάσταση του modem. Pin 21 RL (Remote Loopback) Όταν αυτό το σήμα είναι ενεργοποιημένο (λογικό 0 ) το απομακρυσμένο modem μόλις λάβει τα δεδομένα τα επιστρέφει στην πηγή τους. Με αυτό τον τρόπο η μεταδιδόμενη πληροφορία περνάει από το τοπικό modem, την τηλεφωνική γραμμή, το απομακρυσμένο modem και επιστρέφει ελέγχοντας το κανάλι και επιβεβαιώνοντας την integrity του. Pin 25 TM (Test Mode) Όταν αυτό το σήμα είναι ενεργοποιημένο (λογικό 0-θετική τάση) υποδηλώνει ότι το modem είναι σε κατάσταση Local Loopback ή Remote Loopback..

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΘΕΩΡΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ 3.1 ΓΡΑΜΜΙΚΆ ΣΤΟΙΧΕΊΑ ΚΟΝΤΆ Ή ΠΆΝΩ ΣΕ ΤΈΛΕΙΟ ΚΑΙ ΆΠΕΙΡΟ ΑΓΏΓΙΜΟ ΜΈΣΟ Η παρουσία ενός εμποδίου, ειδικά όταν αυτό είναι κοντά στην κεραία, μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την συμπεριφορά του συστήματος ακτινοβολίας. Στην πράξη το πιο συχνά εμφανιζόμενο εμπόδιο είναι η γη. Η ενέργεια του ακτινοβολούντος στοιχείου που κατευθύνεται προς τη γη υφίσταται ανάκλαση. Η ποσότητα της ανακλώμενης ενέργειας καθώς και η κατεύθυνσή της εξαρτώνται άμεσα από τη γεωμετρία και τα χαρακτηριστικά του εδάφους. Στην γενική περίπτωση η γη είναι ένα μέσο με απώλειες (σ 0) του οποίου η αγωγιμότητα αυξάνει με την συχνότητα. Γι αυτό το λόγο είναι αναμενόμενο η γη να συμπεριφέρεται σαν πολύ καλός αγωγός πάνω από μια συγκεκριμένη συχνότητα που εξαρτάται κυρίως από την υγρασία του εδάφους. Για να απλοποιηθεί η ανάλυση υποθέτουμε ότι η γη είναι ένας τέλειος ηλεκτρικός αγωγός, επίπεδος και με άπειρες διαστάσεις. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται σε κάθε περίπτωση που θέλουμε να μελετήσουμε το πεδίο ενός ακτινοβολούντος στοιχείου που βρίσκεται κοντά σε ένα άπειρο, επίπεδο και τέλειο ηλεκτρικό αγωγό. 3.2 ΘΕΩΡΊΑ ΕΙΔΏΛΩΝ Για να αναλύσουμε την συμπεριφορά μιας κεραίας που είναι κοντά σε ένα άπειρο επίπεδο αγωγό χρησιμοποιούμε εικονικές πηγές (είδωλα) για υπολογίσουμε τις ανακλάσεις. Υποθέτουμε ότι ένα κάθετο ηλεκτρικό δίπολο είναι τοποθετημένο σε μια απόσταση h πάνω από το άπειρο αγώγιμο επίπεδο όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Το βέλος προσδιορίζει την πολικότητα της πηγής. Η ενέργεια της πραγματικής πηγής ακτινοβολείται προς όλες τις διευθύνσεις όπως θα συνέβαινε και στην περίπτωση που δεν υπήρχε εμπόδιο. Στο σημείο P1 φθάνει μια απευθείας ακτίνα και μια που υφίσταται ανάκλαση στο σημείο R1 που βρίσκεται πάνω στο αγώγιμο επίπεδο. Η

40 διεύθυνση της ανακλώμενης ακτίνας καθορίζεται από το νόμο της ανάκλασης (θ1i = θ1r). Προεκτείνοντας την ευθεία P1R1 μπορούμε να πούμε ότι η ανακλώμενη ακτίνα προέρχεται από μια εικονική πηγή που βρίσκεται σε απόσταση h κάτω από την αγώγιμη επιφάνεια. Για το σημείο P2 το σημείο ανάκλασης είναι τώρα το R2, αλλά η εικονική πηγή είναι η ίδια με την προηγούμενη. Το ίδιο μπορούμε να συμπεράνουμε για όλα τα σημεία που βρίσκονται πάνω από το αγώγιμο επίπεδο. Απευθείας ακτίνα Ανακλώμενη ακτίνα Πραγματική πηγή Απευθείας ακτίνα Ανακλώμενη ακτίνα Εικονική πηγή (είδωλο) Σχήμα 3.1 Η ανακλώμενη ακτινοβολία καθορίζεται από τις ιδιότητες των μέσων πάνω αλλά και κάτω από το αγώγιμο επίπεδο. Στην περίπτωση που το μέσο κάτω από την διαχωριστική επιφάνεια είναι ένας τέλειος αγωγός το προσπίπτον κύμα υφίσταται ολική ανάκλαση και το πεδίο κάτω από την διαχωριστική επιφάνεια είναι ΗΛΕΚΤΡΙΚΌ ΔΊΠΟΛΟ ΚΆΘΕΤΟ ΣΤΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΉ ΕΠΙΦΆΝΕΙΑ Με βάση το σχήμα 3.2 θα υπολογιστούν οι μαθηματικές εκφράσεις του πεδίου που παράγεται από το ηλεκτρικό δίπολο. Για απλότητα θα ασχοληθούμε μόνο με το πεδίο ακτινοβολίας, δηλαδή με το πεδίο σε μεγάλη απόσταση (kr = 2π r > > 1 ) από λ

41 την κεραία. Σύμφωνα με το σχήμα το πεδίο στο σημείο Ρ που οφείλεται στο απευθείας κύμα είναι ίσο με ki 0 le jkr1 d Eθ = jη sin θ 1 (3.1) 4π r1 όπου l το μήκος του διπόλου το οποίο διαρρέεται από ρεύμα I0 και η =120π. Σχήμα 3.2 Ηλεκτρικό δίπολο κάθετο στην αγώγιμη επιφάνεια

42 Σχήμα 3.3 Μελέτη πεδίου ακτινοβολίας Το πεδίο που οφείλεται στο ανακλώμενο κύμα ή αλλιώς στην εικονική πηγή είναι : ki le jkr 2 ki le jkr 2 Eθr = jrη 0 sin θ 2 = jη 0 sin θ 2 (3.2) 4π r2 4π r2 αφού ο συντελεστής ανάκλασης είναι ίσος με την μονάδα. Το συνολικό πεδίο πάνω από την διαχωριστική επιφάνεια (z 0) είναι ίσο με την υπέρθεση της απευθείας και της ανακλώμενης συνιστώσας. Το πεδίο κάτω από την διαχωριστική επιφάνεια (z<0) είναι όπως έχουμε πει ίσο με μηδέν. 1/ 2 Γενικά ισχύει ότι r1 = [r 2 + h 2 2rh cos θ ] [ r2 = r 2 + h 2 2rh cos(π θ ) ] 1/ 2 Για μεγάλες αποστάσεις όμως από την κεραία μπορούμε να δεχθούμε ότι οι r1, r2 και r είναι παράλληλες, δηλαδή ισχύει θ = θ1 = θ2 όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3 άρα μπορούμε να πούμε ότι r1 r h cosθ r2 r + h cosθ Συνεπώς μπορούμε να πούμε ότι το συνολικό πεδίο είναι Eθd = jη ki 0 le jkr sin θ [ 2 cos(kh cosθ )] 4π r Eθd = 0 για z 0 για z<0 (3.3) (3.4) Το μέτρο και η διεύθυνση του πεδίου δεν εξαρτώνται μόνο από το στοιχείο ακτινοβολίας αλλά και από την θέση του σε σχέση με τη γη. Οι μεταβολές του πεδίου συναρτήσει του ύψους h για τα ύψη h = 0, λ/8, λ/4, 3λ/8, λ/2 και λ φαίνονται στο σχήμα κανονικοποιημένες ως προς τα 0 db. Για h >λ/4 εμφανίζονται πλευρικοί λοβοί στο διάγραμμα ακτινοβολίας. Γενικά ο αριθμός των πλευρικών λοβών είναι ίσος με τον πλησιέστερο ακέραιο στον αριθμό : 2h + 1. λ

43 Σχήμα 3.4 Διάγραμμα ακτινοβολίας πεδίου Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε την κατευθυντικότητα και την αντίσταση ακτινοβολίας. Για αυτό το λόγο υπολογίζουμε πρώτα την συνολική ακτινοβολούμενη μέση ισχύ στο ημισφαίριο υπεράνω της αγώγιμης επιφάνειας. Wα = 1 P S av ds = 2η 2π 0 π /2 0 2 Εθ r 2 sin θ dθ dφ = π η π /2 0 Εθ 2 r 2 sin θ dθ (3.5) η οποία με την βοήθεια των σχέσεων (3.3) και (3.4) γίνεται 2 Wα = π η I 0 l 1 cos(2kh) sin( 2kh) + λ 3 ( 2kh) 2 ( 2kh) 3 (3.6) Όταν kh η ακτινοβολούμενη ισχύς είναι ίση με αυτή που θα είχε ένα στοιχειώδες δίπολο χωρίς την παρουσία της αγώγιμης επιφάνειας ενώ όταν kh 0 αποδεικνύεται ότι η ισχύς είναι διπλάσια από αυτή. Χρησιμοποιώντας τις σχέσεις (3.3) και (3.4) αποδεικνύεται ότι η ισχύς ανά μονάδα στερεάς γωνίας είναι 1 U (θ ) = r 2 Pav = r 2 Eθ 2η 2 η I 0l = 2 λ 2 sin 2 θ cos 2 (kh cosθ ) (3.7) Η ισχύς γίνεται μέγιστη για θ=π/2 και δίνεται από τη σχέση : U max = U θ =π / 2 η I 0l = 2 λ 2 (3.8) Η ισχύς αυτή είναι 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός στοιχειώδους διπόλου χωρίς την παρουσία αγώγιμης επιφάνειας. Η συνάρτηση κατευθυντικότητας δίνεται από τον τύπο :

44 4π U (θ ) 2 sin 2 θ cos 2 (kh cosθ ) = Wα 1 cos(2kh) sin(2kh) + (2kh) 2 (2kh) 3 3 D (θ ) = (3.9) Η μέγιστη τιμή της συναρτήσεως κατευθυντικότητας, δηλαδή η τιμή της κατά τη διεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας ονομάζεται κατευθυντικότητα της κεραίας και είναι ίση με 4π U max 2 D0 = = Prad 1 cos(2kh) sin( 2kh) (3.10) (2kh) (2kh) Για kh = 0 η κατευθυντικότητα είναι ίση με 3. Η D0 γίνεται μέγιστη για kh = 2,881 (h=0,4585λ) και η τιμή της είναι 6,566 δηλαδή 4 φορές περίπου μεγαλύτερη από την κατευθυντικότητα ενός στοιχειώδους διπόλου. Η αντίσταση ακτινοβολίας είναι Rα = 2 Prad I0 2 l 1 cos(2kh) sin( 2kh) = 2π η ( ) 2 + λ 3 ( 2kh) 2 ( 2kh) 3 (3.11) Για kh η αντίσταση ακτινοβολίας είναι ίδια με αυτήν ενός στοιχειώδους διπόλου χωρίς την παρουσία αγώγιμης επιφάνειας ενώ για kh = 0 είναι διπλάσια. Στην πράξη αυτό που χρησιμοποιείται περισσότερο είναι το μονόπολο μήκους l=λ/4 πάνω σε μια αγώγιμη επιφάνεια (h=0). Για την ανάλυση αυτής της περίπτωσης με την μέθοδο των ειδώλων εισάγεται άλλο ένα μονόπολο λ/4 όπως φαίνεται στο σχήμα 3.6 Σχήμα 3.5

45 Σχήμα 3.6 Μονόπολο λ/4 πάνω από άπειρη αγώγιμη επιφάνεια Ουσιαστικά είναι σαν να έχουμε ένα δίπολο λ/2 οπότε το πεδίο ακτινοβολίας δίνεται από τον τύπο: Eθ = jη π cos( cos θ ) I 0 e jkr 2 2π r sin θ (3.12) όμως όπως έχουμε πει η σχέση ισχύει μόνο για την περιοχή πάνω από την αγώγιμη επιφάνεια (z 0). Η σύνθετη αντίσταση εισόδου είναι η μισή από την αντίστοιχη αντίσταση ενός διπόλου λ/2, δηλαδή είναι ίση με Ζin =1/2 Zin (διπόλου)= ½[73 + j42,5] =36,5 + j21,25 (3.13) Οι αντιστάσεις αυτές είναι οι σύνθετες αντιστάσεις εισόδου για μέγιστο ρεύμα. 3.4 ΚΕΡΑΊΕΣ ΑΣΎΡΜΑΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ ΚΙΝΗΤΉΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΊΑΣ Τα δίπολα και τα μονόπολα είναι δυο από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες κεραίες για ασύρματα συστήματα κινητής επικοινωνίας. Συστοιχίες διπόλων χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα σε σταθμούς βάσεων επίγειων συστημάτων κινητής επικοινωνίας, ενώ τα μονόπολα εξαιτίας των χαρακτηριστικών ευρείας ζώνης που διαθέτουν καθώς και της απλής κατασκευής τους, χρησιμοποιούνται συχνότερα ως κεραίες φορητών συσκευών όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα, τα ασύρματα τηλέφωνα και τα ασύρματα modem. Τα χαρακτηριστικά και των δυο αυτών στοιχείων εξαρτώνται από το μήκος τους l το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται από τη συχνότητα λειτουργίας. Σε μια φορητή ασύρματη συσκευή όπως είναι ένα κινητό τηλέφωνο, η θέση του μονόπολου πάνω στη συσκευή επηρεάζει το διάγραμμα ακτινοβολίας αλλά δεν επηρεάζει σημαντικά τη σύνθετη αντίσταση εισόδου. Εκτός

46 από την πολύ διαδεδομένη χρήση του σε συστήματα ασύρματης κινητής επικοινωνίας το μονόπολο λ/4 χρησιμοποιείται και σε πολλές άλλες εφαρμογές. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

47 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ MODEM 4.1 ΠΟΜΠΟΣ Το συγκεκριμένο μοντέλο είναι σχεδιασμένο για χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης ασύρματη μεταφορά αναλογικών ή ψηφιακών δεδομένων στην αρκετά πολυσύχναστη μπάντα των ΜΗz. Ο πομπός προσφέρει οκτώ επιλεγόμενα κανάλια και συνεργαζόμενος με έναν δέκτη της σειράς ΗΡ είναι ικανός για μετάδοση αναλογικής ή ψηφιακής πληροφορίας σε αποστάσεις που με κατάλληλες συνθήκες ξεπερνούν τα 300 μέτρα. Για να εγγυηθεί επιθυμητή απόδοση κάτω από όλες τις δυνατές συνθήκες ο πομπός διαθέτει έναν μικροεπεξεργαστή ελεγχόμενα συντεθημένης αρχιτεκτονικής. Εν γένη ο πομπός περιλαμβάνει τα εξής κύρια χαρακτηριστικά: Οκτώ δυαδικά επιλέξιμες συχνότητες εκπομπής. Μέγιστη ισχύ εξόδου (+5dBm υπό φορτίο 50 ohm ). Ακριβής Ένδειξη Συντεθημένης Συχνότητας (Precision Synthesized Frequency Reference ). Aπ ευθείας σειριακή διασύδεση. Ρυθμός μετάδοσης (50Kbps max.). Mεγάλο έυρος διακύμανσης για την τάση τροφοδοσίας (2.7-16V DC). H έξοδος CTS (Clear-To-Send) εξαλείφει την ανάγκη γιά χρήση χρόνου εισαγωγής (Preamble Time). Δεν είναι αναγαία η παρουσία εξωτερικών RF στοιχείων (πλήν της κεραίας). Δυνατότητα εκπομπής αναλογικών και ψηφιακών δεδομένων (συμπεριλαμβανομένου και ήχου) ΜΟΡΦΉ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑ ΑΚΡΟΔΕΚΤΏΝ Ο πομπός αποτελείται περιλαμβάνει δέκα ακροδέκτες (σχήμα 4.1) με ένα κενό μεταξύ των ακροδεκτών 2 και 3. Τα στοιχεία βασικής ζώνης καταλαμβάνουν το πίσω μέρος της πλακέτας, ενώ τα στοιχεία υψηλής συχνότητας βρίσκονται τοποθετημένα στην μπροστινή επιφάνεια Σχήμα 4.1

48 Σχήμα ΘΕΩΡΗΤΙΚΉ ΜΕΛΈΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑΣ Η ψηφιακή πληροφορία διαμορφώνεται στον πομπό με χρήση FSK διαμόρφωσης (Frequency Shift Keying), τη δυαδική δηλαδή της διαμόρφωσης συχνότητας. Η διαμόρφωση FSK προσφέρει συμαντικά πλεονεκτήματα έναντι των βασιζόμενων στην διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) τύπων διαμόρφωσης, όπως π.χ. καλύτερη συμπεριφορά σε περιβάλλον θορύβου (Παράρτημα Α), καθώς και αυξημένη ικανότητα του δέκτη να λαμβάνει ταυτόχρονα πολλαπλά σήματα. Τα πλεονεκτήματα αυτά είναι ιδιαίτερα σημαντικά σε αρκετά συνωστισμένες μπάντες όπως αυτή στην

49 οποία ο ΗΡ λειτουργεί. Ενώ η διαμόρφωση FSK δεν αποτελεί την ιδανικότερη επιλογή όσον αφορά απαιτήσεις για μεγάλο εύρος φάσματος σε περιπτώσεις διαμόρφωσης ψηφιακών δεδομένων, ώστόσο καθίσταται άριστη επιλογή για αξιόπιστη, χαμηλού κόστους και χαμηλής ισχύος λειτουργίας στα RF. Για τη μετάδοση αναλογικής πληροφορίας ο πομπός επανέρχεται σε FM τύπο διαμόρφωσης. Στην κατάσταση αυτή απλές εώς πολύπλοκες κυματομορφές μπορούν να εισαχθούν στον ακροδέκτη εκπεμπόμενων δεδομένων και να ανακτηθούν με ελάχιστη παραμόρφωση στην αναλογική έξοδο του δέκτη. Η κεραία συνδέεται στον ακροδέκτη 2. Ο συγκεκριμένος πομπός είναι σχεδιασμένος ώστε να λειτουργεί με φορτίο 50ohm. Ένας ελεγχόμενος από τάση κρυσταλικός ταλαντωτής ακριβείας VCXO (VoltageControlled Crystal Oscillator) στα 12000MHz (βλέπε σχήμα 4.2) χρησιμοποιείται ως ενδεiκτής συχνότητας για τον εκπομπό. Ο ακροδέκτης εισόδου διαμόρφωσης είναι συνδεδεμένος με τον VCXO μέσω ενός διπολικού χαμηλοπερατού φίλτρου εύρους 25kHz. Το χαμηλοπερατό φίλτρο χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει τα εισερχόμενα δεδομένα και να περιορίσει το εύρος ζώνης της εκπομπής στα 25kHz. Η ενδεικνύμενη συχνότητα διαμορφώνεται απ ευθείας. Η μέθοδος αυτή εξασφαλίζει δύο μεγάλα πλεονεκτήματα. Πρώτον, εξαλείφει την ανάγκη μετατροπής της συχνότητας στον πομπό μειώνοντας έτσι αισθητά το μέγεθος, το κόστος και την κατανάλωση ρεύματος. Δεύτερον, συμβάλει έτσι ώστε η διαμόρφωση να μεταβάλεται στα όρια του επαναλαμβανόμενου εύρους του συνθέτη συχνότητων επιτρέποντας έτσι ένα αρκετά μεγάλο εύρος στη διαμόρφωση, απο 50Hz εώς 25kHz. Η διαμορφωμένη πλέον (12000MHz) ενδεικνύμενη συχνότητα εφαρμόζεται στον Βρόχο Κλειδώματος Φάσης PLL (Phase-Locked-Loop). Το PLL συνεργαζόμενο με έναν VCO ταλαντωτή στα MHz αποτελούν έναν σταθερό συνθέτη συχνοτήτων που μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να ταλαντώνεται σε έναν αριθμό προκαθορισμένων συχνοτήτων. Κατόπιν ένας κατάλληλα τοποθετημένος Μικροελεγχτής (micro-controller) διαβάζει τις γραμμές επιλογής καναλιού και προγραμματίζει το PLL στην επιθυμητή συχνότητα καναλιού. Ο micro-controller επίσης ελέγχει την κατάσταση του PLL και υποδεικνύει πότε ο πομπός είναι σταθερός και έτοιμος να εκπέμψει δεδομένα διεγείροντας κατάλληλα τη γραμμή CTS.

50 Σχήμα 4.2 Ένας ενισχυτής buffer χρησιμοποιείται για να απομονώσει τον VCO από την κεραία και για να αυξήσει την ισχύ εξόδου του εκπομπού. Η έξοδος του ενισχυτή είναι συνδεδεμένη με ένα χαμηλοπερατό φίλτρο το οποίο καταπνίγει τις εκπομπές των αρμονικών ΤΡΟΦΟΔΟΣΊΑ ΤΟΥ ΠΟΜΠΟΎ Έδω ο χρήστης πρέπει να εξασφαλίσει μία «καθαρή» πηγή τροφοδοσίας στον πομπό έτσι ώστε να πετύχει την ομαλή λειτουργία του. Σχήμα 4.3 Ο πομπός ενσωματώνει έναν χαμηλής αποβολής ρυθμιστή ακριβείας ο οποίος του επιτρέπει να λειτουργεί με τάση εισόδου που κυμαίνεται από 2.7 εώς 16 volts DC. Η γραμμή τροφοδοσίας του πομπού οφείλει να διαθέτει έναν πυκνωτή τανταλίου 150uF καθώς και έναν κεραμικό.1uf στή γη ώστε να αποκοπεί ο θόρυβος τόσο των χαμηλών όσο και των υψηλών συχνοτήτων σχήμα ΔΙΑΔΙΚΑΣΊΑ ΕΚΚΊΝΗΣΗΣ Ο πομπός ελέγχεται από έναν ενσωματωμένο μικροεπεξεργαστή (microprocessor). Mε την εφαρμογή της τάσης τροφοδοσίας μία διαδικασία

51 εκκίνησης εκτελείται. Στο τέλος της διαδικασίας αυτής ο πομπός είναι έτοιμος να στείλει δεδομένα. Σχήμα 4.4 Το σχήμα 4.4 δείχνει τη διαδικασία εκκίνησης. Η διαδικασία εκτελείται όταν ισχύς παρέχεται στον ακροδέκτη VCC ή όταν ο ακροδέκτης PDN μεταβαίνει από τη θέση Low στη θέση Ηigh. Mετά την εφαρμογή, ο μικροεπεξεργαστής περιμένει για μία περίοδο της τάξης των 12mSec ώστε ο κρυσταλικός ταλαντωτής (12.0 MHz) να ολοκληρώσει τον κύκλο εκκίνησής του πρίν θέσει εν ενεργεία το υπόλοιπο κύκλωμα. Μόλις η αρχική καθυστέρηση στην τροφοδοσία λάβει τέλος, ο ενσωματωμένος μικροεπεξεργαστής διβάζει τις γραμμές εξωτερικής επιλογής καναλιού και θέτει τον συνθέτη συχνοτήτων στο κατάλληλο κανάλι. Όταν ο συνθέτης συχνοτήτων κλειδώσει

52 στην κατάλληλη συχνότητα καναλιού, το κύκλωμα είναι έτοιμο να δεχτεί δεδομένα. Το γεγονός αυτό αναγνωρίζεται από την γραμμή CTS η οποία και μεταβαίνει στη κατάσταση High. Tώρα ο πομπός είναι έτοιμος να δεχτεί διαμορφωμένα δεδομένα από το κύκλωμα του χρήστη. Ο πομπός μπορεί να τεθεί σε μία κατάσταση παύσης τροφοδοσίας εξαιρετικά χαμηλού ρεύματος (ultra-low current <10uA) με την μετάβαση του ακροδέκτη PDN στην κατάσταση Low. Άν ο PDN υποστεί φόρτιση ή διατηρηθεί στην κατάσταση High ο πομπός ενεργοποιείται και αρχίζει να λειτουργεί κανονικά. Εν τέλει καμία λειτουργία του πομπού δεν εκτελείται με τον PDN στην κατάσταση Low. Ύπάρχου ορισμένες χρονικές απαιτήσεις τις οποίες ο χρήστης πρέπει να λάβει υπ όψιν όταν περιοδικά τροφοδοτεί τον πομπό. Η περίοδος έναρξης καθορίζεται από την διαδικασία εκκίνησης και υποχρεώνει τον χρήστη να αφήσει τον πομπό ανοιχτό για ένα χρονικό διάστημα 40mSec το λιγότερο. Μετά την πάροδο των 40mSec ο πομπός είναι σταθερός και έτοιμος να εκπέμψει. Η περίοδος παύσης λειτουργίας καθορίζεται από τον ρυθμό αποφόρτισης των εσωτερικών πυκνωτών διέλευσης. Οι πυκνωτές πρέπει να αποφορτιστούν πλήρως ώστε να εξασφαλίσουν ότι οι διαδοχικές τροφοδοτήσεις θα επανεκκινήσουν αξιόπιστα τον μικροεπεξεργαστή. Ο ελάχιστος χρόνος δεν πρέπει να είναι μικρότερος από 300mSec. Εάν ο χρήστης διαπιστώσει ότι ο πομπός δεν εκκινείται σωστά μετά την τροφοδοσία, αυτός ο χρόνος πρέπει να αυξηθεί Η ΈΞΟΔΟΣ CTS (CLEAR-TO-SEND) Η έξοδος CTS χρησιμοποιείται για να δηλώσει στο κύκλωμα του χρήστη πότε ο πομπός είναι έτοιμος να δεχτεί δεδομένα. Ο ακροδέκτης αυτός μπορεί να ρυθμιστεί έτσι ώστε να επιτρέψει την έναρξη της εκπομπής αμέσως μετά το κλείδωμα του συνθέτη του πομπού στην επιλεγμένη συχνότητα. Σε μία τυπική εφαρμογή ένας μικροελεγχτής θα θέσει την γραμμή PDN στην κατάσταση High και θα αρχίσει να μεταβάλλει την κατάσταση της γραμμής CTS, μόλις αυτή γίνει High ο μικροεπεξεργαστής θα αρχίσει να στέλνει δεδομένα. Σε εφαρμογές όπου δεν χρησιμοποιείται CTS π.χ. όταν ένας επιπλέον ακροδέκτης Ι/Ο δεν είναι διαθέσιμος, το κύκλωμα του χρήστη πρέπει να περιμένει τουλάχιστον 50mSec αφού θέσει τον ακροδέκτη PDN στην κατάσταση High πριν να αρχίσει να εκπέμπει οποιαδήποτε δεδομένα. Σε εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται τηλεχειριζόμενοι κωδικοποιητές τα δεδομένα αποστέλονται πλεονασματικά και δεν εμφανίζεται η ανάγκη ρύθμισης ή περιόδου αναμονής ΕΠΙΛΟΓΉ ΚΑΝΑΛΙΟΎ

53 Ο πομπός περιλαμβάνει οκτώ επιλεγόμενα από το χρήστη διφορετικά κανάλια. Το κανάλι λειτουργίας καθορίζεται από την κατάσταση των ακροδεκτών CS0-CS2. Σχήμα 4.5 Το σχήμα 4.5 δίχνει έναν πίνακα επιλογής καναλιών βασισμένο στην κατάσταση των ακροδεκτών. Ο ενσωματωμένος μικροεπεξεργαστής εκτελεί όλες τις λειτουργίες φόρτισης του PLL. Αυτό απαλλάσσει τον χρήστη από πολύπλοκες προγραμματιστικές απαιτήσεις και επιτρέπει την διά χειρός επιλογή καναλιού μέσω κατάλληλων επιλογέων, σε περίπτωση σχεδιασμού κατά τον οποίον ο μικροεπεξεργαστής δε χρησιμοποιείται ΕΙΣΑΓΩΓΉ ΑΝΑΛΟΓΙΚΏΝ ΣΗΜΆΤΩΝ Ο συγκεκριμένος πομπός, καθώς και οι άλλοι της ίδιας σειράς, έχουν την δυνατότητα μετάδοσης μιάς μεγάλης γκάμας αναλογικών σημάτων με ελάχιστη παραμόρφωση. Το σχήμα 4.6 απεικονίζει τη γραμμικότητα της διαμόρφωσης για μία ποικιλία απλών κυματομορφών. Ο πομπός είναι ικανός στη μετάδοση και πολύπλοκων κυματομορφών όπως είναι ο ήχος. Αναλογικά σήματα που κυμαίνονται από 50Hz εώς 25KHz μπορούν να εισαχθούν στον ακροδέκτη εισόδου δεδομένων (data-input). Η μεταβολή της τάσης στον ακροδέκτη πρέπει να είναι μεταξύ 0 και 3 volts. Η τάση αυτή απευθείας συντονίζει τον ταλαντωτή VCXO ώστε να πετύχει FM έξοδο. Το σχήμα 4.6 δείχνει πόσο απλή είναι η μετάδοση ηχητικού σήματος με τον συγκεκριμένο πομπό.

54 Σχήμα ΕΓΓΎΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑ Σήματα μεγάλου αριθμού πομπών που λειτουργούν σε διαφορετικά κανάλια όπως και γειτονικά σήματα καναλιών δεν λαμβάνονται στον δέκτη από τη στιγμή που η τάξη τους υπερβαίνει αυτή της ικανότητας απόριψής του. Στην περίπτωση κατά την οποία πομπός και δέκτης τοποθετύνται και λειτουργούν στην ίδια συσκευή (πλακέτα) σχηματίζοντας έναν πομποδέκτη τότε αυτοί πρέπει να λειτουργούν Half-Duplex πράγμα που σημαίνει ότι μόνο ο πομπός η ο δέκτης είναι ενεργός ανά πάσα στιγμή. Στην περίπτωση λειτουργίας με κεραίες υψηλού κέρδους ο συγκεκριμένος πομπός μπορεί να μεταδόσει, σε δέκτη που βρίσκεται σε αρκετά κοντινή απόσταση, ισχύ της τάξης των 10dBm. Από τη στιγμή που ο δέκτης δεν ενσωματώνει ένα AGC μπορούμε να οδηγηθούμε σε κατάσταση χαμηλής απόδοσης ή ακόμα και σε τερματισμό της λειτουργίας του. Αυτό συμβαίνει όταν ο πομπός αλλά και ο δέκτης λειτουργούν με κεραίες υψηλού κέρδους και βρίσκονται σε απόσταση 0.3 εώς 1.5m. Αν η εφαρμογή απαιτεί λειτουργία σε τέτοιες αποστάσεις τότε ο χρήστης θα πρέπει ή να αφαιρέσει εντελώς τις κεραίες, ή να χησιμοποιήσει κεραίες με χαμηλό κέρδος, ή να τοποθετήσει κάποια διάταξη εξασθένησης στον πομπό. 4.2 ΔΕΚΤΗΣ Ο δέκτης ΗP-SERIES II με την συνεργασία ενός HP-SERIES II πομπού δίνει μια αξιόλογη ασύρματη μεταφορά αναλογικού σήματος και μεταφορά δεδομένων. Τα χαρακτηριστικά του δέκτη φαίνονται παρακάτω : Οκτώ δυαδικά επιλέξιμες συχνότητες εκπομπής.

55 Ακριβής Ένδειξη Συντεθημένης Συχνότητας (Precision Synthesized Frequency Reference ). Aπ ευθείας σειριακή διασύδεση. Ρυθμός μετάδοσης (50Kbps max.). Mεγάλο έυρος διακύμανσης για την τάση τροφοδοσίας (2.7-16V DC) Δεν είναι αναγαία η παρουσία εξωτερικών RF στοιχείων (πλήν της κεραίας) H έξοδος CTS (Clear-To-Send) εξαλείφει την ανάγκη γιά χρήση χρόνου εισαγωγής (Preamble Time). Ευαισθησία του δέκτη -95 dbm RSSI και POWERDOWN PINS ΜΟΡΦΉ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑ ΑΚΡΟΔΕΚΤΩΝ Ο δέκτης διαθέτει 18 ακροδέκτες των οποίων η λειτουργία φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Όπως και στον πομπό έτσι και στον δέκτη τα στοιχεία βασικής ζώνης καταλαμβάνουν το πίσω μέρος της πλακέτας ενώ τα στοιχεία υψηλής συχνότητας είναι συγκεντρωμένα μπροστά.

56 4.2.2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΉ ΜΕΛΈΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑΣ Εδώ η κεραία είναι συνδεδεμένη με τον ακροδέκτη 1. Η θύρα HP-RXM RF είναι προσαρμοσμένη σε φορτίο 50 ohms ώστε να υποστηρίζονται οι πιό κοινά διαθέσιμοι τύποι κεραιών όπως αυτές που χρησιμοποιούμε. Το RF σήμα που έρχεται από την κεραία (σχήμα 4.7) φιλτράρεται από ένα φίλτρο SAW (surface acoustic wave). Ο ρόλος του SAW ζωνοπερατού φίλτρου είναι να εξασθενίζει ανεπιθύμητη RF ενέργεια που λαμβάνεται από την κεραία. Το φίλτρο SAW παρουσιάζει πιό οξεία αποκοπή και υψηλότερη εξασθένηση στην εκτός ζώνης περιοχή από άλλους τύπους φίλτρων όπως π.χ. ενός ζωνοπερατού LC. Από τη στιγμή που το σήμα φιλτραριστεί από το SAW στη συνέχεια εισχύεται από έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου έτσι ώστε να αυξηθεί η ευαισθησία και να ελαττωθεί η συνολική θορυβική εικόνα που παρουσιάζει ο δέκτης. Μετά την ενίσχυση το σήμα μιξάρεται σε έναν συντεθημένο τοπικό ταλαντωτή ώστε να επιτευχθεί η πρώτη μετατροπή στη συχνότητα.

57 Σχήμα 4.7 Η πρώτη IF συχνότητα είναι 14.7 MHz. Αυτή επιτυγχάνεται θέτωντας τη συχνότητα του συνθέτη σε μία τιμή 14.7 MHz υψηλότερη από την εισερχόμενη από την κεραία RF. Η 14.7 MHz IF συχνότητα είναι ιδανική καθώς απαλοίφει την χαμηλή συχνότητα είδωλο για την δεύτερη μετατροπή στα 10.7 MHz, ενώ ταυτόχρονα καθιστά αδύνατη την πιθανότητα εμφανίσεως ενός εντός ζώνης ειδώλου που προέρχεται από ανεπιθύμητη πηγή. Μια υψηλής αποδοτικότητας IF λωρίδα δέκτης χρησιμοποιείται για να εκτελέσει την δεύτερη μετατροπή και την FM αποδιαμόρφωση. Η IF λωρίδα λαμβάνει την συχνότητα των 14.7 MHz από την πρώτη μετατροπή, την μιξάρει σε έναν υψηλής ακρίβειας κρυσταλικό ταλαντωτή στα 4.0 MHz και παράγει τη δεύτερη IF στα 10.7 MHz ενισχύοντάς την σε ετοιμότητα για τη FM αποδιαμόρφωση. Η FM αποδιαμόρφωση επιτυγχάνεται με έναν ενσωματωμένο μαγνητικό πολλαπλασιαστή. Η έξοδος της IF λωρίδας είναι μία αποδιαμορφωμένη κυματομορφή η οποία, μετά το φιλτράρισμα, με μεγάλη πιστότητα απεικονίζει την αρχική κυματομορφή που χρησιμοποιήθηκε για να διαμορφώσει τον πομπό. Ένα υψηλής αποδοτικότητας ενεργό χαμηλοπερατό φίλτρο στα 18 KHz απομονώνει το σήμα audio, απομακρύνοντας όλο τον ανεπιθύμητο θόρυβο κατά τη διαδικασία της FM αποδιαμόρφωσης. Η έξοδος αυτού του φίλτρου οδηγείται στο ακροδέκτη εξόδου audio και κατόπιν στον BitPERFECT ψηφιακό επεξεργαστή, ο οποίος εξασφαλίζει μία δυναμική περιοχή μεγάλου εύρους ρυθμών διαμόρφωσης από 300bps εώς 50Kbps. Ένας ενσωματομένος μικροεπεξεργαστής χρησιμοποιείται για να εκτελέσει λειτουργίες λήπτη και να παρέχει ένα απλοποιημένο interface στο εξωτερικό κύκλωμα. Ο μικροεπεξεργαστής εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες: Προγραμματισμός συνθέτη συχνοτήτων: Ο μικροεπεξεργαστής διαβάζει τις γραμμές εισόδου του επιλογέα τριών καναλιών και προγραμματίζει τον καταχωρητή του συνθέτη συχνοτήτων στις κατάλληλες τιμές για δοσμένο κανάλι.

58 Αξιολόγηση δεδομένων βασικής ζώνης: Ο μικροεπεξεργαστής ελέγχει την ποιότητα του σήματος και αποκόπτει την έξοδο δεδομένων όταν το σήμα δεν είναι αρκετά δυνατό για ακριβή ανίχνευση δεδομένων. Αυτό αποκλείει τον θόρυβο στον ακροδέκτη εξόδου δεδομένων σε περιπτώσεις αδύνατου ή και καθόλου σήματος Η ΤΡΟΦΟΔΟΣΊΑ ΤΟΥ ΔΈΚΤΗ Η δίαταξη τροφοδοσίας του δέκτη είναι η ίδια με αυτή του πομπού.εδώ όμως θα πρέπει να σημειώσουμε ότι σε έναν δέκτη FM ο θόρυβος της τροφοδοσίας θα γίναι αντιληπτός από το κύκλωμα του δέκτη σαν ΑΜ αλλά και σαν FM θόρυβος μειώνοντας κατ αυτόν τον τρόπο την ολική ευαισθησία του δέκτη. Μία καθαρή πηγή τροφοδοσίας αποτλεί επιτακτική ανάγκη γι την επίτευξη όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ευαισθησίας στο δέκτη ΔΙΑΔΙΚΑΣΊΑ ΕΚΚΊΝΗΣΗΣ Ο δέκτης ελέγχεται από έναν ενσωματωμένο μικροεπεξεργαστή (microprocessor). Mε την εφαρμογή της τάσης τροφοδοσίας μία διαδικασία εκκίνησης εκτελείται. Στο τέλος της διαδικασίας αυτής ο δέκτης είναι έτοιμος να δεχθεί δεδομένα. Το σχήμα 4.8 δείχνει τη διαδικασία εκκίνησης. Η διαδικασία εκτελείται όταν ισχύς παρέχεται στον ακροδέκτη VCC ή όταν ο ακροδέκτης PDN μεταβαίνει από τη θέση Low στη θέση Ηigh. Mετά την εφαρμογή, ο μικροεπεξεργαστής περιμένει για μία περίοδο της τάξης των 12mSec ώστε ο κρυσταλικός ταλαντωτής (4.0 MHz) να ολοκληρώσει τον κύκλο εκκίνησής του πρίν θέσει εν ενεργεία το υπόλοιπο κύκλωμα. Μόλις η αρχική καθυστέρηση στην τροφοδοσία λάβει τέλος, ο ενσωματωμένος μικροεπεξεργαστής διβάζει τις γραμμές εξωτερικής επιλογής καναλιού και θέτει τον συνθέτη συχνοτήτων στο κατάλληλο κανάλι. Όταν ο συνθέτης συχνοτήτων κλειδώσει στην κατάλληλη συχνότητα καναλιού, το κύκλωμα είναι έτοιμο να δεχτεί δεδομένα.. Ο χρόνος απόκρισης μετρήθηκε συδέοντας την RF είσοδο του διαμορφωτή με μία γενήτρια σημάτων ρυθμισμένη στην κατάλληλη συχνότητα καναλιού, με ισχύ εξόδου 80dBm και FM διαμορφωμένη σε απόκλιση 50KHz με 100Hz τετραγωνικό σήμα. Θα παρατηρήσουμε ότι η έξοδος δεδομένων παραμένει αποκομμένη μέχρι να εκτελεστεί η εσωτερική διαδικασία εκκίνησης και ο δέκτης είναι έτοιμος να δεχτεί δεδομένα. Μία κοινή μέθοδος για να μειώσουμε την κατανάλωση ισχύος του δέκτη είναι να απενεργοποιήσουμε τον δέκτη μέσω του ακροδέκτη PDN για κάποιο χρονικό διάστημα και να τον ενεργοποιούμε περιοδικά για να πιστοποιήσουμε την παρουσία εκπεμπόμενου σήματος. Για να εκτελέσουμε με επιτυχία τη μέθοδο αυτή με τον συγκεκριμένο δέκτη υπάρχουν και εδώ ορισμένες απαιτήσεις στο χρόνο που ο χρήστης πρέπει να προσέξει όταν ενεργοποιεί τον δέκτη ελέγχοντας για δραστηριότητα στο κανάλι.

59 Με την έναρξη της τροφοδοσίας ο ενσωματωμένος μικροεπεξεργαστής του δέκτη θα ξεκινήσει την ρουτίνα εκκίνησής του. Μια περίοδος 90mSec πρέπει να παρέλθει ώστε να ολοκληρωθεί η ρουτίνα αυτή. Μετά από 90mSec τα κυκλώματα δεδομένων και RSSI είναι πλήρως ικανά και αξιόπιστα. Όσον αφορά την περίοδο παύσης λειτουργίας τα πράγματα δεν αλλάζουν σε σχέση με την περίπτωση του πομπού. Σχήμα ΑΝΑΛΟΓΙΚΉ ΈΞΟΔΟΣ Η αναλογική έξοδος παράγεται κατόπιν ενισχύσεως στον BitPERFECT ψηφιακό επεξεργαστή. Η αναλογική έξοδος κυμαίνεται μεταξύ 50Hz εώς 25KHz, παρέχοντας ένα AC σήμα περίπου 1V peak-to peak. Aυτή η έξοδος δεν πρέπει να χρησιμοποιείται σε περίπτωση φορτίου χαμηλής σύνθετης αντιστάσεως όπως ένα ηχείο.

60 Σχήμα 4.7 Σε εφαρμογές που απαιτείται απ ευθείας οδήγηση σε ένα ηχείο όπως είναι η περίπτωση εκπομπής audio, ένα απλό op-amp κύκλωμα σαν αυτό που φαίνεται στο σχήμα 4.8), μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Σ αυτό το κύκλωμα το op-amp παίζει το ρόλο του μετατροπέα σύνθετης αντίστασης ΕΞΟΔΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Η έξοδος δεδομένων παράγεται από έναν ενσωματωμένο συγκριτή ανοιχτού συλλέκτη και κυμαίνεται από 0V (που αντιστοιχεί στο λογικό 0 ) εώς 3V (που αντιστοιχεί στο λογικό 1 ). Η έξοδος αυτή είναι ικανή να μεταφέρει ρεύμα 2mA και είναι ισοδύναμη με πηγή ρεύματος εσωτερικής αντιστάσεως 4.7KΩ. Αν επιπλέον δυνατότητα παραγωγής και μεταφοράς ρεύματος απαιτείται, ο χρήστης θα πρέπει να χρησιμοποιήσει μία πύλη buffer ώστε το κύκλωμα να ανταποκριθεί στα επιπρόσθετα φορτία. Η έξοδος δεδομένων είναι γενικά σχεδιασμέμη να ανταποκρίνεται σε περιπτώσεις παρουσίας ή όχι φέροντος. Όταν ένα φέρον δεν είναι παρόν, η έξοδος δεδομένων είναι συνεχώς χαμηλή. Αν και η έξοδος audio του δέκτη είναι καθαρός θόρυβος, ένα εσωτερικό κύκλωμα αποκοπής χρησιμοποιείται για να διατηρήσει την έξοδο δεδομένων χαμηλή. Όταν ένα φέρον είναι παρόν χωρίς διαμόρφωση, η έξοδος δεδομένων θα παραμείνει συνεχώς υψηλή. Αυτό συμβαίνει ώστε να υποστηριχθεί απ ευθείας χειρισμός με UART s τα οποία απαιτούν για τις εισόδους τους να είναι συνεχώς υψηλές. Οι πομποί και οι δέκτες της συγκεκριμένης σειράς μπορούν απ ευθείας να συνδεθούν μεταξύ δύο UART s χωρίς την ανάγκη λογικής αντιστροφής. Οι αντιτιθέμενες ανενεργές καταστάσεις της εξόδου δεδομένων, όταν είναι παρόν ένα φέρον και όταν δεν είναι, παρέχουν ένα μοναδικό πλεονέκτημα στον σχεδιαστή. Ο σχεδιαστής μπορεί να επιβεβαιώσει την παρουσία ενός επιθυμητού εκπεμπόμενου φέροντος απλά ελέγχοντας τη λογική κατάσταση της εξόδου δεδομένων όταν καθόλου δεδομένα δεν λαμβάνονται. Αν η έξοδος δεδομένων είναι στη κατάσταση high υφίσταται φέρον αν είναι low το αντίθετο. Η ίδια λειτουργία μπορεί να επιτευχθεί μετρώντας την τάση του RSSI με έναν A/D converter. Ωστόσο, ελέγχοντας την ανενεργό κατάσταση της εξόδου δεδομένων πάυει να υπάρχει η ανάγκη για έναν AD converter καθώς και βαθμονόμησης του RSSI κυκλώματος μέτρησης.

61 Σχήμα 4.8 Εφαρμογή χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο RS ΤΟ ΚΎΚΛΩΜΑ RSSI O δέκτης που χρησιμοποιούμε είναι εφοδιασμένος με ένα ενσωματωμένο κύκλωμα ενδείκτη ισχύος λαμβανομένου σήματος (Received-Signal-StrengthIndicator) RSSI. Το κύκλωμα RSSI είναι χρήσιμο στον έλεγχο για απασχόληση και παρεμβολή στο κανάλι λήψης καθώς επίσης στον καθορισμό της ισχύος του σήματος. Σχήμα 4.9 Το κύκλωμα RSSI παρέχει μία DC τάση η οποία είναι λογαριθμικά ανάλογη προς την εισερχόμενη ισχύ του σήματος που παρουσιάζεται στον ακροδέκτη εισόδου RF (RF input).το κύκλωμα RSSI δυακύμανση τάσης από 200mV εώς 1.4V και μία δυναμική περιοχή σήματος μεγαλύτερη των 60dB. Το σχήμα 4.9 δείχνει την έξοδο του RSSI σε σχέση με την ισχύ του εισερχόμενου σήματος. Το γράφημα αυτό είναι μία απλή χαρακτηριστική και βασίζεται σε ένα μικρό δείγμα δεκτών. Η απόκριση τουrssi είναι διαφορετική για κάθε FM-IF τσιπ, και επομένως διαφορετική για κάθε δέκτη της ίδιας σειράς. Ένας ενσωματωμένος ρυθμιστής χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση του κυκλώματος αξιολόγησης

62 δεδομένων (βασισμένου στο RSSI) ώστε να αντισταθμιστεί αυτή η παρέκλιση. Ποτέ δεν πρέπει να προσπαθήσουμε να βελτιώσουμε τις επιδόσεις του δέκτη αλλάζοντας την ήδη υπάρχουσα ρύθμιση ΚΆΝΟΝΤΑΣ ΜΕΤΡΉΣΕΙΣ ΙΣΧΎΟΣ ΣΉΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΚΎΚΛΩΜΑ RSSI Εάν η εφαρμογή μας απαιτεί ακριβή μέτρηση της ισχύος του εισερχόμενου σήματος (μετρήσεις απόστασης για παράδειγμα), τότε πρέπει να καλιμπράρουμε το κύκλωμα RSSI. H διαδικασία βαθμονόμησης είναι απλή. Χρησιμοποιώντας μία γενήτρια σημάτων, εισάγουμε ένα 40dBm μη διαμορφωμένο φέρον στον δέκτη και μετρούμε την τάση στο RSSI. Επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία για εισερχόμενο σήμα της τάξης των 100dBm. Για να καθορίσουμε την κλίση της απόκρισης του RSSI, χρησιμοποιούμε τις παρακάτω εξισώσεις: M = 60/(V2 V1) Όπου Μ = η κλίση σε db/volts V1 = η μετρούμενη τάση στα -100dBm V2 = η μετρούμενη τάση στα 40dBm Xρησιμοποιώντας αυτήν την κλίση, μπορούμε να καθορίσουμε την ισχύ του σήματος για κάθε τάση RSSI με τη χρήση της παρακάτω φόρμας: SS = M* (V1 Vm) +100dBm Όπου SS = η ισχύς του σήματος σε dbm M = η κλίση που υπολογίσαμε Vm = η εκάστοτε μετρούμενη τάση RSSI ΣΧΕΤΙΚΆ ΜΕ ΤΗΝ ΕΥΑΙΣΘΗΣΊΑ ΤΟΥ ΔΈΚΤΗ Η ευαισθησία του δέκτη ειναί σημαντική παράμετρος, όσον αφορά την απόσταση λήψης της ασύρματης ζεύξης μας. Ανάμεσα στους διάφορους κατασκευαστές, η μέτρηση της ευαισθησίας, αποτελεί θέμα προσωπικής επιλογής λόγω της πληθώρας μεθόδων και καταστάσεων υπό των οποίων η ευαισθησία μπορεί να εκτιμηθεί.

63 Ο δέκτης που χρησιμοποιούμε χαρακτηρίζεται από υψηλή ευαισθησία, αλλά το κυριότερο οι προδιαγραφές ευαισθησίας του είναι βασισμένες σε σχολαστικό έλεγχο και τεστάρισμα. Η ευαισθησία του δέκτη μας καθορίζεται για ένα δοσμένο ρυθμό λανθασμένων bits BER (bit-error-rate), ο οποίος μετράται με τη χρησιμοποίηση μίας ψευδοτυχαίας συνεχούς ροής bits παραγόμενης από μία συσκευή ελέγχου του ρυθμού λανθασμένων bits BERT (bit-error-rate-tester). Βασικά εκτιμάται η ευαισθησία ενός δείγματος πολλών δεκτών, επομένως η αναφερόμενη ευαισθησία αποτελεί έναν χαρακτηρισμό του δέκτη και όχι μία εγγυημένη προδιαγραφή. Η διάταξη ελέγχου της ευαισθησίας του δέκτη επιδεικνύεται παρακάτω. Σχήμα 4.9 Το σχήμα 4.10 δείχνει τον τυπικό BER σε σχέση με την ισχύ εισόδου. Το γράφημα αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της πραγματικής ευαισθησίας που μπορούμε να πετύχουμε για δοσμένη εφαρμογή. Σχήμα 4.1 Για παράδειγμα, επικοινωνίες δεδομένων υψηλών ταχυτήτων απαιτούν BER < 1-5, ενώ μία εφαρμογή χαμηλών ταχυτήτων με πλεονάζουσα εκπομπή δεδομένων μπορεί να απαιτεί μόνο BER < 1-2. Ένα μοντέλο απωλειών διαδρομής μπορεί να δείξει ότι η απόσταση λήψης στην περίπτωση ζεύξης ανοιχτού πεδίου μπορεί να ξεπεράσει τα 300m. H πραγματική ικανότητα του συγκεκριμένου δέκτη να επιτύχει καλή λειτουργία σε τέτοιες αποστάσεις εξαρτάται απόν πολλούς παράγοντες όπως: Η ποιότητα των κεραιών λήψης

64 Το πραγματικό μοντέλο απωλειών διαδρομής (ανοιχτό πεδίο, εσωτερικό κτιρίου, εντός πόλεως, κ.τ.λ.) Η ποιότητα της τροφοδοσίας 4.3 ΜΕΛΈΤΗ ΚΕΡΑΙΏΝ Η απόσταση ικανοποιητικής λήψης σε μία RF ζεύξη ποικίλει και εξαρτάται από τον τύπο της κεραίας που χρησιμοποιούμε και το περιβάλλον λειτουργίας. Ο σωστός σχεδιασμός και εγκατάσταση μιας κεραίας είναι ένα πολύπλοκο θέμα και απαιτεί τον κατάλληλο εξοπλισμό ελέγχου καθώς και ένα θεωρητικό υπόβαθρο όσον αφόρα την λειτουργία στα RF. Ενώ ικανοποιητική απόδοση των κεραιών μπορεί να επιτευχθεί με μεθόδους σφάλματος-δοκιμής στην περίπτωσή μας οι κεραίες που χρησιμοποιούμε είναι πατενταρισμένες και σχεδιασμένες έτσι ώστε να εξασφαλίζουν τις μέγιστες επιδόσεις. Αρχικά είναι δυνατή η χρησιμοποίηση ενός απλού διπόλου λ/4 το οποίο είναι εύκολο να κατασκευαστεί από ένα απλό κομμάτι σύρματος. Από τη στιγμή όμως που η κατασκευή μας αποδίδει ικανοποιητικά, απαιτείται η χρήση πιό εξειδικευμένων κεραιών για λόγους κόστους (όσον αφορά την απαιτούμενη ισχύ εκπομπής), εργονομίας και αισθητικής. Είναι σημαντικό να αναγνωρίσουμε τον καθοριστικό ρόλο της επιλογής του κατάλληλου τύπου κεραίας όσον αφορά όχι μόνο την καλή λειτουργία αλλά και τη νομιμότητα της εφαρμογής μας. Οι ακόλουθες παρατηρήσεις μπορούν να βοηθήσουν στο να πετύχουμε την όσο το δυνατόν αξιόπιστη λειτουργία της ζεύξης μας: Η παρουσία στο εγγύς περιβάλλον αντικειμένων όπως, το χέρι ή γενικά το σώμα του χρήστη ή διαφόρων μεταλλικών εξαρτημάτων είναι δυνατό να προκαλέσουν μέχρι και διακοπή της ζεύξης. Για το λόγο αυτό το σώμα και η άκρη της κεραίας μας θα πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατον πιό μακριά από τέτοιου είδους αντικείμενα. Έπιθυμητή λειτουργία των κεραιών μας μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας ένα δίπολο μήκους 1/4 ή και 1/2 μήκους κύματος, τοποθετημένο στη σωστή γωνία σε σχέση με το επίπεδο αναφοράς. Μερικές φορές αυτό δεν είναι δυνατό για λόγους πρακτικής ή εργονομίας. Έτσι ένας εναλλακτικός τύπος κεραίας όπως η ελικοειδής, η σπειροειδής ή διπόλου με ανακλαστήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Εάν πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε εσωτερική κεραία τότε θα πρέπει να την τοποθετήσουμε όσο το δυνατόν πιό μακριά από άλλα μεταλλικά αντικείμενα όπως μετασχηματιστές, μπαταρίες, πλακέτες κ.τ.λ. Πρέπει να θυμόμαστε ότι το περιβάλλον της κεραίας είναι σημαντικό όσο και η κεραία αυτή καθ αυτή. Σε πολλούς σχεδιασμούς ζεύξεων ειδικά σε περιπτώσεις χρήσεως διπόλου 1/4 το επίπεδο αναφοράς λειτουργεί ως αντιστάθμιση και το όλο σύνολο συμπεριφέρεται σαν δίπολο 1/2. Για το λόγο αυτό ο ρόλος του επιπέδου αναφοράς

65 είναι ουσιώδης. Σαν γενικός κανόνας ισχύει ότι το επίπεδο αναφοράς θα πρέπει να έχει διαστάσεις μεγαλύτερες ή και συγκρίσιμες με αυτές του, 1/4 μήκους κύματος, ακτινοβολούντος στοιχείου. Η κεραία θα πρέπει να κείτεται όσο το δυνατόν απομακρυσμένη από πηγές δυναμικού που αλληλεπιδρούν με αυτή. Υπάρχουν πολλές πιθανές πηγές εσωτερικά προερχόμενης αλληλεπίδρασης. Τροφοδοτικά, ταλαντωτές ακόμα και relays μπορούν να αποτελέσουν παράγοντες αλληλεπίδρασης. Η σωστή τοποθέτηση και σχεδιασμός παίζουν σημαντικό ρόλο, μπορούμε να επέμβουμε στην ισχύ τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας πυκνωτές διέλευσης υψηλής συχνότητας, να τοποθετήσουμε το κατάλληλο επίπεδο αναφοράς κάτω από όλες τις δυνατές δυναμικές πηγές θορύβου, γενικά να θωρακίσουμε όλες τις διατάξεις που παράγουν ανεπιθύμητες παρεμβολές, όπου αυτό είναι δυνατό. Σε μερικές εφαρμογές είναι πιό πρακτικό να τοποθετούμε τον πομπό και την κεραία του σε απόσταση από κύρια διάταξη. Έτσι αποφεύγουμε τυχόν προβλήματα αλληλεπίδρασης και επιτυγχάνουμε καλύτερες συνθήκες λειτουργίας. Πάντα πρέπει να χρησιμοποιούμε ένα ομοαξονικό 50Ω όπως είναι το RG-174 για την τροφοδοσία Η ΚΕΡΑΊΑ ΣΤΟΝ ΠΟΜΠΌ Η κεραία του πομπού συμβάλλει ώστε ενέργεια RF να ακτινοβολείται αποτελεσματικά από τη διάταξή μας στον ελεύθερο χώρο. Σε σχεδιασμούς πομπών όπως ο δικός μας η ισχύς εξόδου είναι συχνά ελαφρώς υψηλότερη από το νόμιμο όριο. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στον χρήστη να τοποθετήσει λιγότερο αποτελεσματικές κεραίες πετυχαίνοντας ταυτόχρονα νόμιμη μέγιστη εκπομπή ισχύος. Σε γενικές γραμμες η κεραία του πομπού μπορεί να είναι μικρότερης αποτελεσματικότητας από αυτή του δέκτη Η ΚΕΡΑΊΑ ΣΤΟΝ ΔΈΚΤΗ Μια κεραία λήψεως θα πρέπει να παρουσιάζει την καλύτερη δυνατόν συμπεριφορά στη συχνότητα ή στην μπάντα για την οποία ο δέκτης έχει σχεδιαστεί, καθώς και να λαμβάνει όσο το δυνατόν λιγότερα σήματα συχνοτήτων διαφορετικών από τη συχνότητα λειτουργίας. Η καλή λειτουργία της κεραίας του δέκτη είναι καθοριστική για τη μεγιστοποίηση της απόστασης που η ζεύξη είναι δυνατή. Αντίθετα απότην κεραία του πομπού, όπου η νόμιμη χρήση της επιβάλει μείωση της αποτελεσματικότητάς της, η κεραία του δέκτη πρέπει να σχεδιαστεί και να υλοποιηθεί με κριτήρια μέγιστης δυνατής απόδοσης και λειτουργίας. Ιδανική λειτουργία μιας κεραίας επιτυγχάνεται όταν αυτή βρίσκεται σε κατάσταση συντονισμού. Εαν αυτή είναι πολύ μικρών διαστάσεων, μία χωρητική αντίδραση παρουσιάζεται, εάν είναι πολύ μεγάλων μία επαγωγική. Δείκτη της

66 αντίδρασης που παρουσιάζεται κάθε φορά αποτελεί το ελάχιστο σημείο της καμπύλης VSWR. Στο ακόλουθο παράδειγμα παρατηρούμε ότι η κεραία (Α) συντονίζεται σε χαμηλή συχνότητα, υποδηλώνοντας μεγάλο μήκος, η κεραία (C) συντονίζεται σε υψηλή πράγμα που σημαίνει ότι είναι μικρού μήκους, αντίθετα η κεραία (Β) έχει το ιδανικό μήκος. Σχήμα 4.11 Ο συντονισμός της κεραίας δεν έχει να κάνει με την σύνθετη αντίστασή της. Αυτό γίνεται πιό εύκολα κατανοητό εάν αναλογιστούμε την τιμή του VSWR στο χαμηλότερό του σημείο. Το χαμηλότερο σημείο του VSWR υποδεικνύει τη συχνότητα στην οποία η κεραία συντονίζεται, αλλά η τιμή του σημείου αυτού καθορίζεται από την προσαρμογή μεταξύ της κεραίας, του διαύλου εκπομπής, και της συσκευής στην οποία αυτή είναι προσαρτημένη. Για να εκτιμήσουμε τη σημασία του να είναι μία κεραία ταυτόχρονα συντονισμένη και προσαρμοσμένη ας σκεφτούμε ότι μία κεραία με VSWR 1.5 θα εκπέμψει αποτελεσματικά σχεδόν το 95% της ισχύος ενώ μία άλλη με VSWR 10 θα εκπέμψει το 30%. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ MODEM

67 5.1 EΙΣΑΓΩΓΗ Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν να τεθούν σε λειτουργία τα modem, δηλαδή να σταλούν δεδομένα από έναν υπολογιστή σε έναν άλλο. Αρχικά, μελετώντας τα σχετικά εγχειρίδια λειτουργίας των modem, προχωρήσαμε στη μελέτη των block διαγραμμάτων τους. Μάλιστα, για την καλύτερη κατανόηση των modem, τα χωρίσαμε διάφορα μέρη, στον πομπό, στο δέκτη, στα jumpers, στο ολοκληρωμένο MAX 232 (μετατροπέας τάσεων) και στην είσοδο του υπολογιστή (σειριακή θύρα). Η διάκριση αυτή έγινε, για να αντιμετωπίσουμε τις δυσκολίες που συναντήσαμε, όσον αφορά στη λειτουργία των modem, λόγω της απειρίας μας στον τομέα επικοινωνίας δεδομένων μέσω modem. Χρησιμοποιήσαμε μια από τις σειριακές θύρες του υπολογιστή (COM 1, COM 2) και με τη βοήθεια ενός καλωδίου (Straight through) ενώσαμε τα modem με τον υπολογιστή. Κατόπιν, μελετήσαμε τα σήματα που βγάζουν οι θύρες του υπολογιστή, όπως αναφέραμε παραπάνω στο δεύτερο κεφάλαιο. Συγκεκριμένα, τα σήματα που χρησιμοποιούνται είναι τρία: το RX (δεδομένα λήψης), το TX (δεδομένα εκπομπής) και το CTS (σήμα του modem που δηλώνει στον υπολογιστή ότι ο πομπός είναι έτοιμος για εκπομπή). Επίσης, δύο από τα σήματα ελέγχου της σειριακής θύρας τα DSR και τα DTR είναι μεταξύ τους βραχυκυκλωμένα. 5.2 Η ΠΛΑΚΈΤΑ ΓΕΝΙΚΉΣ ΑΝΆΠΤΥΞΗΣ Η πλακέτα γενικής ανάπτυξης υλοποιήθηκε για να δώσει στον σχεδιαστή όλα τα απαραίτητα εργαλεία που θα τον βοηθήσουν να ενσωματώσει, νόμιμα και λειτουργικά, τους διαμορφωτές σε ένα τελικό προϊόν. Η πλακέτα γενικής ανάπτυξης εκτελεί ένα πλήθος σημαντικών λειτουργιών: Γρήγορη αποτίμηση της λειτουργίας των διαμορφωτών στο περιβάλλον του χρήστη. Έλεγχος απόστασης λήψης Χρησιμοποιώντας τους ενσωματωμένους κωδικοποιητές και αποκωδικοποιητές, δύο πλακέτες γενικής ανάπτυξης μπορόυν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της απόστασης λήψης των διαμορφωτών μας Σημείο αναφοράς μετρήσεων στο περιβάλλον του χρήστη Κατά τη διαδικασία σχεδιασμού της εφαρμογής μας, οι πλακέτες προσφέρουν ένα γνωστό σημείο αναφοράς μετρήσεων πάνω στο οποίο η απόδοση της κατασκευής μας θα αποτιμηθεί.

68 Ανάπτυξη γενικής εφαρμογής Μία ενσωματωμένη περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών παρέχεται ώστε να επιτρέπει στον σχεδιαστή να να αναπτύσει τις εφαρμογές που επιθυμεί κατευθείαν πανω στην πλακέτα Χρησιμοποιώντας τους ενσωματωμένους βραχυκυκλωτές (jumpers), όλα τα εκπεμπόμενα και τα λαμβανόμενα σήματα μπορούν να οδηγηθούν σε μία βάση πρόσβασης στο κύκλωμα του σχεδιαστή. Ανάπτυξη πρωτοκόλλου Οι πλακέτες που χρησιμοποιούμε επιτρέπουν στον σχεδιαστή να συνδέσει τα σήματα δεδομένων από τον πομπό και τον δέκτη σε μία στάνταρ RS-232 θύρα και να υποστηρήξει ανάπτυξη πρωτοκόλλου ΧΡΉΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑ Η λειτουργία μιας πλακέτας γενικής ανάπτυξης ελέγχεται από μία σειρά από 9 jumpers (JP1-JP9) τα οποία οδηγούν τα εκπεμπόμενα και λαμβανόμενα σήματα στην κατάλληλη κυκλωματική διάταξη. Τα JP1-JP3 χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν τον τρόπο με τον οποίον τα κανάλια του δέκτη επιλέγονται. Αν τα JP1-JP3 τοποθετηθούν στην πάνω θέση (RXCS-2-PROTO) οι γραμμές επιλογής καναλιού οδηγούνται στην περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών. Αυτή είναι η επιθυμητή θέση από τη στιγμή που ο σχεδιαστής υλοποιήσει ένα κύκλωμα, στην περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών, το οποίο απαιτει έλεγχο πάνω στις γραμμές επιλογής καναλιού. Αν τα JP1 JP3 τοποθετηθούν στην κάτω θέση (RXCS-2-DIPSW), οι γραμμές επιλογής καναλιού συνδέονται στον διακόπτη DIP (S1). Αυτή είναι η επιθυμητή θέση για έλεγχο απόστασης λήψης και ανάπτυξη πρωτοκόλλου. Σε αυτή τη θέση ο διακόπτης DIP θα ελέγχει και τις διευθύνσεις του ζεύγους κωδικοποιητή/αποκωδικοποιητή και την επιλογή καναλιού του δέκτη. Το JP4 χρησιμοποιείται με όλους τους τύπους διαμορφωτών για να καθορίσει το που η έξοδος δεδομένων ενός δέκτη οδηγείται. Εάν το JP4 τοποθετηθεί στην πάνω θέση (RXDATA-2-PROTO) η έξοδος δεδομένων του δέκτη οδηγείται στην περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών για σύνδεση με το κύκλωμα του χρήστη. Εάν το JP4 τοποθετηθεί στή μεσαία θέση (RXDATA-2-DEC) η έξοδος δεδομένων του δέκτη οδηγείται στο chip αποκωδικοποιητή Holtek για έλεγχο απόστασης λήψης. Τοποθετώντας το JP4 στην κάτω θέση (RXDATA-2-RS232) οδηγούμε την έξοδο δεδομένων του δέκτη στη θύρα RS-232 για ανάπτυξη πρωτοκόλλου. Το υπόλοιπο των λαμβανομένων σημάτων δεν χρησιμοποιείται από κανένα κύκλωμα πάνω στην στάνταρ περιοχή της πλακέτας και οδηγείται απ ευθείας στην βάση πρόσβασης για την περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών. Τα JP5-JP8 χρησιμοποιούνται με τον πομπό. Είναι ταυτόσημα με τα JP1 JP3 με τη διαφορά ότι αναφέρονται στις γραμμές επιλογής καναλιού του πομπού. Το JP8 οδηγεί το σήμα εξόδου της CTS του πομπού. Τοποθετώντας το JP8 στην πάνω θέση (TXCTS-2-PROTO) το CTS σήμα οδηγείται στην περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών. Με το JP8 στην κάτω θέση (TXCTS-2-RS232) το σήμα CTS από τον πομπό οδηγείται στη θύρα RS-232 για ανάπτυξη πρωτοκόλλου. Το JP9 οδηγεί το σήμα εισόδου δεδομένων του πομπού. Αν το JP9 είναι στην πάνω θέση (TXDATA-2-PROTO), η είσοδος δεδομένων στον πομπό οδηγείται στην

69 περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών. Με το JP9 στη μεσαία θέση (ΤΧDATA-2-ENC) η είσοδος δεδομένων οδηγείται στον κωδικοποιητή Holtek για την υποστήριξη ελέγχου απόστασης λήψης. Τελικά τοποθετώντας το JP9 στην κάτω θέση (TXDATA-2RS232) η είσοδος δεδομένων του πομπού οδηγείται στη θύρα RS-232 για ανάπτυξη πρωτοκόλλου. Όλα τα σήματα που οδηγούνται στην περιοχή ανάπτυξης εφαρμογών καθίστανται διαθέσιμα στην βάση πρόσβασης J1/J2. Το J1 υποδεικνύει την περιοχή της βάσης η οποία αναφέρεται στον πομπό, ενώ το J2 αυτήν που έχει να κάνει με τα σήματα του δέκτη. Σχήμα 5.1 Κυκλωματικό διάγραμμα πομπού

70 Σχήμα 5.2 Κυκλωματικό διάγραμμα δέκτη Σχήμα 5.3 Κυκλωματικό διάγραμμα του MAX ΈΛΕΓΧΟΣ ΑΠΌΣΤΑΣΗΣ ΛΉΨΗΣ Για να διευκολύνει τον έλεγχο απόστασης λήψης, η πλακέτα διαθέτει έναν τηλεχειριζόμενο κωδικοποιητή με 2 κουμπιά και έναν αποκωδικοποιητή με έξοδο relay και έναν βομβητή. Όταν πιέζουμε ένα κουμπί η κατάσταση και των 2 κουμπιών μαζί με την διεύθυνση του διακόπτη τριών θέσεων DIP λαμβάνεται και κωδικοποιείται σε μία ροή δεδομένων για εκπομπή. Τα δεδομένα που ανακτώνται στον δέκτη οδηγούνται σε έναν αποκωδικοποιητή IC. Η κατάσταση του ακροδέκτη του αποκωδικοποιητή μεταβάλεται και ανιγράφει αυτή του πομπού. Ο έλεγχος απόστασης λήψης απαιτεί δύο πλακέτες. Η μία πρέπει να συνεργάζεται με τον πομπό και η αλλή με τον δέκτη. Για να χησιμοποιήσουμε τις πλακέτες για έλεγχο απόστασης τοποθετούμε τα jumpers στις θέσεις που φαίνονται στον πίνακα.

71 Receive Board JP1 Low position JP2 Low position JP3 Low position JP4 Mid position Transmit Board JP5 Low position JP6 Low position JP7 Low position JP8 οπουδήποτε JP9 Mid position Η διεύθυνση του διακόπτη DIP (S1) πρέπει να έχει την ίδια ρύθμιση και στις δύο πλακέτες. Για να κετελέσουμε λειτουργία ελέγχου απόστασης τοποθετούμε τον δέκτη σε μία επίπεδη επιφάνεια και τον ενεργοποιούμε. Θέττουμε σε λειτουργία τον πομπό και πιέζουμε το κουμπί που βρίσκεται στην κορυφή (S3). Θα πρέπει να ακούσουμε τον βομβητή στην πλακέτα του δέκτη. Με την πλακέτα του πομπού στα χέρια και με πατημένο το κουμπί απομακρυνόμαστε από τον δέκτη. Όταν ο βομβητής στον δέκτη σταματήσει να ακούγεται τότε βρισκόμαστε στην μέγιστη δυνατή απόσταση που η λειτουργία είναι αξιόπιστη. Το S2 χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει το ρελέ στην πλακέτα του δέκτη. Οι επαφές SPST παρέχονται για εξωτερική σύνδεση με τον J3. Κάθε συσκευή των 5 amps και πάνω στα 120 V μπορεί να ελεγχθεί μέσω του ρελέ. Συχνά μία εξωτερική σειρήνα ή ένας λαμπτήρας μπορούν να συνδεθούν στο J3 και να λειτουργήσουν βοηθητικά εάν ο ενσωματωμένος βομβητής δεν ακούγεται αρκετά δυνατά.

72 Σχήμα 5.4 Remote-Control Receiver Σχήμα 5.5 Remote-Control transmitter 5.3 ΛΟΓΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΗ Στην συνέχεια θα ασχοληθούμε με το λογισμικό και την μεταφορά δεδομένων ανάμεσα σε δύο PC, τα οποία άλλα είναι απλά, ενώ άλλα λογισμικά είναι πολύπλοκα. Παραδείγματα τέτοιων λειτουργιών αναφέρουμε τον προγραμματισμό των

73 παραμέτρων της σειριακής θύρας, τη διαχείριση των διαδικασιών κλήσης και απάντησης του modem, τη διαχείριση σημάτων διακοπής του PC, την ανίχνευση λαθών. Οι εντολές του λειτουργικού συστήματος, προσφέρουν ελάχιστη έως ανύπαρκτη υποστήριξη για τις λειτουργίες αυτές. Η δημιουργία επίσης ενός προγράμματος που θα καλύπτει τις απαιτήσεις αυτές είναι έργο που ξεφεύγει από τις δυνατότητες του μέσου χρήστη ενός PC. Η απάντηση σε όλες αυτές τις δυσκολίες ευτυχώς είναι απλή και συνίσταται στην χρήση ενός από τα δεκάδες έτοιμα πακέτα επικοινωνίας, που αναφέρονται στο εμπόριο. Μερικά από τα προγράμματα αυτά είναι το PROCOMM το οποίο είναι και αυτό που χρησιμοποιήσαμε για την μεταφορά δεδομένων των aσύρματων modem, καθώς επίσης το TELIX, το LAPLINK κ.λ.π. Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε τις διάφορες λειτουργίες του PROCOMM ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Έχοντας εξασφαλίσει τη φυσική σύνδεση, ανάλογα με τον τρόπο που χρησιμοποιούμε κάθε φορά το εκάστοτε πακέτο επικοοινωνίας, έχουμε τη δυνατότητα να επικοινωνήσουμε ως εξής : I) Διαλογική επικοινωνία Στην περίπτωση αυτή (η οποία αναφέρεται και σαν Terminal Emulation Mode), το πακέτο επικοινωνίας κάνει το κάθε PC να συμπεριφέρεται σαν ένα απλό ασύγχρονο ASCII τερματικό. Το πρόγραμμα απλά παίρνει τους χαρακτήρες που εμείς

74 πληκτρολογούμε και τους μεταδίδει στον απέναντι PC, ενώ ταυτόχρανα λαμβάνει τους εισερχόμενους χαρακτήρες και τους εμφανίζει στην οθόνη μας. Έχουμε δηλαδή στην πραγματικότητα ένα διάλογο ανάμεσα στους χρήστες των δύο PC. Φυσικά στην οθόνη μας εμφανίζονται και οι εξερχόμενοι και οι εισερχόμενοι χαρακτήρες. Αξίζει εδώ να διευκρινήσουμε τους όρους Remote echo και Local echo. Με τη λειτουργία Remote echo κάθε χαρακτήρας που πληκτρολογούμε μεταδίδεται προς το απέναντι PC, εμφανίζεται στην οθόνη του και επιστρέφει προς το τοπικό PC. Με την επιστροφή λαμβάνεται από τον δικό μας πρόγραμμα και τότε μόνο εμφανίζεται στην οθόνη μας. Με την λειτουργία local echo, ο χαρακτήρας εμφανίζεται στην οθόνη μας με το πάτημα του πλήκτρου και φυσικά δεν χρειάζεται να επανεκπεμφθεί από το απέναντι PC. Σε ότι αφορά τα σφάλματα που συμβαίνουν κατά την μετάδοση και που έχουν σαν αποτέλεσμα την αλλοίωση των χαρακτήρων, η αναγνώρισή τους είναι μόνο οπτική. ΙΙ) Μεταφορά αρχείων Η μεταφορά αρχείων (file transfer) αποτελεί βασική μέθοδο ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ δύο συνδεδεμένων PC. Συνήθης είναι η χρήση των όρων UPLOAD (αποστολή αρχείοιυ) και DOWNLOAD (λήψη αρχείου). Η λειτουργία αυτή υποστηρίζεται από όλα σχεδόν τα πακέτα επικοινωνίας και ενεργοποιείται είτε μέσω μενού επιλογών, είτε με την υποβολή αντίστοιχων command. Η ανταλλαγή αρχείων γίνεται κάτω από τον έλεγχο συγκεκριμένων πρωτοκόλλων (π.χ KERMIT, XMODEM), τα οποία διαθέτουν μηχανισμούς ελέγχου και διόρθωσης σφαλμάτων, εξασφαλίζοντας έτσι την ορθή μεταφορά τους. Αυτονόητο είναι ότι το ίδιο πρωτόκολλο θα πρέπει να είναι ενεργοποιημένο και στα δύο PC.

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 6.1 ΕΞΑΣΘΈΝΙΣΗ ΛΌΓΩ ΠΟΛΛΑΠΛΏΝ ΟΔΕΎΣΕΩΝ (MULTIPATH FADING) To βασικό πρόβλημα που παρουσιάζεται κατά τη λήψη ραδιοσημάτων είναι η εξασθένησή του εξαιτίας των πολλαπλών οδεύσεων. Τα καθυστερημένα σήματα είναι το αποτέλεσμα ανακλάσεων σε επιφάνειες όπως λόφοι, δέντρα ή κτίρια, όπως επίσης και σε κινούμενα αντικείμενα όπως οχήματα, αεροσκάφη ή ακόμη και ανθρώπους. Η ενόχληση από αυτές τις ανακλάσεις μπορεί να αποφευχθεί μερικώς με τη χρήση μιας καλής κεραίας, όμως επειδή υπάρχει μια τάση να επιζητούνται όσο το δυνατόν πιο απλές κεραίες σε όλες τις ραδιοφωνικές συσκευές δεν υφίσταται πλέον αυτή η μερική λύση. Ένα χαρακτηριστικό της επιλεκτικής εξασθένησης της συχνότητας είναι ότι μερικές συχνότητες είναι αυξημένες εκεί όπου άλλες είναι εξασθενημένες (βλ. σχήμα 6.1). Όταν ο δέκτης και όλα τα αντικείμενα που προσδίδουν αύξηση στις ανακλάσεις παραμένουν στάσιμα, η ενεργός απόκριση συχνότητας του καναλιού από τον πομπό στον δέκτη θα είναι πρακτικά αμετάβλητη. Σχήμα 6.1 Τυπική απόκριση συχνότητας για κανάλι που υποφέρει από πολλαπλές οδεύσεις (η απόκριση μεταβάλλεται τόσο με το χρόνο όσο και με τη θέση, ενώ είναι φανερή η επιλεκτική εξασθένηση συχνότητας)

76 Eάν το επιθυμητό σήμα είναι σχετικά στενού εύρους (narrowband), και αποσβαίνει σημαντικά σε τμήμα της μπάντας συχνοτήτων, τότε θα υπάρξουν διαλείψεις (fading) και η λήψη θα υποβιβαστεί. Αντιθέτως, εάν υπάρξει κάποια κίνηση, είτε από τον δέκτη είτε από κάθε αντικείμενο που περιβάλλει τον δέκτη (π.χ. άνθρωποι, πόρτες), τότε τα συσχετιζόμενα μήκη και οι εξασθενήσεις των διαφόρων δρόμων λήψης θα αλλάζουν με το χρόνο. Ένα σήμα στενού εύρους θα ποικίλει στην ποιότητα, καθώς οι κορυφές και τα βυθίσματα στην απόκριση της συχνότητας κινούνται γύρω από τη συχνότητα. Θα υπάρξει επίσης μια σημαντική μεταβολή στην απόκριση της φάσης, η οποία θα επηρεάζει όλα τα συστήματα που χρησιμοποιούν τη φάση σαν μέσο σηματοδοσίας. 6.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΣΦΑΛΜΕΝΩΝ ΣΥΜΒΟΛΩΝ Όπώς είδαμε και στην ανάλυση του δέκτη η ισχύ εισόδου της κεραίας λήψης αποτελεί ένα σημαντικό κριτήριο για την αξιολόγηση της ευαισθησίας του και κατά συνέπεια στο πλήθος και τον ρυθμό των εσφαλμένων στοιχείων πληροφορίας που εμφανίζονται στην λήψη. Για το λόγο αυτό και επειδή η ισχύ στη λήψη εξαρτάται από το περιβάλλον και την ποιότητα της ζεύξης ξεχωρίσαμε τέσσερεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις συνθηκών λειτουργίας. Χρησιμοποιώντας για επικοινωνία το πρόγραμμα PROCOMM και για όλα τα διαθέσιμα κανάλια (8 συνολικά) μεταδώσαμε ένα αρχείο 150 χαρακτήρων μετρώντας κάθε φορά τον αριθμό των εσφαλμένων συμβόλων στις εξής περιπτώσεις: Για κοντινή απόσταση (3 μέτρα περίπου) με παρουσία κινητού τηλεφώνου, για να εξετάσουμε την αξιοποιστία της επικοινωνίας μας σε περιβάλλον παρεμβολών. Για απόσταση 4 μέτρων με οπτική επαφή. Για απόσταση 10 μέτρων με οπτική επαφή. Μεταξύ δύο δωματίων (δηλαδή χωρίς οπτική επαφή και με μεγάλο αριθμό εμποδίων π.χ. τοίχοι, έπιπλα) για απόσταση 15 μέτρων περίπου. Παρακάτω φαίνονται παραστατικά τα αποτελέσματα των σχετικών μετρήσεων:

77 Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.2 Channel 0 ( Frequency MHz) Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.3 Channel 1 ( Frequency MHz) 40

78 Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.4 Channel 2 ( Frequency MHz) Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.5 Channel 3 ( Frequency MHz) 40

79 Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.6 Channel 4 ( Frequency MHz) Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.7 Channel 5 ( Frequency MHz) 25 30

80 Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.8 Channel 6 ( Frequency MHz) Παρουσία κινητού Mεταξύ δύο δωματίων Οπτική επαφή 10m Οπτική επαφή 4m Αριθμός λαθών Σχήμα 6.9 Channel 0 ( Frequency MHz) 30

81 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Συστήματα σηματοδοσίας δυαδικού FSK Τα συστήματα σηματοδοσίας FSK βρίσκουν εφαρμογές σε ευρεία κλίμακα στα συστήματα μεταβίβασης δεδομένων μικρής ταχύτητας. Η μεγάλη αυτή χρήση τους οφείλεται κύρια στα κυκλωματικά τους πλεονεκτήματα που προέρχονται πρώτα πρώτα από το ότι μπορούν να χρησιμοποιούν ασύμφωνη αποδιαμόρφωση καθώς και από τη σχετική ευκολία παραγωγής σημάτων. Όπως θα δούμε αργότερα στην παράγραφο αυτή, τα συστήματα FSK δεν είναι τοσο αποδοτικά όσο τα συστήματα PSK ως προς τη χρησιμοποίηση της ισχύος και του εύρους ζώνης. Στο σύστημα σηματοδοσίας του δυαδικού FSK, χρησιμοποιούνται οι κυματομορφές s1(t) = Acos(ωct ω0t) και s2(t) = Acos(ωct ωdt) για την αποστολή αντίστοιχα των ψηφίων 0 και 1. Σ ένα σήμα FSK η πληροφορία βρίσκεται ουσιαστικά στη συχνότητα του σήματος. Η κυματομορφή του δυαδιού FSK είναι κυματομορφή FM με σταθερή φάση και σταθερή περιβάλλουσα πλατών. Η κυματομορφή δυαδικου FSK μπορεί να παρασταθεί μαθηματικά ως εξής: Ζ(t) = Acos(ωct + ωd t D (t ' )t '+θ ) Όπου D(t) είναι μία δυαδική τυχαία κυματομορφή με στάθμες +1 όταν bk = 1 και 1 όταν bk = 0, και θ η φασική γωνία του φέροντος τη στιγμή t = 0. Η στιγμιαία συχνότητα του δυαδικού FSK σήματος δίνεται από την: fi = d [φάση της Z(t)] dt = ωc + ωdd(t) Aφού D(t) = ± 1, η στιγμιαία συχνότητα ωi έχει δύο τιμές ωi = ωc ± ωd. H εξαγωγή της φασματικής πυκνότητας ισχύος της κυματομορφής του ψηφιακού FM είναι μάλλον περίπλοκη και γι αυτό θα εξετάσουμε μόνο τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής τα οποία φαίνονται στο σχήμα 1.

82 Οι καμπύλες φασματικής πυκνότητας ισχύος που παρουσιάζονται στο σχήμα 1α έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: Για τις χαμηλές τιμές fd/rb η καμπύλη παρουσιάζει ήπια αποκοπή και κορυφή στη φέρουσα συχνότητα. Το εύρος ζώνης του σήματος Σχήμα 1 α) Φασματική πυκνότητα ισχύος σημάτων FSK. b) Φασματική πυκνότητα ισχύος του σήματος δυαδικού FSK με 2fd = rb FSK στη περίπτωση αυτή είναι περίπου 2rb Hz δηλαδή περίπου ίσο με το εύρος ζώνης του σήματος PSK. Καθώς αυξάνει το fd/rb, εμφανίζονται περισσότερες κορυφές στην καμπύλη φασματικής πυκνότητας ισχύος στις συχνότητες εκπομπής fc + fd και fc- fd ενώ το εύρος του σήματος ξεπερνά το 2rb που είναι περίπου το εύρος ζώνης του σήματος PSK. Για μεγάλες τιμές του fd/rb το σήμα FSK αποτελείται ουσιαστικά από δύο χρονικά παρεμβαλλόμενα σήματα ASK με διαφορετικές φέρουσες συχνότητες, τις fc + fd και fc fd. Στη συνέχεια, όταν 2fd = mrb με m ακέραιο, η psd παρουσιάζει παλμούς που αντιστοιχούν σε συνιστώσες διακριτών συχνοτήτων όπως φαινεται στο

83 σχήμα 1β. Γενικά μπορούμε να πούμε ότι το εύρος ζώνης του σήματος FSK είναι μεγαλύτερο από εκείνο των σημάτων ASK και PSK. Όπως αναφέρθηκε και προηγούμενα, η κυματομορφή του δυαδικού FSK που δίνεται στην εξίσωση είναι μία κυματομορφή συνεχούς φάσης. Προκειμένου να κρατήσουμε τη συνέχεια της φάσης, φροντίζουμε ώστε η φάση σε κάθε μετάπτωση να εξαρτάται από το παρελθόν της ακολουθίας δεδομένων. Για να φανεί πως μπορεί κανείς να παράγει ένα σήμα FSK συνεχούς φάσης και σταθερής περιβάλλουσας, ας θεωρήσουμε την ακόλουθη διαδικασία κατασκευής κυματομορφής: Χρησιμοποιούμε την ακολουθία { bk } για να παράγουμε μία ακολουθία τμημάτων συνημιτονικών κυματομορφών Acos(ωct + ωbt + θk), όπου ωk = +ωd αν bk = 1 και ωk = -ωd αν bk = 0. Κατασκευάζεται τότε η κυματομορφή FM της εξίσωσης προσδιορίζοντας την ακολουθία { θk } ως εξής: Έστω βάλαμε το θ1 αυθαίρετα σε μία τιμή θ. Τότε θ2 = θ + (ω1 + ωc)tb, θ3 = θ + (ω1 +ωc)tb + (ω2 + ωc)tb και θn = θ + (ω1 + ωc)tb + + (ωn-1 + ωc)tb. Μεκατάλληλη μεταλαγή της φάσης των διαφόρων τμημάτων, πετυχαίνουμε ένα σήμα FM συνεχούς φάσης σταθερής περιβάλλουσας. Είναι ακόμα δυνατή η παραγωγή ενός ψηφιακού FM σήματος αδιαφορώντας για τη συνέχεια της φάσης. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο ταλαντωτές συντονισμένους στην ωc + ωd και ωc ωd των οποίων η έξοδος ελέγχεται άμεσα από τη κυματομορφή D(t) βασικής ζώνης. Η μέθοδος όμως αυτή οδηγεί σε ανεπιθύμητες μεταβατικές καταστάσεις (transients) εκτός του ότι κάνει και τον πομπό περίπλοκο. Για τους λόγους αυτούς σπάνια χρησιμοποιείται στην πράξη η μέθοδος αυτή. Το σήμα Z(t) του FSK μπορεί να αποδιαμορφωθεί με χρήση σύμφωνου δέκτη συσχέτισης ή με χρήση σχεδόν άριστου συστήματος αποτελούμενου από φίλτρα ζώνης διέλευσης και φωρατές περιβάλλουσας. Η αποδιαμόρφωση σημάτων FSK με συσχέτιση χρησιμοποιείται πολύ σπάνια και η πιο κάτω μελέτη του σύμφωνου FSK γίνεται κυρίως για λόγους σύγκρισης. Σύμφωνο FSK (Coherent FSK) Αν το σήμα FSK αποδιαμορφωθεί με τη χρήση δέκτη συσχέτισης το απαιτούμενο τοπικό φέρον είναι: s2(t) s1(t) = Acos(ωct +ωdt) Acos(ωct ωdt) Η είσοδος του μετατροπέα A/D τη στιγμή δειγματοληψίας t = ktb είναι s01(ktb) ή s02(ktb),όπου: s02(ktb) = s01(ktb) = Tb 0 Tb 0 s2(t)[s2(t) s1(t)]dt s1(t)[s2(t) s1(t)]dt

84 Αν η ενέργεια σήματος Ε1 και Ε2 είναι ίδια τότε s02(ktb) = -s01(ktb) και επομένως η τοποθέτηση του κατωφλίου του δέκτη είναι το 0. Η πιθανότητα σφάλματος Pe για το δέκτη συσχετισμού δίνεται από την: Pe = Q(γmax/2) Όπου 2 2 γ max = η Τb 0 [ s2(t) s1(t)]2dt Αντικαθιστώντας s2(t) = Acos(ωct + ωdt) και s1(t) = Acos(ωct ωdt) και κάνοντας την ολοκλήρωση έχουμε: 2 γ max = - sin 2ω d Tb 2 A2Tb 1 sin[ 2(ω c + ω d )Tb ] ( 1+ 2ω d Tb 2(ω c + ω d )Tb 2 η 1 sin[ 2(ω c + ω d )Tb ] sin 2ω ctb ) 2(ω c + ω d )Tb 2ω ctb 2 Αν κάνουμε τις εξής παραδοχές: ωctb>> 1, ωc>>ωd που άλλωστε ισχύουν στα πραγματικά συστήματα, οι τρείς τελευταίοι όροι της παραπάνω παράστασης θα μπορούσαν να παραλειφθούν, οπότε έχουμε: γ 2max = sin 2ω d Tb 2 A 2Tb ( 1) 2ω d Tb η 2 Η ποσότητα γ max στην εξίσωση αυτή φθάνει την μέγιστη τιμή της όταν η απόκλιση συχνότητας ωd διαλεχθεί έτσι ώστε 2ωdTb = 3π/2. Για την τιμή αυτή του ω d έχουμε: γ 2max = (2.42)(Α2Τb/η) και Pe = Q( 0.61( A 2Tb / η ) Όρίζοντας και πάλι τα Sau = A2/2 και Eau = A2Tb/2 μπορούμε να εκφράσουμε την Pe με τις:

85 Pe = Q( 1.2 S au Tb / η = Q( 1.2Ε au / η H σύγκριση της πιθανότητας σφάλματος του συστήματος σύμφωνου FSK με την πιθανότητα σφάλματος του συστήματος PSK δείχνει ότι το σύμφωνο FSK χρειάζεται κάπου 2.2 db περισσότερη ισχύ από το σύμφωνο PSK. Ακόμα το σήμα FSK χρησιμοποιεί περισσότερο εύρος ζώνης από το σήμα PSK. Επομένως το σύμφωνο FSK δεν παρουσιάζει κανένα πλεονέκτημα ως προς το σύστημα συμφώνου PSK. Ασύμφωνο FSK (noncoherent FSK) Αφού το σύστημα FSK μπορεί να θεωρηθεί σαν μία εκπομπή δύο χρονικά παρεμβαλλόμενων σημάτων ASK (όταν δεχτούμε ότι 2fd = mrb, με m ακέραιο), το πρώτο με φέρουσα συχνότητα fc + fd και το δεύτερο με φέρουσα συχνότητα fc fd, τότε η φώραση του σήματος θα ήταν δυνατή με τη χρήση δύο φίλτρων ζώνης διέλευσης με κεντρικές συχνότητες fc + fd και fc fd. Ένα τέτοιο σύστημα φώρασης φαίνεται στο σχήμα-2. Η πιθανότητα σφάλματος γι αυτόν τον ασύγχρονο δέκτη FSK μπορεί να προκύψει εύκολα, μάλιστα η εξαγωγή του τύπου θα είναι απλή μια και δεν έχουμε να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα υπολογισμού της άριστης τοποθέτησης του κατωφλίου. Λόγω της συμμετρίας, η θέση του κατωφλίου στον ασύμφωνο FSK δέκτη θα είναι το 0. Αν δεχτούμε ότι κατά το k-οστό διάστημα σηματοδοσίας εκπέμφθηκε το s1(t) = Acos(ωc ωd), η pdf της περιβάλλουσας R1(kTb) του κάτω φίλτρου θα είναι: fr 1 s1(t)(r1) = r1 Ar1 r12 + A 2 I0 exp N0 N0 2N0, r1 > 0 όπου Ν0 = nbt, και ΒΤ το εύρος ζώνης του φίλτρου. Το επάνω φίλτρο αποκρίνεται μόνο στο θόρυβο και γι αυτό η R2(kTb) έχει μια pdf Rayleigh που δίνεται από την : r2 r2 exp 2, r2 >0 fr s1(t)(r2) = N0 2N 0 Σφάλμα εμφανίζεται όταν R2 > R1, και η πιθανότητά του βρίσκεται από την : 2 P[σφάλμα αποστολή s1(t)] = P(R2 > R1) = 0 f R1 / S1 (r1 ) f R2 / S1 (r2 )dr2 dr1 r1

86 αφού τυχαίες μεταβλητές R1(kTb) και R2(kTb) θα είναι ανεξάρτητες αν fd = mrb/4, όπου m ακέραιος. Λόγω της συμμετρίας, θα έχουμε P[σφάλμα αποστολή s1(t)] = P[σφάλμα αποστολή s2(t)] έτσι ώστε Pολικό = Pe = P[σφάλμα αποστολή s1(t)] Αντικαθιστώντας τις κατάλληλες pdf και εκτελώντας την ολοκλήρωση, παίρνουμε : Pe = 1 exp(-a2/4n0). 2 Το εύρος ζώνης των φίλτρων είναι συνήθως περίπου ίσο με 2/Τb και έτσι το Ν0 είναι περίπου 2n/Tb. Σχήμα 2 Ασύμφωνη αποδιαμόρφωση δυαδικού σήματος FSK