ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο πραγματικός κόσμος είναι ένας αναλογικός κόσμος. Όλα τα μεγέθη παίρνουν τιμές με άπειρη ακρίβεια. Π.χ. το ηλεκτρικό σήμα τάσης όπου κάθε στιγμή η τιμή του μπορεί να απαιτεί άπειρα δεκαδικά ψηφία για να περιγραφεί. Ο ψηφιακός κόσμος των υπολογιστών, αντίθετα, μπορεί να χειριστεί μόνο πεπερασμένο αριθμό δεδομένων και με πεπερασμένη ακρίβεια. Γιατί προτιμάμε να χρησιμοποιούμε ψηφιακούς υπολογιστές, αφού έχουν περιορισμένες δυνατότητες; 2
Πλεονεκτήματα ψηφιακών υπολογιστών Η αποθήκευση των ψηφιακών δεδομένων είναι φθηνότερη, ταχύτερη και πιο αξιόπιστη. Κατά την επεξεργασία ή την αναπαραγωγή των δεδομένων υπάρχει μικρή ως μηδενική αλλοίωση τους. Είναι φθηνότεροι Είναι αξιόπιστοι Είναι προγραμματιζόμενοι 3
Ψηφιακή μετάδοση Παράγει λιγότερα σφάλματα σε σχέση με την αναλογική. Επειδή τα δεδομένα που μεταδίδονται είναι δυαδικά (0 ή 1) είναι ευκολότερο να εντοπίσουμε και να διορθώσουμε λάθη. Επιτρέπει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης. Οι οπτικές ίνες π.χ., είναι σχεδιασμένες για ψηφιακή μετάδοση Είναι πιο αποτελεσματική. Είναι δυνατόν να στείλω περισσότερα δεδομένα μέσω ενός κυκλώματος ψηφιακής παρά αναλογικής μετάδοσης Είναι πιο ασφαλής (τα ψηφιακά δεδομένα κρυπτογραφούνται ευκολότερα) 4
Επικοινωνία Η/Υ με τον αναλογικό κόσμο Απαραίτητη η ύπαρξη συστημάτων που μετατρέπουν τα αναλογικά δεδομένα του αναλογικού κόσμου, σε ψηφιακά, καθώς και η ύπαρξη συστημάτων που κάνουν την ακριβώς αντίστροφη διαδικασία. 5
Μετάδοση ψηφιακών δεδομένων Αναλογικό είναι το σήμα που μεταβάλλεται διαρκώς μέσα στο χρόνο. Ψηφιακό είναι το σήμα που παίρνει διακριτές τιμές μέσα στο χρόνο. Οι διακριτές αυτές τιμές συνήθως είναι το 0 και το 1. 6
Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό(ADC) Αναλογικό σήμα ADC Ψηφιακή λέξη Σύστημα μετατροπής αναλογικής ηλεκτρικής τάσης σε δυαδική λέξη. Τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού του μετατροπέα είναι : Το εύρος των τιμών της τάσης εισόδου ( π.χ. από -5Volts έως +5Volts, από 0Volts έως 10Volts) To μήκος της δυαδικής λέξης που παράγει στην έξοδο του (π.χ. 8, ή 10 ή 16 ή 24 bits). Το μέγεθος αυτό λέγεται και ανάλυση του μετατροπέα. Ο ρυθμός μετατροπής από αναλογικό σε ψηφιακό, δηλαδή κάθε πότε λαμβάνεται δείγμα για μετατροπή 7 (π.χ. 10ΚΗΖ, 50ΚΗΖ, 2ΜΗΖ)
Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό(ADC) Βασικοί τύποι μετατροπέων, ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή: Διαδοχικών προσεγγίσεων Με χρήση απαριθμητή Ολοκλήρωσης Παράλληλοι 8
Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό(ADC) Ο πιο συνηθισμένος τύπος που χρησιμοποιείται είναι αυτός των Διαδοχικών προσεγγίσεων γιατί προσφέρει καλές ταχύτητες μετατροπής, με καλή ανάλυση και χαμηλό κόστος. Οι μετατροπείς παράλληλου τύπου είναι οι ταχύτεροι, με χαμηλή ανάλυση και υψηλό κόστος. Οι μετατροπείς τύπου Ολοκλήρωσης είναι οι πιο αργοί, με υψηλές αναλύσεις (20-24bits). 9
Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό(ADC) Σφάλματα κατά τη μετατροπή: Όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός μετατροπής, τόσο μικρότερο είναι το σφάλμα που μπορεί να δημιουργηθεί από λάθος μετατροπή του σήματος. Δηλαδή, όσο πιο συχνά παίρνουμε δείγματα από το αναλογικό σήμα τόσο πιστότερη θα είναι η αναπαράσταση του σε ψηφιακό. Όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση του μετατροπέα, δηλαδή το μήκος της δυαδικής λέξης που παράγεται, τόσο μικρότερο είναι το σφάλμα που μπορεί να δημιουργηθεί στην αναπαράσταση του σήματος. Π.χ. με όσα περισσότερα δεκαδικά ψηφία χρησιμοποιούμε σ ένα αριθμό τόσο πιο ακριβής είναι τιμή του. 10
Μετατροπέας Ψηφιακού σε Αναλογικό (DAC) Ψηφιακή λέξη DAC Αναλογικό σήμα Σύστημα μετατροπής μιας δυαδικής λέξης σε αναλογικό σήμα. Τα ηλεκτρονικά μέρη του DAC είναι: Λογικές πύλες Ηλεκτρονικοί διακόπτες Ενισχυτές τάσης Αντιστάσεις 11
Μετατροπέας Ψηφιακού σε Αναλογικό (DAC) Βασικά στοιχεία που χαρακτηρίζουν ένα μετατροπέα DAC: Το εύρος τιμών της τάσης εξόδου ( π.χ. από -5Volts έως +5Volts) Το μήκος της δυαδικής λέξης που δέχεται στην είσοδο του ( π.χ. 8bits) 12
Μετάδοση ψηφιακών δεδομένων Μέχρι πριν λίγες δεκαετίες η μετάδοση ψηφιακών σημάτων ήταν ανύπαρκτη. Όλα τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα χρησιμοποιούσαν αναλογικά σήματα, που μεταδίδονταν εύκολα μέσα από τα χάλκινα τηλεφωνικά καλώδια. Εξαίρεση αποτελούσε ο τηλέγραφος, με τον κώδικα Μορς που μπορεί να θεωρηθεί σαν ψηφιακό σύστημα (τελείες και παύλες). Σήμερα, η μετάδοση σημάτων μεταξύ τηλεπικοινωνιακών συστημάτων γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με ψηφιακό τρόπο και σε μεγάλο βαθμό μέσω οπτικών ινών, που αντικαθιστούν σταδιακά τα χάλκινα καλώδια. 13
Τρόποι μετάδοσης δεδομένων Παράλληλη μετάδοση Σειριακή μετάδοση 14
Σειριακή μετάδοση Ο δημοφιλέστερος τρόπος σύνδεσης μεταξύ υπολογιστών είναι αυτός που χρησιμοποιεί τη σειριακή μετάδοση. Εχουμε μόνο ένα φυσικό μέσο μετάδοσης (καλώδιο), και τα bit των δεδομένων αποστέλλονται το ένα κατόπιν του άλλου, ένα κάθε φορά. 15
Παράλληλη μετάδοση Εδώ, χρησιμοποιούνται πάνω από ένα φυσικά μέσα μετάδοσης (καλώδια) που το καθένα μεταφέρει ένα bit δεδομένων. Όλα τα bit αποστέλλονται ταυτόχρονα. 16
Παράλληλη μετάδοση Η παράλληλη μετάδοση είναι ταχύτερη, αλλά ακριβότερη από τη σειριακή. Η παράλληλη μετάδοση έτσι, χρησιμοποιείται μόνο στο εσωτερικό του υπολογιστή ή για τη σύνδεση του υπολογιστή με περιφερειακές συσκευές. Η σειριακή μετάδοση, αντίθετα, χρησιμοποιείται σε όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις απομακρυσμένης επικοινωνίας μεταξύ υπολογιστών. 17
Η σειριακή μετάδοση χωρίζεται σε : Ασύγχρονη Σύγχρονη Ανάλογα με τον τρόπο που μεταδίδονται τα bytes των δεδομένων. 18
Ασύγχρονη σειριακή μετάδοση Στην ασύγχρονη, κάθε byte μεταδίδεται αυτόνομα με τη συνοδεία ειδικών bit πριν (start bits) και μετά (stop bits) τη μετάδοση του. 19
Σύγχρονη σειριακή μετάδοση Κατά τη σύγχρονη µετάδοση, τα bytes µεταδίδονται κατά οµάδες (blocks) και ειδικοί χαρακτήρες σηµατοδοτούν την αρχή (SYN) και το τέλος (EOF) της µετάδοσης κάθε byte. 20
Άλλος διαχωρισμός των τρόπων μετάδοσης Ανάλογα με την κατεύθυνση της επικοινωνίας: Μονόδρομη επικοινωνία (simplex) Ημιαμφίδρομη επικοινωνία (half-duplex) Αμφίδρομη επικοινωνία (full-duplex) 21
Μονόδρομη επικοινωνία (simplex) Στη μονόδρομη μεταφορά τα δεδομένα κινούνται μόνιμα προς μια κατεύθυνση, όπου η μια πλευρά του καναλιού μετάδοσης συνεχώς εκπέμπει και η άλλη συνεχώς λαμβάνει. Παράδειγμα - Σύνδεση Η/Υ με Εκτυπωτή - Οι ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές εκπομπές Μονόδρομη μετάδοση Μετάδοση πάντα προς την ίδια φορά 22
Ημιαμφίδρομη επικοινωνία (half-duplex) Τα δεδομένα κινούνται είτε προς τη μια κατεύθυνση είτε προς την άλλη, αλλά όχι ταυτόχρονα. Η ροή των δεδομένων αλλάζει κάθε φορά κατεύθυνση ανάλογα με το ποιος είναι ο πομπός και ποιος ο δέκτης. Παράδειγμα Walkie Talkie Μετάδοση και προς τις δύο φορές αλλά όχι ταυτόχρονα 23
Αμφίδρομη επικοινωνία (full-duplex) Τα δεδομένα μεταδίδονται ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις, εργάζονται δηλαδή ταυτόχρονα ο πομπός και ο δέκτης. Παράδειγμα : Το τηλέφωνο, όπου μπορούν να μιλούν και οι δύο συνομιλητές συγχρόνως. 24
Ταχύτητα μετάδοσης Είναι ο ρυθμός των bits που περνούν μέσα από το κανάλι επικοινωνίας στη μονάδα του χρόνου, δηλαδή bits/second. H μονάδα είναι το bps (bits per second) και τα πολλαπλάσια του. Εξαρτάται από: το είδος της μετάδοσης τα χαρακτηριστικά του μέσου μετάδοσης (καλωδίου) τις τεχνικές κωδικοποίησης και μετάδοσης των δεδομένων. 25
Ταχύτητα μετάδοσης Στην περίπτωση του τηλεφωνικού δικτύου όπου η μετάδοση των δεδομένων γίνεται με αναλογικό τρόπο γίνεται χρήση των modems με ταχύτητα μετάδοσης που φτάνει τα 56,6Kbit/sec. Αντίθετα, στα τοπικά δίκτυα, που η μετάδοση είναι ψηφιακή και σε μικρές αποστάσεις η ταχύτητα φτάνει το 1Gbit/sec. 26
Φυσικά μέσα μετάδοσης Τα πιο συνηθισμένα μέσα μετάδοσης είναι: Τα χάλκινα καλώδια Τα ομοαξονικά καλώδια Οι οπτικές ίνες 27
Τα χάλκινα καλώδια Αποτελούνται από ζεύγη συνεστραμμένων χάλκινων συρμάτων. Τα καλώδια αυτά χωρίζονται σε κατηγορίες (Cat1-Cat7), ανάλογα με το πόσο «πυκνό» είναι το πλέξιμο των καλωδίων. Όσο πιο πυκνό το «πλέξιμο» τόσο μεγαλύτερη ανοχή έχει το καλώδιο στο θόρυβο. Κάθε ζεύγος βρίσκεται μέσα σε πλαστικό μονωτικό αγωγό και το σύνολο των ζευγών βρίσκεται μέσα σ ένα δεύτερο πλαστικό αγωγό. Τα καλώδια αυτά έχουν: Μικρή προστασία από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές Χαμηλό κόστος 28
Τα χάλκινα καλώδια Χρησιμοποιούνται σε: Τηλεφωνικές γραμμές, επιτυγχάνοντας ταχύτητες μετάδοσης μεγαλύτερες από 50 Mbit/sec για αποστάσεις μερικών εκατοντάδων μέτρων. Σε τοπικά δίκτυα, επιτυγχάνοντας ταχύτητες μετάδοσης που φτάνουν το 1Gbit/sec για αποστάσεις μέχρι 100μέτρα. 29
Ομοαξονικά καλώδια Αποτελούνται από: Κεντρικό αγωγό που περιβάλλεται από μόνωση, που περιβάλλεται από μεταλλικό πλέγμα που λειτουργεί σαν γείωση. 30
Ομοαξονικά καλώδια Πλεονεκτήματα: Παρέχουν καλύτερη προστασία από ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο σε σχέση με τα χάλκινα καλώδια. Μειονεκτήματα: Μεγάλο κόστος αγοράς και εγκατάστασης. Σήμερα πια χρησιμοποιούνται σε κάποιες χώρες για την μετάδοση καλωδιακής τηλεόρασης. Έχουν αντικατασταθεί από τις οπτικές ίνες. 31
Οπτικές ίνες Στο κέντρο του καλωδίου υπάρχει η οπτική ίνα, η οποία κατασκευάζεται από γυαλί ικανό να μεταφέρει φωτεινή δέσμη με πολύ λίγες απώλειες. Οι οπτικές ίνες διακρίνονται σε: Πολύτροπες Μονότροπες 32
ΤΥΠΟΙ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Καλώδια μονότροπων οπτικών ινών Ο πυρήνας στα καλώδια μονότροπων οπτικών ινών είναι πολύ μικρός σε μέγεθος και επιτρέπει μόνο μια ακτίνα φωτός να εισέλθει σε αυτόν. Αυτό αυξάνει σημαντικά και την ταχύτητα και την απόσταση που μπορούν τα δεδομένα να μεταφερθούν. Καλώδια πολύτροπων οπτικών ινών Ο πυρήνας στα καλώδια πολυτρόπων οπτικών ινών έχει μεγάλο μέγεθος και επιτρέπει σε πολλές ακτίνες φωτός να εισέλθουν σε αυτόν ταυτόχρονα. 33
Καλώδια οπτικών ινών Πλεονεκτήματα: Πλήρη αναισθησία στον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο Πολύ μεγάλες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων (αρκετά Gbit) Επιτρέπουν πολύ μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης Μειονέκτημα: Μεγάλο κόστος προμήθειας και εγκατάστασης, γι αυτό χρησιμοποιείται κυρίως σε δίκτυα μεγάλων εταιρειών, εταιρείες τηλεπικοινωνιών. 34
Ασύρματη μετάδοση Όταν δεν υπάρχει καλώδιο ως φυσικό μέσο μετάδοσης, χρησιμοποιείται η ασύρματη μετάδοση. Η ασύρματη μετάδοση γίνεται με ηλεκτρομαγνητικά ή οπτικά σήματα. Σ αυτή τη μετάδοση ο πομπός και ο δέκτης μπορεί να έχουν ή όχι οπτική επαφή, ή να επικοινωνούν μέσω δορυφόρων. 35
Ασύρματη μετάδοση Η μετάδοση γίνεται με: Ραδιοφωνικά κύματα Μικροκύματα Υπέρυθρες Ακτίνες Laser Η ασύρματη μετάδοση χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις που η εγκατάσταση καλωδίων είναι αδύνατη ή οικονομικά ασύμφορη. 36