Εργασία στο μάθημα «Διδακτική της Πληροφορικής» με θέμα «Επικοινωνίες δεδομένων» Αθήνα, Φεβρουάριος 2011
Χρονολογική απεικόνιση της εξέλιξης των Τηλεπικοινωνιών
Χρονολογική απεικόνιση της εξέλιξης των Τηλεπικοινωνιών 1/6
Η σηµασία των Τηλεπικοινωνιών Ο ανθρώπινος πολιτισµός είναι έργο συλλογικό και αναπτύχθηκε χάρη στη συνεργασία των ανθρώπων Οι άνθρωποι συνεργάζονται µόνο όταν µπορούν να επικοινωνήσουν µεταξύ τους Επικοινωνία είναι η ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ δύο ή περισσοτέρων ανθρώπων
Ο αποστολέας της πληροφορίας ονοµάζεται ποµπός Ο παραλήπτης της πληροφορίας ονοµάζεται δέκτης Η ανθρώπινη φύση έχει περιορισµένες δυνατότητες εκποµπής (δυνατή φωνή) αλλά και λήψης (καλή ακοή) σε µεγάλη απόσταση Για να επιλυθούν αυτά τα προβλήµατα επινοήθηκαν τα τηλεπικοινωνιακά συστήµατα. Μέσω αυτών µπορούν να µεταδοθούν πληροφορίες σε µεγάλες αποστάσεις ανεξάρτητα από την ύλη µεταξύ ποµπού & δέκτη
Σύστηµα τηλεπικοινωνιών είναι το σύνολο των ηλεκτρονικών, φωτονικών και ηλεκτροµηχανικών διατάξεων που απαιτούνται για την επεξεργασία, εκποµπή, λήψη και καταγραφή σηµάτων. Έχει τη δυνατότητα µετατροπής µηχανικών ταλαντώσεων σε ηλεκτρικά σήµατα και αντιστρόφως ώστε να προσαρµόζει την πληροφορία στην καταλληλότερη µορφή για µετάδοση στον τελικό αποδέκτη.
ΔΕΝ είναι συµβατά όλα τα επικοινωνιακά συστήµατα. Μερικά είναι κατάλληλα για µεταβίβαση ήχου, άλλα για εικόνα, άλλα για κείµενο κλπ. Λέµε ότι εκπέµπουν & λαµβάνουν διαφορετικού τύπου ΣΗΜΑΤΑ Υπάρχουν 2 ειδών ΠΗΓΕΣ σηµάτων: 1. Αναλογικές π.χ. µικρόφωνο (συνεχές σήµα) 2. Ψηφιακές π.χ. Γραφοµηχανή (σήµα µε συγκεκριµένες διακριτές στάθµες) ΟΛΑ τα σήµατα του φυσικού κόσµου είναι ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ
Δείγµατα πηγών σήµατος Γραφοµηχανή Ψηφιακή πηγή Ηλεκτρονικός Υπολογιστής Ψηφιακή πηγή Ανθρώπινη φωνή (µικρόφωνο) Αναλογική πηγή Γραµµόφωνο Αναλογική πηγή
Στην εποχή µας, τα σήµατα παράγονται και µεταδίδονται σαν χρονικές µεταβολές ηλεκτρικών διαταραχών. Η απεικόνισή τους έχει τις µορφές των κατωτέρω διαγραµµάτων:
Πολλές φορές η πληροφορία, ιδιαίτερα όταν είναι οπτική ή ηχητική, επιθυµούµε να γίνει άµεσα αντιληπτή από τον χρήστη αντί να οδηγηθεί σε κάποιον Η/Υ. Τότε απαιτείται διπλή µετατροπή της πληροφορίας ώστε το αναλογικό προϊόν της πηγής να τεθεί σε ψηφιακή επεξεργασία τόσο για την εκποµπή όσο και για τη λήψη από τον τελικό αποδέκτη. Τα ψηφιακά συστήµατα επιτρέπουν αποτελεσµατικότερες διαδικασίες Επεξεργασίας ελέγχου καθώς και αποθήκευσης της πληροφορίας.
Η πορεία του αναλογικού σήµατος από τον ποµπό στον δέκτη Ο «Αποδέκτης» µπορεί να είναι ακροατής, θεατής ή αναγνώστης
Η πορεία του ψηφιακού σήµατος από τον ποµπό στον δέκτη 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Τα σήµατα του φυσικού κόσµου (αναλογικά) µετατρέπονται σε ψηφιακά για επεξεργασία. + 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
Πλεονεκτήµατα ψηφιακών συστηµάτων επικοινωνίας 1. Χρήση απλών και φθηνών κυκλωµάτων 2. Χρήση τεχνικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µε σηµερινή δυνατότητα περισσότερων από 1.5 δισεκατοµµύρια τρανζίστορ ανά 10 cm 2. 3. Δυνατότητα κρυπτογράφησης = Ασφάλεια 4. Δυνατότητα µετάδοσης πολλαπλών µορφών σηµάτων µαζί: φωνή, εικόνα, κείµενο 5. Ελαχιστοποίηση παραµόρφωσης & θορύβου 6. Ενσωµάτωση σε Η/Υ & έλεγχος µέσω λογισµικού 7. Εύκολη αποθήκευση δεδοµένων
Μειονεκτήµατα ψηφιακών συστηµάτων επικοινωνίας: 1. Απαιτείται συγχρονισµός συστηµάτων εκποµπής και λήψης 2. Απαιτείται ευρύτερο φάσµα συχνοτήτων (εύρος ζώνης), που λόγω µεγάλης ζήτησης είναι πολύ δαπανηρό. 3. Απαιτείται µετατροπή των φυσικών (αναλογικών) δεδοµένων σε ψηφιακά και αντιστρόφως µετά από τη µεταφορά. 4. Αν ένα ψηφίο «διαβασθεί» εσφαλµένα µπορεί να αχρηστευθεί ολόκληρο αρχείο ή να εξαχθούν εσφαλµένα αποτελέσµατα Όσα κι αν είναι τα µειονεκτήµατα, τα πλεονεκτήµατα είναι πολύ σηµαντικότερα. Σήµερα, 98% των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων είναι ψηφιακά.
Οποιοδήποτε αυθαίρετο σήµα αποτελεί σύνθεση ηµιτονικών σηµάτων ποικίλων πλατών και συχνοτήτων. Κάθε τετραγωνικός παλµός αποτελείται από σύνθεση µεγάλου πλήθους ηµιτονικών. Άρα απαιτεί τεράστιο φάσµα συχνοτήτων.
Ένα σήµα συνεχούς χρόνου x(t) είναι περιοδικό µε περίοδο T όταν υπάρχει Τ>0 ώστε x(t) = x(t+t) για κάθε t. Ορθογωνικό σήμα
Απεικόνιση της σύνθεσης µιας συχνότητας µε µια τριπλάσια και µε σχέση πλατών 4:1 S 1 (t) A T1=T S1(t) S 2 (t) T2=T/3 A/4 S2(t) s (t) = sin 2! " f " t 1 ( ) s 2(t) = sin #$ 2! "( 3 f )" t%& S(t) S(t) s(t) ( ) "( )" = sin 2! " f " t + sin #$ 2! 3 f t%&
Κάθε σήµα µπορεί να περιγραφεί µε τουλάχιστον δύο ισοδύναµους τρόπους: α) σαν συνάρτηση του χρόνου (στο πεδίο του χρόνου) β) σαν συνάρτηση της συχνότητας (στο πεδίο των συχνοτήτων) Η ισοδυναµία προκύπτει από τη σχέση της περιόδου Τ ενός σήµατος και της συχνότητάς του f, δηλαδή f = 1/T
Στην περίπτωση µελέτης σήµατος στο πεδίο των συχνοτήτων οι συχνότητες απεικονίζονται µε γραµµές κάθετες στον άξονα των συχνοτήτων που ονοµάζονται φασµατικές γραµµές. Τα σήµατα µε πολλές συνιστώσες συχνότητες ορίζουν ένα φάσµα (περιοχή) συχνοτήτων όπως π.χ. το φάσµα της ανθρώπινης φωνής. f 2f 3f 4f 5f 4 KHz
Η παραµόρφωση ενός σήµατος είναι εξαιρετικά σηµαντικό πρόβληµα Παραµόρφωση συχνότητας έχουµε όταν αλλοιώνεται το φάσµα ενός σήµατος συνήθως λόγω επιλεκτικής εξασθένησης µερικών συχνοτήτων (φιλτράρισµα) Όταν συµβαίνει αυτό στις υψηλές συχνότητες τετραγωνικών παλµών, εµφανίζονται παλµοσειρές όπως η διπλανή. Όταν προστίθενται ανεπιθύµητες συχνότητες π.χ. σε ηµιτονική κυµατοµορφή, εµφανίζεται κυµατοµορφή µε θόρυβο.
Μετατροπή αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό Μια π.χ. ηµιτονική κυµατοµορφή υφίσταται δειγµατοληψία του πλάτους της (Α) σε τακτά χρονικά διαστήµατα ( t). Το αποτέλεσµα είναι η καταγραφή ζευγών τιµών (t,α) που τείνουν να αποδώσουν την αρχική ηµιτονική κυµατοµορφή. Κατ αυτό τον τρόπο ψηφιοποιούνται τα αναλογικά σήµατα και καθίστανται απρόσβλητα από παραµόρφωση συχνότητας & θόρυβο.
Η αλλοίωση του πλάτους αναλογικού σήµατος µπορεί να το αχρηστεύσει αν πρόκειται για µουσικό σήµα διότι είναι βασικό µέρος της πληροφορίας. Στο ψηφιακό σήµα η πληροφορία είναι πρακτικά ανεξάρτητη του πλάτους των τετραγωνικών παλµών το οποίο, µε την εξέλιξη της τεχνολογίας, γίνεται διαρκώς µικρότερο. Εξαρτάται από τη διαδοχή των παλµών. Η σµίκρυνση του πλάτους των παλµών συνεπάγεται ηλεκτρικές πηγές µικρότερης τάσης, µικρότερες διαστάσεις ηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωµάτων, µικρότερη κατανάλωση ενέργειας, ταχύτερες διαδικασίες, µικρότερο όγκο και βάρος και συνεπώς φορητότητα.