Δομή της παρουσίασης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΤΜΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 1 Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Διάλεξη 1 η Εισαγωγή και Συνοπτική Παρουσίαση Μαθήματος Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Παν/μίου Πειραιώς Δομή της παρουσίασης 2 Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Πληροφοριακό Υλικό για το Μάθημα Περιεχόμενα Μαθήματος Αρχικός Προγραμματισμός Κάλυψης της Ύλης του Μαθήματος Εισαγωγή στο Αντικείμενο του Μαθήματος 1

3 Πληροφοριακό Υλικό για το Μάθημα Διδάσκων και Επικοινωνία Διαλέξεις και Συγγράμματα Ιστοσελίδα Μαθήματος Πολιτική Βαθμολόγησης Διδάσκων & Επικοινωνία 4 q Διδάσκων : Αθανάσιος Γ. Κανάτας Ανδρούτσου 150, Γρ. 305 Τηλέφωνο: 210 414 2759 kanatas@unipi.gr q Ώρες Γραφείου: Δευτέρα 13:00 14:00 Τετάρτη 14:00-15:00 q Διαλέξεις : Τετάρτη 11:15-14:00 Αμφ. 203 2

Προτεινόμενα Συγγράμματα 5 Α. Κανάτας, Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες, 2 η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2017. Παραλαβή σύμφωνα με www.eudoxus.gr Καραγιαννίδης Γιώργος, Παππή Κοραλία Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα, Εκδόσεις Τζιόλα, 4η Έκδοση, 2017. Παραλαβή σύμφωνα με www.eudoxus.gr Συμπληρωματικά Συγγράμματα 6 Simon Haykin, Συστήματα Επικοινωνίας, Εκδόσεις Παπασωτηρίου. Φ. Κωνσταντίνου, Χ. Καψάλης, Π. Κωττής, Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες, Εκδόσεις Παπασωτηρίου. J. Proakis, M. Salehi, Communication Systems Engineering, Prentice Hall International, 2002. 3

Ιστοσελίδα Μαθήματος 7 Διεύθυνση: http://evdoxos.ds.unipi.gr Περιεχόμενα Πληροφοριακό Υλικό για το Μάθημα Σημειώσεις του Μαθήματος Διαφάνειες από τις Διαλέξεις του Μαθήματος Άρθρα ή άλλο χρήσιμο για το Μάθημα υλικό Εκφωνήσεις των Σειρών Ασκήσεων Λύσεις των Σειρών Ασκήσεων Ανακοινώσεις για το Μάθημα Συνδέσεις σε άλλες σελίδες σχετικές με το Μάθημα Πολιτική Βαθμολόγησης 8 Σειρές Ασκήσεων, με βάρος 10% Θα υπάρξουν 2 Σειρές Ασκήσεων με καταληκτική ημερομηνία παράδοσης. Καθυστέρηση παράδοσης επιβαρύνει τον βαθμό της Σειράς Ασκήσεων. Εργαστηριακές Ασκήσεις 20% Γραπτή Εξέταση, με βάρος 70% 4

Πολιτική Βαθμολόγησης (συνέχεια) 9 I : Ο αριθμός σειρών ασκήσεων K : Ο αριθμός εργαστηριακών εργασιών A i : Ο βαθμός κάθε σειράς E j : Ο βαθμός κάθε εργασίας μ i ή μ j : Συντελεστής επιβάρυνσης B Γ : Ο βαθμός γραπτής εξέτασης B : Ο τελικός βαθμός I å μ i ή μ j Ημέρες Καθυστέρησης 1 0 0.5 1 0 2 Aiµ E jµ i j i= 1 j= 1 = 0.1* + 0.2* + 0.7* G I K K å Πολιτική Βαθμολόγησης 10 Στα μέσα του εξαμήνου θα δοθεί Πρόοδος. Ο τρόπος συνυπολογισμού στον βαθμό Γραπτής εξέτασης είναι ο εξής: if G = 0.7* G τελικό_γραπτό + 0.3* G else G = G τελικό_γραπτό end G ³G προόδου τελικό_γραπτό προόδου 5

11 Περιεχόμενα Μαθήματος Μέρη Θεωρίας Μαθήματος Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιεχόμενα Μαθήματος 12 ΜΕΡΟΣ 1 ο : Τα Σήματα και τα Συστήματα στις Τηλεπικοινωνίες ΜΕΡΟΣ 2 ο : Γεωμετρική Αναπαράσταση Σημάτων ΜΕΡΟΣ 3 ο : Ανάπτυξη Σημάτων σε Σειρές Fourier και Μετασχηματισμός Fourier ΜΕΡΟΣ 4 ο : Εφαρμογές της Ανάλυσης Fourier ΜΕΡΟΣ 5 ο : Τεχνικές Αναλογικής Διαμόρφωσης ΜΕΡΟΣ 6 ο : Τεχνικές Ψηφιακής Διαμόρφωσης και Βέλτιστοι Δέκτες 6

Περιεχόμενα Μαθήματος 13 ΜΕΡΟΣ 1 ο : Τα Σήματα και τα Συστήματα στις Τηλεπικοινωνίες Κατηγορίες σημάτων και στοιχειώδη σήματα Στοιχειώδεις μετατροπές σημάτων Κατηγορίες Συστημάτων Γραμμικά Χρονικά Αμετάβλητα Συστήματα (κρουστική απόκριση και συνέλιξη) Αυτοσυσχέτιση και Ετεροσυσχέτιση Περιεχόμενα Μαθήματος 14 ΜΕΡΟΣ 2 ο : Γεωμετρική Αναπαράσταση Σημάτων Διανύσματα στους χώρους! n και! n Χώρος Hilbert και Συναρτησιακός χώρος Βάσεις και ανάπτυξη σημάτων σε ορθογώνια σήματα Ορθοκανονικοποίηση Gram-Schmidt Γραμμικά Συστήματα και Ιδιοσυναρτήσεις 7

Περιεχόμενα Μαθήματος 15 ΜΕΡΟΣ 3 ο : Ανάπτυξη Σημάτων σε Σειρές Fourier και Μετασχηματισμός Fourier Ανάπτυξη περιοδικών σημάτων σε σειρές Fourier Ιδιότητες σειρών Fourier Πραγματικά σήματα και Ανάπτυξη σε Τριγωνομετρικές Σειρές Fourier Απόκριση ΓΧΑ Συστημάτων σε Περιοδικά Σήματα Θεώρημα Parseval για Περιοδικά Σήματα Μετασχηματισμός Fourier για Πραγματικά Σήματα Ιδιότητες Μετασχηματισμού Fourier Μετασχηματισμός Fourier για Περιοδικά Σήματα Φασματικές Πυκνότητες Ενέργειας & Ισχύος Περιεχόμενα Μαθήματος 16 ΜΕΡΟΣ 4 ο : Εφαρμογές της Ανάλυσης Fourier Διέλευση Σημάτων από Γραμμικά Συστήματα Μετάδοση χωρίς παραμορφώσεις και είδη παραμορφώσεων Φασματικές Πυκνότητες Ισχύος Φίλτρα Το θεώρημα της δειγματοληψίας Χρονική Διάρκεια, Εύρος Ζώνης και Διαστάσεις Ζωνοπερατά Σήματα και ΓΧΑ Συστήματα Μετασχηματισμός Hilbert Προ-περιβάλλουσα, μιγαδική περιβάλλουσα, περιβάλλουσα 8

Περιεχόμενα Μαθήματος 17 ΜΕΡΟΣ 5 ο : Τεχνικές Αναλογικής Διαμόρφωσης Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ) Μετατροπή Συχνότητας στην Εκπομπή Αποδιαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ Demodulation) Δέκτες ΑΜ Διαμόρφωση Συχνότητας (FM) Αποδιαμόρφωση Σημάτων FM Δέκτες FM Σύγκριση Αναλογικών Τεχνικών Διαμόρφωσης Περιεχόμενα Μαθήματος 18 ΜΕΡΟΣ 6 ο : Τεχνικές Ψηφιακής Διαμόρφωσης και Βέλτιστοι Δέκτες Ψηφιακές Διαμορφώσεις Διανυσματικός Δίαυλος Δίαυλος Κυματομορφών Δέκτης Συσχέτισης Δέκτης Προσαρμοσμένου Φίλτρου Κατηγορίες Σημάτων και Πιθανότητα Σφάλματος για Δίαυλο AWGN 9

Εργαστηριακές Ασκήσεις 19 Υπάρχουν δύο (2) εργαστηριακές ασκήσεις (προαιρετικές) Εξοικείωση με τα μετρητικά όργανα (γεννήτρια σημάτων, τροφοδοτικό, παλμογράφος, αναλυτής φάσματος) και εισαγωγικά στοιχεία μετρήσεων. Φίλτρα ή Διαμόρφωση ΑΜ Τα απαραίτητα κυκλώματα δίνονται έτοιμα και εκτελούνται πειράματα για την κατανόηση της θεωρίας. Επιπλέον, τέσσερις (4) Ασκήσεις σε MATLAB (υποχρεωτικές) στους υπολογιστές του εργαστηρίου. Εργαστηριακές Ασκήσεις 20 Τα Εργαστήρια θα ξεκινήσουν αργότερα μέσα στο εξάμηνο. Θα προσέλθετε δύο (2) φορές κάθε ομάδα σε αντίστοιχα δύο (2) εργαστηριακές ασκήσεις οργάνων. Θα προσέλθετε τέσσερις (4) φορές τουλάχιστον κάθε ομάδα σε αντίστοιχες (4) εργαστηριακές ασκήσεις σε υπολογιστές με το λογισμικό MATLAB. Θα παραδώσετε τεχνική αναφορά για τις εργαστηριακές ασκήσεις που θα εκτελέσετε. 10

21 Εισαγωγή στο Αντικείμενο Ρυθμοί Ανάπτυξης ICT Απλοποιημένο Μοντέλο Επικοινωνιών Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών Στόχος Μαθήματος Broadband Technologies 22 11

Ανάπτυξη Ρυθμού στα Ενσύρματα 23 Ανάπτυξη Συνδρομητών στα Ασύρματα 24 12

Internet of Things (IoT) 25 Ανάπτυξη Υπηρεσιών στην Ελλάδα (1/3) 26 ITU - 2018 Annex 2: Fixed-Broadband Subscriptions per 100 inhabitants, 2017 1 Monaco 49.8 2 Switzerland 45.4 3 Andorra 44.5 4 France 43.8 5 Denmark 43.2 Το 2015 στην 24 η θέση με 30,73 20 Cyprus 34.8 21 Portugal 34.6 22 Greece 33.9 23 United States 33.9 13

Ανάπτυξη Υπηρεσιών στην Ελλάδα (2/3) 27 Annex 3: Mobile-Broadband Subscriptions per 100 inhabitants, 2017 1 Macao, China 321.8 2 United Arab Emirates 243.4 3 Kuwait 227.9 4 Finland 153.8 5 Singapore 148.2 Το 2015 στην 82 η θέση με 45.65 88 FYROM 63.9 89 Mexico 63.6 90 Maldives 63.5 91 Greece 63.4 92 Panama 60.7 Ανάπτυξη Υπηρεσιών στην Ελλάδα (3/3) 28 Annex 4: Percentage of Individuals using the Internet, 2017 1 Iceland 98.2 2 Liechtenstein 98.1 3 Kuwait 98.0 4 Andorra 97.9 5 Luxembourg 97.8 Το 2015 στην 59 η θέση με 66,84 64 Serbia 70.3 65 Bosnia and Herzegovina 69.5 66 Greece 69.1 67 Grenada 68.5 14

Συχνότητες και Ρυθμοί Μετάδοσης 29 Η πληροφορία μεταδίδεται με αλλαγές/μεταβολές στην τιμή ενός σήματος στο χρόνο. Επειδή η συχνότητα είναι ένα μέτρο του ρυθμού αλλαγής της τιμής ενός σήματος, μπορούμε να πούμε ότι ο μεγαλύτερος ρυθμός αλλαγής και κατά συνέπεια ο μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης πληροφορίας συνεπάγεται μεγαλύτερη συχνότητα. Για να είμαστε πιο ακριβείς θα πρέπει να συνδέσουμε το εύρος συχνοτήτων (εύρος ζώνης) που καταλαμβάνει π.χ. ένας τετραγωνικός παλμός, με τη διαφορετική διάρκεια του παλμού, που μας υποδεικνύει το ρυθμό με τον οποίο μπορεί να αναπαρασταθούν οι αλλαγές στην τιμή του σήματος. Συχνότητες και Ρυθμοί Μετάδοσης 30 Αποτέλεσμα της ανάλυσης Fourier: όσο πιο στενός ο παλμός στο χρόνο τόσο πιο μεγάλο εύρος ζώνης θα καταλαμβάνει ο κεντρικός λοβός του σχήματος. 2a ( ) ù 2 ( 2 ) F é ë P a t û = a sinc af P a ( t) 1 -a a t -4/2a -3/2a -2/2a -1/2a 1/2a 2/2a 3/2a 4/2a f 15

Περιορισμοί στη Συχνότητα 31 Γιατί δεν μπορούμε να χρησιμοποιούμε απεριόριστο εύρος ζώνης? Περιορισμένο το εύρος των διαύλων που είναι διαθέσιμοι για μετάδοση (είτε στην ενσύρματη, είτε στην ασύρματη μετάδοση, π.χ. ραδιοφωνία FM) Ο 2 ος περιορισμός επιβάλλεται από τον θόρυβο στο δέκτη που είναι άμεσα σχετισμένος με το εύρος ζώνης λειτουργίας του δέκτη (όσο μεγαλύτερο το εύρος ζώνης τόσο πιο ισχυρός ο θόρυβος που εισέρχεται στο δέκτη και δυσκολεύει την ανάκτηση της πληροφορίας). Nyquist για Αθόρυβο Δίαυλο 32 Ο Nyquist έδειξε ότι ένας ιδανικός, αθόρυβος δίαυλο με εύρος ζώνης Β Hz, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση σχεδόν 2Β αλλαγών σήματος (συμβόλων) το δευτερόλεπτο (2Β symbols/s). Η σχέση του Nyquist είναι ένα άνω όριο στο ρυθμό μετάδοσης για εύρος ζώνης βασικής ζώνης Β Hz. Αν χρησιμοποιείται πολυεπίπεδη σηματοδοσία (όχι απλά bipolar), τότε αν Μ είναι το πλήθος των διαφορετικών συμβόλων ή διαφορετικών τιμών συμβόλου C = 2B log 2 M ( bps) 16

Θόρυβος 33 Οι πραγματικοί δίαυλοι πάσχουν από διάφορες υποβαθμίσεις. Ο θόρυβος είναι πάντα παρών!! Περιορίζει τα όρια στο ρυθμό μετάδοσης. Χωρητικότητα κατά Shannon 34 Με δεδομένο έναν δίαυλο εύρους ζώνης B Hz και ένα σηματοθορυβικό λόγο S/N, όπου S η ισχύς του σήματος και Ν η ισχύς του θορύβου, η χωρητικότητα (μέγιστος ρυθμός μετάδοσης) του διαύλου είναι C = B log 2 ( 1+ SNR) bps ( ) Άρα για δίαυλο 4 khz και S/N = 1000 (= 30 db), ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης που μπορεί να επιτευχθεί είναι C = 4000 * log 2 (1+1000) 40 kbps 17

Απλοποιημένο Μοντέλο Επικοινωνιών 35 Απλοποιημένο Μοντέλο Επικοινωνιών 36 Πηγές : Παράγουν πληροφορία η οποία είναι εν γένει τυχαία και περιγράφεται από πιθανοτικούς όρους (δεν είναι δηλαδή ντετερμινιστική, αν ήταν δεν θα υπήρχε λόγος μετάδοσης!!!!!!!!). Στις πηγές και στους αποδέκτες υπάρχει πάντα ένας μετατροπέας της πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα και αντίστροφα. Η καρδιά των συστημάτων επικοινωνιών είναι ο πομπός, ο δίαυλος και ο δέκτης. 18

Απλοποιημένο Μοντέλο Επικοινωνιών 37 Πομπός : Μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε κατάλληλη μορφή που μπορεί να μεταδοθεί στο δίαυλο. Η μετατροπή αυτή συνδέεται και με τις συχνότητες στις οποίες πρέπει να μεταδοθεί το σήμα και οι οποίες έχουν αποδοθεί για τη συγκεκριμένη υπηρεσία. Η βασική λειτουργία του πομπού είναι λοιπόν η διαμόρφωση. Εκτός της διαμόρφωσης συνήθως λαμβάνει χώρα και φιλτράρισμα του σήματος πληροφορίας, ενίσχυση του διαμορφωμένου σήματος και ίσως εκπομπή από κεραία. Απλοποιημένο Μοντέλο Επικοινωνιών 38 Δίαυλος : Το φυσικό μέσο που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση από τον πομπό στο δέκτη. Χαρακτηριστικό των διαύλων : Το μεταδιδόμενο σήμα αλλοιώνεται στο δίαυλο με τυχαίο τρόπο από διάφορους μηχανισμούς. Συνήθως οι παραμορφώσεις που υπόκειται το σήμα είναι χρονικά μεταβαλλόμενες και οφείλονται σε Προσθετικό θόρυβο (θερμικός θόρυβος, παρεμβολές) Πολυδιαδρομική Διάδοση που συνεπάγεται διαλείψεις. Και τα δύο φαινόμενα περιγράφονται από στατιστικούς όρους. 19

Απλοποιημένο Μοντέλο Επικοινωνιών 39 Δέκτης : Ανάκτηση της πληροφορίας από το λαμβανόμενο σήμα. Περιλαμβάνει αποδιαμόρφωση, φιλτράρισμα και καταπίεση θορύβου. Το μοντέλο που περιγράψαμε ταιριάζει πιο πολύ σε αναλογικά συστήματα επικοινωνιών, όπου τα σήματα είναι συνεχείς κυματομορφές χρονικά μεταβαλλόμενες, δηλαδή αναλογικά σήματα, που προκύπτουν από αναλογικές πηγές. Η διαμόρφωση σε αναλογικά συστήματα είναι διαμόρφωση φέροντος. Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών 40 20

Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών 41 Το περίγραμμα οριοθετεί τις λειτουργίες ενός modem (modulator/demodulator). Τα πλαίσια που είναι πάνω στο περίγραμμα μπορεί να ανήκουν ή όχι στο modem. Οι λειτουργίες με κόκκινο πλαίσιο είναι απαραίτητες λειτουργίες σε ένα Ψηφιακό Σύστημα Επικοινωνιών. Η μορφοποίηση μετασχηματίζει την πληροφορία της πηγής σε ψηφιακά σύμβολα. Η διαμόρφωση μετασχηματίζει τη ροή των δυαδικών ψηφίων σε ψηφιακές κυματομορφές. Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών 42 Τα σήματα πληροφορίας όπως παράγονται από τις πηγές περιέχουν συνήθως περιττές επαναλήψεις (πλεονασμούς). Η κωδικοποίηση πηγής (source encoding/data compression) απαιτείται ώστε να αναπαραστήσουμε το σήμα πληροφορίας με όσο το δυνατόν λιγότερα δυαδικά ψηφία (bits) αφαιρώντας πιθανούς πλεονασμούς, αλλά διατηρώντας τις απαιτήσεις χρήστη (π.χ. για MP3 αρκεί 128 kbps ενώ για Hi-fi περίπου x10). Η έξοδος του κωδικοποιητή αποκαλείται συνήθως ακολουθία πληροφορίας (information sequence). 21

Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών 43 Ακολουθεί κρυπτογράφηση, δηλαδή κατάλληλος μετασχηματισμός της ακολουθίας πληροφορίας ώστε να εξασφαλιστεί το ιδιωτικό και το ασφαλές της μετάδοσης. Λόγω της παραμόρφωσης που εισάγει ο δίαυλος απαιτούνται τεχνικές που θα αυξήσουν την αξιοπιστία και την ποιότητα της επικοινωνίας. Οι τεχνικές αυτές ονομάζονται κωδικοποίηση διαύλου και η βασική λειτουργία είναι η προσθήκη στον πομπό, ελεγχόμενου πλεονασμού στην ακολουθία της πληροφορίας, που χρησιμοποιείται στο δέκτη για την όσο το δυνατόν χωρίς σφάλματα ανάκτηση της αρχικής πληροφορίας. Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών 44 Πολυπλεξία / Τεχνικές Πολλαπλής πρόσβασης : Παρέχουν τον τρόπο του διαμοιρασμού του μέσου μετάδοσης. Η πολυπλεξία λαμβάνει χώρα σε κάποιο σημείο του δικτύου (συνήθως μέσα σε ένα κύκλωμα) και σκοπός είναι η χρήση ενός κοινού μέσου από πολλούς χρήστες, ή υπηρεσίες. Η πολλαπλή πρόσβαση λαμβάνει χώρα αποκεντρωμένα σε κάθε χρήστη που πιθανώς ζητά πρόσβαση σε ένα δίαυλο. Είναι συνήθως προσαρμοστική τεχνική. 22

Μοντέλο Ψηφιακών Επικοινωνιών 45 Η ψηφιακή διαμόρφωση αντιστοιχεί τα δυαδικά ψηφία της ακολουθίας πληροφορίας σε κυματομορφές σήματος, δηλαδή σε σήματα συνεχούς χρόνου με συγκεκριμένη δομή. Οι αντίστροφες διαδικασίες εκτελούνται στο δέκτη. Συνήθως ο δείκτης ποιότητας του ψηφιακού συστήματος είναι η συχνότητα των σφαλμάτων που συμβαίνουν στην έξοδο του αποκωδικοποιητή. Μετράται με την πιθανότητα εσφαλμένων δυαδικών ψηφίων, η οποία εξαρτάται από όλες τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται σε πομπό και δέκτη καθώς και από τις συνθήκες διάδοσης στο δίαυλο. Εισαγωγή στα Μαθηματικά Εργαλεία 46 Το Μάθημα θα μπορούσε να ονομάζεται και Μαθηματικά Εργαλεία και Βασικές Αρχές Ανάλυσης και Σχεδίασης Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων. Θα καλύψουμε δηλαδή τις απαραίτητες έννοιες και θα παρουσιάσουμε τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται στα συστήματα επικοινωνιών, για να μοντελοποιήσουν τα επιμέρους τμήματα και να προσομοιώσουν τη λειτουργία των συστημάτων, ώστε να είναι δυνατή η ανάλυση και η σχεδίαση των Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων. 23

47 Ευχαριστώ για την προσοχή σας Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Πανεπιστημίου Πειραιώς Τηλ: +30 210 4142759 e-mail: kanatas@unipi.gr 24