Ψηφιακές Επικοινωνίες

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο» η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του Υ.ΠΑΙ.Θ. Ψηφιακές Επικοινωνίες Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδη μα ϊ κοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΣΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Θεματική Ενότητα ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Τόμος Β Ψηφιακές Επικοινωνίες Συγγραφή ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΛΥΒΑΣ Καθηγητής ΤΕΙ Πειραιά ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΒΑΡΖΑΚΑΣ Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Κριτική Ανάγνωση ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΖΕΡΒΑΣ Καθηγητής ΤΕΙ Αθηνών Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του Π.Σ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΒΕΡΥΚΙΟΣ Αναπληρωτής Καθηγητής Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της Θ.Ε. ΕΥΣΤΑΘΙΟΣ ΧΑΤΖΗΕΥΘΥΜΙΑΔΗΣ Αναπληρωτής Καθηγητής Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΑΔΑΜΑΝΤΙΑ ΣΠΑΝΑΚΑ Γλωσσική Επιμέλεια ΑΝΝΑ ΒΛΑΧΟΔΗΜΟΥ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση opusmagnum ISBN: 978-960-538-985-7 Κωδικός Έκδοσης: ΠΛΣ 62/Β Copyright 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650 To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΣΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Θεματική Ενότητα ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Τόμος Β Ψηφιακές Επικοινωνίες ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΛΥΒΑΣ Καθηγητής ΤΕΙ Πειραιά ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΒΑΡΖΑΚΑΣ Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας ΠΑΤΡΑ 2015

Βιογραφικά Ο Δημήτριος Καλύβας είναι Καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. του ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. από το 1998, με ειδικότητα στις Επικοινωνίες. Είναι απόφοιτος του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (1982), κάτοχος Master of Science του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Πολιτείας της Βόρειας Καρολίνα (1983) και διδακτορικού διπλώματος του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια (1989). Η έρευνά του εστιάζεται στα συστήματα ψηφιακών επικοινωνιών, στις επικοινωνίες με πολυμέσα και στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος, εικόνας και βίντεο. Είναι συγγραφέας περισσότερων από 30 επιστημονικών δημοσιεύσεων και το δημοσιευμένο έργο του έχει λάβει μέχρι τώρα πάνω από 120 ετεροαναφορές από ομότιμους ερευνητές. Ο Παναγιώτης Βαρζάκας είναι Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. του ΑΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας και Συνεργαζόμενο Εκπαιδευτικό Προσωπικό (ΣΕΠ) του ΕΑΠ στη Θεματική Ενότητα ΠΛΗ36 «Σύγχρονα Δίκτυα και Υπηρεσίες». Η ερευνητική του δραστηριότητα εστιάζεται στις ασύρματες και οπτικές επικοινωνίες. Είναι απόφοιτος του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών (BSc) (1989), κάτοχος μεταπτυχιακού διπλώματος (MSc) στην Ηλεκτρονική και Ραδιοηλεκτρολογία (1993) και διδακτορικού διπλώματος (PhD) Φυσικών Επιστημών του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Αθηνών (1999). Έχει εργαστεί ως μηχανικός τηλεπικοινωνιών στην εταιρεία Cosmote Κινητές Τηλεπικοινωνίες Α.Ε., ως ερευνητής σε προγράμματα στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών και ως διδάσκων στα ΑΤΕΙ Πειραιά, Λαμίας και Επισκέπτης Καθηγητής στο Τμήμα Διδακτικής της Τεχνολογίας και Ψηφιακών Συστημάτων του Πανεπιστημίου Πειραιά. Είναι συγγραφέας 15 διδακτικών σημειώσεων για τα ΑΤΕΙ και ενός βιβλίου για τη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, 24 επιστημονικών δημοσιεύσεων, έχει παρουσιάσει 20 εργασίες σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια, ενώ είναι κριτής ερευνητικών εργασιών σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια.

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Δ. Καλύβας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...17 1.1 Συστήματα επικοινωνιών...19 1.1.1 Βασικά στοιχεία ενός συστήματος επικοινωνιών...20 1.1.2 Βασικά στοιχεία ενός συστήματος ψηφιακών επικοινωνιών...21 1.2 Σήματα και συστήματα επικοινωνιών...25 1.2.1 Βασικά χαρακτηριστικά σημάτων...25 1.2.2 Σήματα ενέργειας και σήματα ισχύος...27 1.2.3 Σημαντικά σήματα...30 1.2.4 Γραμμικά και χρονικά αμετάβλητα (ΓΧΑ) συστήματα...32 1.2.5 Ανάλυση γραμμικών και χρονικά αμετάβλητων (ΓΧΑ) συστημάτων στο πεδίο του χρόνου...35 1.3 Φάσμα σημάτων και μετασχηματισμός Fourier...36 1.3.1 Μετασχηματισμός Fourier...36 1.3.2 Ιδιότητες του μετασχηματισμού Fourier...40 1.3.3 Θεώρημα Rayleigh...47 1.3.4 Μετασχηματισμός Fourier περιοδικών σημάτων...48 1.3.5 Μετάδοση σημάτων μέσω γραμμικών και χρονικά αμετάβλητων (ΓΧΑ) συστημάτων...49 1.4 Πιθανότητες και τυχαίες μεταβλητές...50 1.4.1 Αξιωματική θεμελίωση της πιθανότητας...50 1.4.2 Δεσμευμένη ή υπό συνθήκη πιθανότητα...51

8 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1.4.3 Ανεξάρτητα ενδεχόμενα...52 1.4.4 Τυχαίες μεταβλητές...53 1.4.5 Σημαντικές τυχαίες μεταβλητές...56 1.4.6 Μέσες τιμές τυχαίων μεταβλητών...60 1.4.7 Πολλαπλές τυχαίες μεταβλητές...62 1.4.8 Θεώρημα κεντρικού ορίου...67 1.5 Τυχαία σήματα...68 1.5.1 Τυχαίες διαδικασίες...68 1.5.2 Τυχαία σήματα και γραμμικά και χρονικά αμετάβλητα (ΓΧΑ) συστήματα...72 1.5.3 Gaussian τυχαία διαδικασία...74 1.5.4 Λευκές στοχαστικές διαδικασίες...74 Σύνοψη...75 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...76 Ευρετήριο Όρων...77 Γλωσσάρι...80 Βιβλιογραφία...81 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...82 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...83 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...88 Κατάλογος σχημάτων...91 Κατάλογος πινάκων...91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Κωδικοποίηση πηγής και εφαρμογές Π. Βαρζάκας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...93

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9 2.1 Είδη πηγών πληροφορίας...96 2.1.1 Αναλογικές και ψηφιακές πηγές...96 2.1.2 Δειγματοληψία...98 2.2 Κωδικοποίηση με απώλειες...103 2.2.1 Κωδικοποίηση πηγής και κώδικες πηγής...103 2.2.2 Απωλεστικοί αλγόριθμοι κωδικοποίησης πηγής...109 2.2.3 Πρότυπα JPEG, MPEG, MP3...121 2.3 Κωδικοποίηση χωρίς απώλειες...130 2.3.1 Διακριτές πηγές πληροφορίας...130 2.3.2 Μη απωλεστικοί αλγόριθμοι κωδικοποίησης πηγής...138 Σύνοψη...145 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...146 Ευρετήριο Όρων...147 Γλωσσάρι...148 Βιβλιογραφία...150 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...151 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...152 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...156 Κατάλογος σχημάτων...159 Κατάλογος πινάκων...159 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ψηφιακές διαμορφώσεις Δ. Καλύβας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...161 3.1 Γεωμετρική αναπαράσταση των σημάτων μετάδοσης...164 3.1.1 Διαδικασία ορθογωνοποίησης Gram-Schmidt...168

10 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 3.2 Ψηφιακές διαμορφώσεις βασικής ζώνης...174 3.2.1 M-PAM...174 3.2.2 M-PPM, διορθογώνια, Simplex...177 3.2.3 Κωδικοποίηση γραμμής...182 3.3 Ψηφιακές διαμορφώσεις διέλευσης ζώνης...184 3.3.1 M-ASK...184 3.3.2 M-PSK...186 3.3.3 M-QAM...190 3.3.4 M-FSK...193 3.4 Ψηφιακή μετάδοση μέσω καναλιών περιορισμένου εύρους ζώνης...196 Σύνοψη...197 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...197 Ευρετήριο Όρων...198 Γλωσσάρι...200 Βιβλιογραφία...201 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...202 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...203 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...209 Κατάλογος σχημάτων...213 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Αποδιαμόρφωση Ανίχνευση Δ. Καλύβας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...215 4.1 Aποδιαμόρφωση...217 4.1.1 Αποδιαμορφωτής συσχέτισης...217

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 4.1.2 Αποδιαμορφωτής προσαρμοσμένου φίλτρου...221 4.1.3 Σύμφωνη και ασύμφωνη αποδιαμόρφωση...222 4.2 Ανίχνευση...223 4.2.1 Κριτήριο μέγιστης εκ των υστέρων πιθανότητας (MAP)...223 4.2.2 Κριτήριο μέγιστης πιθανοφάνειας (ML)...223 4.2.3 Κριτήρια ελάχιστης απόστασης και μέγιστης συσχέτισης...224 4.3 Δέκτης προσαρμοσμένου φίλτρου...226 4.3.1 Δυαδικός δέκτης προσαρμοσμένου φίλτρου...229 4.4 Πιθανότητα σφάλματος παρουσία προσθετικού λευκού Gaussian θορύβου...238 4.4.1 Πιθανότητα σφάλματος για M-PAM...238 4.4.2 Πιθανότητα σφάλματος για M-ASK...240 4.4.3 Πιθανότητα σφάλματος για M-PSK...241 4.4.4 Πιθανότητα σφάλματος για M-QAM...243 4.4.5 Πιθανότητα σφάλματος για M-FSK...244 4.4.6 Πιθανότητα σφάλματος για M-FSK ασύμφωνης φώρασης...245 4.5 Συγκριτική ανάλυση επίδοσης...247 4.6 Ψηφιακές διαμορφώσεις με μνήμη...250 4.7 Ψηφιακή μετάδοση μέσω μη ιδανικών καναλιών...252 Σύνοψη...254 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...254 Ευρετήριο Όρων...255 Γλωσσάρι...256 Βιβλιογραφία...257

12 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...257 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...258 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...264 Κατάλογος σχημάτων...268 Κατάλογος πινάκων...268 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Κωδικοποίηση ελέγχου σφάλματος Π. Βαρζάκας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...269 5.1 Εισαγωγή στη θεωρία κωδικοποίησης ελέγχου σφάλματος...271 5.1.1 Ορισμοί και παραδοχές...271 5.1.2 Διόρθωση και ανίχνευση σφαλμάτων...277 5.1.3 Κατηγοριοποίηση κωδίκων (αλγεβρικοί-πιθανοκρατικοί κώδικες)...279 5.2 Γραμμικοί μπλοκ κώδικες...280 5.2.1 Στοιχεία δομής πεπερασμένων σωμάτων και διανυσματικών χώρων...280 5.2.2 Πίνακες γεννήτορες και ελέγχου ισοτιμίας...287 5.2.3 Παραδείγματα κωδίκων...298 5.2.4 Κυκλικοί κώδικες...305 5.2.5 Κώδικες BCH και RS...310 5.3 Συνελικτικοί κώδικες και κώδικες βασιζόμενοι σε γράφους...317 5.3.1 Κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση συνελικτικών κωδίκων...317 5.3.2 Κώδικες Turbo...327 5.3.3 Κώδικες LDPC...331

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 13 Σύνοψη...336 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...337 Ευρετήριο Όρων...338 Γλωσσάρι...339 Βιβλιογραφία...340 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...342 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...343 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...348 Κατάλογος σχημάτων...351 Κατάλογος πινάκων...351 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Τεχνικές διάχυτου φάσματος Π. Βαρζάκας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...353 6.1 Εισαγωγή στις τεχνικές διάχυτου φάσματος...355 6.1.1 Ορισμοί...355 6.2 Τεχνική DS...360 6.2.1 Δομή πομπού τεχνικής DS...360 6.2.2 Δομή δέκτη τεχνικής DS...361 6.3 Τεχνική FH...363 6.3.1 Βασικά χαρακτηριστικά...363 6.3.2 Δομή πομπού τεχνικής FH...365 6.3.3 Δομή δέκτη τεχνικής FH...366 6.4 Τεχνικές TH και PFM...368 6.4.1 Τεχνική TH...368 6.4.2 Τεχνική PFM...369

14 ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 6.5 Υβριδικές τεχνικές διάχυτου φάσματος...372 6.5.1 Συστήματα DS/FH...372 Σύνοψη...376 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...376 Ευρετήριο Όρων...377 Γλωσσάρι...378 Βιβλιογραφία...379 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...381 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...383 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...386 Κατάλογος σχημάτων...388 Κατάλογος πινάκων...388 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τεχνικές πολύπλεξης και πολλαπλής προσπέλασης Π. Βαρζάκας Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...389 7.1 Τεχνικές πολύπλεξης...392 7.1.1 Ορισμοί...392 7.1.2 Πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας...392 7.1.3 Πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου...396 7.1.4 Πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα...400 7.1.5 Πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος...401 7.2 Τεχνικές πολλαπλής προσπέλασης...404 7.2.1 Ορισμοί...404 7.2.2 Πολλαπλή προσπέλαση με διαίρεση συχνότητας...405

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 15 7.2.3 Πολλαπλή προσπέλαση με διαίρεση χρόνου...406 7.2.4 Πολλαπλή προσπέλαση με διαίρεση κωδίκων...409 7.2.5 Πολλαπλή προσπέλαση με ορθογώνια διαίρεση συχνότητας...412 Σύνοψη...414 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...415 Ευρετήριο Όρων...416 Γλωσσάρι...417 Βιβλιογραφία...419 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...421 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...423 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...426 Κατάλογος σχημάτων...429