ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ & ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ
Τηλεπικοινωνίες Είναι το σύνολο των μέσων και τεχνικών για τη μεταβίβαση πληροφοριών (φωνή, εικόνα, δεδομένα υπολογιστών) από τον πομπό στο δέκτη. Ραδιοφωνία, Τηλεόραση, Τηλεφωνία, Fax, Modems για επικοινωνία υπολογιστών, Ραδιοτηλεφωνία (π.χ.walkie talkie), Ραντάρ, Δορυφορικά συστήματα, Οπτικές ίνες
Μονόδρομο σύστημα επικοινωνίας
Αμφίδρομο σύστημα επικοινωνίας ΔΙΚΤΥΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ
Μέσα μετάδοσης πληροφορίας (τηλεπικοινωνιακός δίαυλος ή κανάλι) Ασύρματα μέσα (ηλεκτρομαγνητικά κύματα) Ενσύρματα μέσα (καλώδια) Οπτικές ίνες (φως)
Μετατροπή πληροφορίας σε ηλεκτρικά σήματα
Μετατροπή της πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα για επεξεργασία Η πληροφορία (ήχος, εικόνα) μετατρέπεται με τη βοήθεια ενός αισθητήρα σε ηλεκτρικό σήμα για να επεξεργαστεί από το ηλεκτρονικό κύκλωμα. ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΗΨΗΣ
Παράδειγμα 1ο Μονόδρομη ενσύρματη επικοινωνία Η φωνή μέσω ενός μικροφώνου (αισθητήρας) μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα και ενισχύεται (επεξεργασία) για να μετατραπεί ξανά σε ήχο από το μεγάφωνο. ΜΟΝΟΔΡΟΜΗ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗ ΣΥΖΕΥΞΗ
Παράδειγμα 2ο Τηλεφωνία Σε ένα σύστημα αμφίδρομης ενσύρματης επικοινωνίας (π.χ. Τηλέφωνο), ο συζεύκτης σήματος καθορίζει την κατεύθυνση των σημάτων, ώστε να ακούμε μόνο τη φωνή του συνομιλητή.
Παράδειγμα 3ο Δεδομένα μέσω οπτικής ίνας Τα δεδομένα (0 και 1) μετατρέπονται μέσω μιας διόδου laser σε φως για να ταξιδέψουν μέσα από την οπτική ίνα. Στον δέκτη υπάρχει ένα φωτοτρανζίστορ που θα αντιστρέψει το φως σε ηλεκτρικά σήματα (τάσεις 0 και 5 Volt). ΜΟΝΟΔΡΟΜΗ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΚΑΛΩΔΙΟ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ
Παράδειγμα 4ο Ασύρματη ζεύξη (πομπός & δέκτης) Ένας ραδιοφωνικός πομπός μιξάρει τα ηχητικά σήματα, τα ενισχύει και τα εκπέμπει με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματος, το οποίο λαμβάνει ο δέκτης και αφού το μετατρέψει σε ηλεκτρικό σήμα, το ενισχύει και το στέλνει στα ηχεία να γίνει πάλι ήχος. ΜΟΝΟΔΡΟΜΗ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ
Ηλεκτρικό σήμα Είναι το ηλεκτρικό μέγεθος που παίρνουμε στην έξοδο του αισθητήρα-μετατροπέα (π.χ μικρόφωνο ή CCD βιντεοκάμερας). ΗΧΟΣ ΕΙΚΟΝΑ
Ηλεκτρικό σήμα Το ρεύμα i(t) και η τάση v(t) στην έξοδο ενός αισθητήρα είναι μεταβαλλόμενο μέγεθος σε σχέση με το χρόνο. ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟΣ
Χαρακτηριστικά ηλεκτρικού σήματος Ισχύς (ένταση) Ρυθμός μεταβολής (συχνότητα)
Διάκριση των σημάτων Περιοδικά (επαναλαμβάνονται στο χρόνο με μια συχνότητα, π.χ. ημιτονικό σήμα, τριγωνικό σήμα) Μη περιοδικά (τυχαία σήματα χωρίς επαναληπτικότητα, π.χ. το σήμα από την έξοδο ενός μικροφώνου)
Περιοδικά σήματα Περίοδος Τ (sec) είναι η χρονική διάρκεια της επαναλαμβανόμενης μορφής του σήματος Συχνότητα f (Hz) είναι το αντίστροφο της περιόδου και εκφράζει το ρυθμό επανάληψης του σήματος μέσα σε ένα δευτερόλεπτο Τ = 0,5 sec f = ---- = 2Hz 1 Τ
Ημιτονικό σήμα (sinusoidal signal) Ονομάζεται έτσι, διότι οι τιμές που παίρνει σε μια μια περίοδο Τ αντιστοιχούν στις τιμές του ημιτόνου. s(t) = S o sin(ωt) Κυκλική συχνότητα: ω = 2πf Πλάτος σήματος: So 2 So Ισχύς: P = ----- 2R
Φάσμα σήματος Φάσμα ενός σήματος είναι το σύνολο των συχνοτήτων των ημιτονικών σημάτων με συγκεκριμένα πλάτη που πρέπει να προστεθούν, ώστε να δώσουν ως αποτέλεσμα το αρχικό σήμα. ΔΙΑΚΡΙΤΟ ΦΑΣΜΑ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΥΝΕΧΕΣ ΦΑΣΜΑ ΤΥΧΑΙΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ
Χροιά του ήχου Η χροιά ενός ήχου καθορίζεται από τα πλάτη (ένταση) των ημιτονικών σημάτων στα οποία αναλύεται ο ήχος. ΒΑΡΥΤΟΝΗ ΧΡΟΙΑ ΥΨΙΤΟΝΗ ΧΡΟΙΑ
Χρονική και φασματική εικόνα ενός σήματος ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ (παλμογράφος) ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ (spectrum analyser)
Παραδείγματα φασμάτων Μουσικό ακουστικό φάσμα: 20Hz έως 20KHz Φάσμα σήματος Video: 0Hz έως 5MHz Ανθρώπινη ομιλία: 20Hz έως 12-15KHz Τηλεφωνικό φάσμα: 300Hz έως 3,4KHz ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΟΜΙΛΙΑ ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΗ ΣΥΝΟΜΙΛΙΑ
Εύρος ζώνης λειτουργίας (Bandwith) Ένας ενισχυτής πρέπει να ενισχύει το ίδιο όλες τις συχνότητες του αρχικού σήματος για να μην υπάρχει παραμόρφωση. ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΑΡΧΙΚΟ ΣΗΜΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΟ ΣΗΜΑ
Παραμόρφωση (Distortion) Αν ένας ενισχυτής δεν ενισχύει το ίδιο όλες τις συχνότητες του αρχικού σήματος, τότε το σήμα στην έξοδό του θα υποστεί παραμόρφωση. ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΑΡΧΙΚΟ ΣΗΜΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΟ ΣΗΜΑ
Φίλτρα Με τα φίλτρα μπορούμε να τροποποιήσουμε το φάσμα ενός σήματος όπως εμείς θέλουμε, π.χ. να επιλέξουμε ένα κομμάτι φάσματος για πιο εύκολη αποστολή δεδομένων (τηλεφωνία). ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΟΜΙΛΙΑ ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΟ ΣΗΜΑ
Χαμηλοδιαβατό Φίλτρο Επιλεκτικά επιτρέπει να διέλθει το χαμηλό τμήμα συχνοτήτων.
Υψηλοδιαβατό Φίλτρο Επιλεκτικά επιτρέπει να διέλθει το υψηλό τμήμα συχνοτήτων.
Φίλτρο διέλευσης ζώνης Επιλεκτικά επιτρέπει τη διέλευση συγκεκριμένου μεσαίου τμήματος του φάσματος.
Φίλτρο απόρριψης ζώνης Επιλεκτικά δεν επιτρέπει τη διέλευση συγκεκριμένου μεσαίου τμήματος του φάσματος.
Συχνότητες αποκοπής Είναι οι συχνότητες στις οποίες η ισχύς πέφτει στο μισό, δηλαδή μειώνεται κατά 3db.
Ασύρματη επικοινωνία Το ηλεκτρικό σήμα πρέπει να μετατραπεί σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα για να μπορέσει να διαδοθεί στον κενό χώρο. ΣΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟ- ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ
Μήκος κύματος Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα f, τόσο ευκολότερα η ενέργειά του ακτινοβολείται στον κενό χώρο. Το μήκος της κεραίας είναι ανάλογο προς το μήκος κύματος του σήματος. Όσο μεγαλύτερη η συχνότητα, τόσο μικρότερη κεραία χρειαζόμαστε. ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ (f) ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (λ) 1 KHz 300 km 10 MHz 30 m 100 MHz 3 m c = λ * f C = 300.000 km/sec
Διαμόρφωση σήματος (στον πομπό) Το βασικό σήμα (baseband) φορτώνεται πάνω στο φέρον κύμα (υψηλή συχνότητα) που διαδίδεται ευκολότερα.
Αποδιαμόρφωση σήματος (στο δέκτη) Από το διαμορφωμένο σήμα ξεφορτώνεται το αρχικό σήμα (χαμηλή συχνότητα).
Ηλεκτρομαγνητικό κύμα Είναι μια μορφή ενέργειας συνδυασμένου ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου κάθετα μεταξύ τους και κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσής τους.
Πόλωση ηλεκτρομαγνητικού κύματος Το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού κύματος ορίζει την κατεύθυνση (πόλωση) του ηλεκτρομαγνητικού κύματος: Κατακόρυφη πόλωση Οριζόντια πόλωση Κυκλική πόλωση Η πόλωση σχετίζεται με τον προσανατολισμό της κεραίας (οριζόντια κεραία, οριζόντια πόλωση)
Πυκνότητα ισχύος ηλεκτρομαγνητικού κύματος Η πυκνότητα ισχύος είναι: ρ = Ε * Η και μετριέται σε Watt/m 2. Αποδεικνύεται ότι Ε/Η = 120 * π = 377Ω Έτσι προκύπτει το θεώρημα του Poynting: ρ = Ε 2 120 * π
Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Ζώνη συχνοτήτων Ονοματολογία Συμβολισμός 100 Hz 3 KHz Άκρως χαμηλές συχνότητες ELF 3 KHz 30 KHz Υπέρμακρα κύματα VLF 30 KHz 300 KHz Μακρά κύματα LF 300 ΚHz 3 MHz Μεσαία κύματα MF 3 MHz 30 MHz Βραχέα κύματα HF 30 MHz 300 MHz Υπερβραχέα κύματα VHF 300 MHz 3 GHz Δεκατομετρικά μικροκύματα UHF 3 GHz 30 GHz Εκατοστομετρικά μικροκύματα SHF 30 GHz 30 MHz Χιλιοστομετρικά μικροκύματα EHF 300 GΗz - 10 14 Υπέρυθρες ακτίνες IR 10 14-10 16 Ορατό φώς 10 16-10 18 Υπεριώδεις ακτίνες UV 10(c) 18 και Αμπατζόγλου πέρα Γιάννης, Ηλεκτρονικός Ακτίνες ΧΜηχανικός, καθηγητής XΠΕ17
Διαμορφώσεις Διαμόρφωση είναι η χρησιμοποίηση ενός φέροντος κύματος (υψηλή συχνότητα) ως μεταφορέα του βασικού σήματος. Αναλογική διαμόρφωση Παλμική διαμόρφωση Ψηφιακή διαμόρφωση
Αναλογικές διαμορφώσεις Το φέρον Μ(t) είναι μια ημιτονική υψηλή συχνότητα f ο, με κυκλική συχνότητα ω ο και αρχική φάση φ ο. M(t) = M o sin(ω ο t + φ ο ) = M o sin(2πf ο t + φ ο ) Διαμόρφωση πλάτους (Αmplitude Μodulation - AM) Διαμόρφωση συχνότητας (Frequency Modulation - FM) ΦΕΡΟΝ ΚΥΜΑ
Διαμόρφωση πλάτους ΑΜ με φέρον Το βασικό σήμα s(t) επηρεάζει το πλάτος του φέροντος Μ(t) και έτσι προκύπτει το διαμορφωμένο σήμα: Ε(t) = [M o +s(t)] sin(ω ο t) Προσοχή: πρέπει πάντα S o < Μ ο
Μπλοκ διάγραμμα Διαμορφωτή πλάτους ΑΜ με φέρον
Φάσμα διαμορφωμένου σήματος (διαμορφωτή πλάτους ΑΜ με φέρον) Όταν το βασικό σήμα s(t) είναι ένα ημιτονικό σήμα συχνότητας F, τότε το διαμορφωμένο σήμα Ε(t) περιέχει τρεις συχνότητες: f o, f o -F και f o +F (πλευρικές φασματικές ακτίνες).
Φάσμα διαμορφωμένου σήματος (διαμορφωτή πλάτους ΑΜ με φέρον) Όταν το βασικό σήμα s(t) είναι ένα τυχαίο σήμα με φασματική ζώνη F max, τότε το διαμορφωμένο σήμα Ε(t) περιέχει τη συχνότητα φέροντος f o και τις πλευρικές φασματικές ζώνες f o -F max και f o +F max.
Ραδιοφωνία ΑΜ (Μεσαία κύματα) Στη ραδιοφωνία με διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) έχει υιοθετηθεί για τα ακουστικά σήματα διαμόρφωσης ο περιορισμός F max = 5 KHz. Η ζώνη συχνοτήτων ΑΜ εκτείνεται από 560 ΚHz έως 1600 ΚΗz.
Ποσοστό διαμόρφωσης m και Ισχύς διαμορφωμένου φέροντος Ποσοστό διαμόρφωσης m = S o /M o Η ισχύς του διαμορφωμένου φέροντος P είναι ίση με το άθροισμα των ισχύων όλων των φασματικών ακτίνων. P ολ = (Μ ο 2 /2R L ). (1 + m 2 /2)
Ωφέλιμη Ισχύς και Αποτελεσματικότητα διαμόρφωσης Η πραγματικά ωφέλιμη ισχύς P ωφ είναι ίση με το άθροισμα των ισχύων μόνο των πλευρικών φασματικών ακτίνων (που περιέχουν την πληροφορία). P ωφ = m 2. Μ 2 ο /4R L Η αποτελεσματικότητα διαμόρφωσης είναι: D = P ωφ / P ολ = m 2 / (m 2 +2) (αν m=100%, τότε D max =0,33)
Μέτρηση ποσοστού διαμόρφωσης με τον παλμογράφο Μπορούμε να προσδιορίσουμε πειραματικά το ποσοστό διαμόρφωσης με τη βοήθεια του παλμογράφου χρησιμοποιώντας τον τύπο: m= A-B A+B
Διαμόρφωση πλάτους διπλής ζώνης χωρίς φέρον (DSBsc) Επειδή το φέρον δεν περιέχει πληροφορίες, μπορούμε να το παραλείψουμε και να εκπέμψουμε μόνο τις δύο πλευρικές ζώνες. Εφόσον η ισχύς του σήματος είναι όλη ωφέλιμη, τότε D=1. E(t) = s(t). sin(ω ο t)
Διαμόρφωση πλάτους μονής ζώνης χωρίς φέρον (SSBsc) Επειδή οι δύο πλευρικές ζώνες περιέχουν τις ίδιες πληροφορίες, μπορούμε να παραλείψουμε τη μία. Εφόσον η ισχύς του σήματος είναι όλη ωφέλιμη, τότε D=1. LSB USB
Σύγκριση διαμορφώσεων πλάτους (DSB, DSBsc, SSBsc) Στην DSB έχουμε μικρή ωφέλιμη ισχύ (D max =0,33) Όταν δεν εκπέμπουμε το φέρον, τότε πρέπει ο δέκτης να το δημιουργεί τοπικά, καθώς του είναι απαραίτητο για την αποδιαμόρφωση. Γι'αυτό εκπέμπουμε το φέρον, αλλά συμπιεσμένο. Η ωφέλιμη Ρ SSB είναι οκταπλάσια από την Ρ DSB
Διαμόρφωση συχνότητας (Frequency Modulation - FM) Το σήμα της πληροφορίας s(t) αποτυπώνεται στη συχνότητα του φέροντος, το οποίο έχει σταθερό πλάτος. ΣΗΜΑ ΦΕΡΟΝ ΚΥΜΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΜΕΝΟ ΣΗΜΑ
Διαμoρφωμένο σήμα FM Η συχνότητα του φέροντος μεταβάλλεται γύρω από την κεντρική συχνότητα f o στο ρυθμό του σήματος. Η συχνότητα του διαμορφωμένου σήματος είναι: f(t) = f o + Δf max sin(ωt)
Δείκτης διαμόρφωσης m Χαρακτηρίζει μια διαμόρφωση FM και ισούται με: Δfmax m f = = F k * So F Το μέγεθος Δfmax ονομάζεται μέγιστη απόκλιση συχνότητας και εκφράζει τη μέγιστη απομάκρυνση της συχνότητας προς τη μια ή την άλλη κατεύθυνση από την κεντρική της τιμή fo, ενώ εξαρτάται από το πλάτος του βασικού σήματος.
Φάσμα FM Όσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης διαμόρφωσης m, τόσο μεγαλύτερο είναι το φασματικό εύρος.
Εύρος φασματικής ζώνης (Bandwidth) Αν F max είναι η μέγιστη συχνότητα του σήματος s(t), τότε: B = 2(Δf max + F max ) Β = 2F max (m f + 1) Στη ραδιοφωνία FM έχουν διεθνώς καθιερωθεί οι τιμές: Fmax=15KHz, Δfmax=75KHz, mf=5 και Β=180ΚΗz. Προς αποφυγή αλληλοκάλυψης μεταξύ των σταθμών, η απόσταση μεταξύ τους είναι τουλάχιστον 200KHz. Η μπάντα των FM εκτείνεται από 88ΜHz έως 108MHz.
Σύγκριση διαμορφώσεων AM και FM Στη διαμόρφωση FM η ισχύς εκπομπής είναι σταθερή (ευκολότερη κατασκευή του πομπού), ενώ στην ΑΜ εξαρτάται από το πλάτος του σήματος. Στη διαμόρφωση FM έχουμε καλύτερη αξιοποίηση της ισχύος εκπομπής, καθώς η ισχύς της συνιστώσας του φέροντος είναι ένα μικρό μόνο μέρος της ολικής ισχύος, ενώ στη διαμόρφωση ΑΜ η ισχύς του φέροντος είναι πολύ μεγάλη (μικρή ωφέλιμη ισχύς).
Σύγκριση διαμορφώσεων AM και FM Στη διαμόρφωση FM η παραμόρφωση του πλάτους δεν είναι καταστροφική, γιατί η πληροφορία μας βρίσκεται στη συχνότητα του φέροντος. Η διαμόρφωση FM χρειάζεται πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης από το αντίστοιχο της AM. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο στην FM είναι 64 φορές μεγαλύτερος και γι'αυτό προσφέρεται για καλής ποιότητας εκπομπές μουσικής.