ΕΝΟΤΗΤΑ 3 3.0 ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όπως είναι ήδη γνωστό, ένα σύστημα επικοινωνίας περιλαμβάνει τον πομπό, το δέκτη και το κανάλι επικοινωνίας. Στην ενότητα αυτή, θα εξετάσουμε τη δομή και τα χαρακτηριστικά του καναλιού επικοινωνίας, πάντοτε σε συνάρτηση με τη μορφή των σημάτων επικοινωνίας. Στις ηλεκτρονικές επικοινωνίες τα σήματα επικοινωνίας βρίσκονται στη μορφή των : Ηλεκτρικών σημάτων Φωτεινών σημάτων Ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Στην περίπτωση χρήσης φωτεινών σημάτων, για τη μετάδοση πληροφοριών, τα ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται στον πομπό σε φωτεινά και στο δέκτη τα φωτεινά σήματα ξαναμετατρέπονται σε ηλεκτρικά. Στην περίπτωση χρήσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, για τη μετάδοση των πληροφοριών, τα ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται στον πομπό σε ηλεκτρομαγνητικά και στο δέκτη τα ηλεκτρομαγνητικά ξαναμετατρέπονται σε ηλεκτρικά. Έτσι, παρατηρούμε ότι το βασικό σήμα, είναι το ηλεκτρικό και τα άλλα δύο προέρχονται από μεταλλαγές του ηλεκτρικού σήματος. Τα ηλεκτρικά σήματα προέρχονται επίσης, από μεταλλαγές άλλων φυσικών καταστάσεων και φαινομένων, όπως για παράδειγμα, της φωνής, της εικόνας, άλλων δεδομένων και πληροφοριών.
Για τη μεταφορά των ηλεκτρικών, των φωτεινών και των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων χρησιμοποιούνται μέσα τα οποία παρουσιάζουν μικρή αντίσταση στη μεταφορά και διάδοσή τους, δηλαδή : Για τη μεταφορά των ηλεκτρικών σημάτων χρησιμοποιούνται χάλκινα καλώδια. Για τη μεταφορά των φωτεινών σημάτων χρησιμοποιούνται καλώδια οπτικών ινών. Τέλος τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα για τη διάδοσή τους χρησιμοποιούν το χώρο γύρω από τη γη, δηλαδή τον αέρα ή το κενό. Στα σχήματα 3/1, 3/2 και 3/3 απεικονίζονται παραστατικά τα πιο πάνω. Σχήμα 3/1: Μεταφορά πληροφοριών με χάλκινα καλώδια
Σχήμα 3/2 : Μεταφορά πληροφοριών με καλώδια οπτικών ινών Σχήμα 3/3 : Μεταφορά πληροφοριών με ηλεκτρομαγνητικά κύματα 3.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Στην υποενότητα αυτή θα αναφερθούμε σε βασικά μεγέθη με τα οποία χαρακτηρίζεται ένα κανάλι επικοινωνίας και τα οποία χρησιμεύουν για την αξιολόγηση και την επιλογή του καναλιού. 3.1.1 ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Χωρητικότητα καναλιού είναι η μέγιστη ποσότητα πληροφορίας στη μονάδα του χρόνου που μπορεί να μεταφέρει το κανάλι.
Μονάδα μέτρησης της πληροφορίας είναι το bit. Έτσι, η χωρητικότητα καναλιού εκφράζεται σε kbit/s (10 bit/s), Mbit/s (10 bit/s), ή σε Gbit/s (10 bit/s). 3.1.2 ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Η χωρητικότητα του καναλιού έχει άμεση σχέση με το εύρος ζώνης συχνοτήτων που μπορεί να μεταφέρει το κανάλι. Το εύρος ζώνης συχνοτήτων, μπορεί να ορισθεί ως η μέγιστη συχνότητα που είναι δυνατό να μεταφέρει το κανάλι. Όσο μεγαλώνει η συχνότητα του σήματος, τόσο εξασθενίζει το σήμα στο κανάλι κατά τη μεταφορά του. 3.1.3 ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ Η εξασθένιση του σήματος ορίζεται το πόσο μειώνεται η στάθμη της ισχύος σε ένα σήμα, κατά τη μετάδοσή του μέσα από ένα κανάλι. Η εξασθένηση μετράται σε db ανά μονάδα μήκους, για παράδειγμα 3 db/km. 3.2 ΕΝΣΥΡΜΑΤΗ ΚΑΙ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ Γενικά τις ηλεκτρονικές επικοινωνίες τις διακρίνουμε στις : Ενσύρματες και Ασύρματες επικοινωνίες Η ενσύρματη επικοινωνία χρησιμοποιεί για τη μεταφορά πληροφοριών : Χάλκινα καλώδια ή Καλώδια οπτικών ινών
Η ασύρματη επικοινωνία χρησιμοποιεί για τη μεταφορά των πληροφοριών τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία διαδίδονται μέσω του αέρα ή του κενού. Έτσι για παράδειγμα, η σταθερή τηλεφωνία είναι ενσύρματη επικοινωνία και η ραδιοφωνία είναι ασύρματη επικοινωνία. Ποιο είδος επικοινωνίας ή καλύτερα ποιο κανάλι επικοινωνίας, είναι το καλύτερο ή το προτιμότερο, εξαρτάται από τη βαρύτητα ορισμένων παραγόντων που θέτουμε για την επιλογή του. Τέτοιοι παράγοντες μπορεί να είναι για παράδειγμα: Η χωρητικότητα του καναλιού Η εξασθένηση Το εύρος συχνοτήτων Η ευαισθησία από παρασιτικές τάσεις Το κόστος Τα φυσικά εμπόδια Αν πομπός ή δέκτης κινούνται κτλ. Σε ορισμένες περιπτώσεις δεν χρειάζονται μελέτες για την επιλογή του τύπου του καναλιού, όπως για παράδειγμα : Στα πλοία και αεροπλάνα η επικοινωνία είναι ασύρματη. Οι κεντρικές αρτηρίες που συνδέουν τηλεφωνικά κέντρα είναι από καλώδια οπτικών ινών. Τα καλώδια επικοινωνίας σε τοπικά δίκτυα υπολογιστών είναι χάλκινα. Η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον αέρα και των ηλεκτρικών σημάτων στα χάλκινα καλώδια είναι η ταχύτητα περίπου του φωτός,
δηλαδή 300 000 km/s. H ταχύτητα διάδοσης των φωτεινών σημάτων μέσω των οπτικών ινών είναι περίπου 200 000 km/s. 3.3 ΧΑΛΚΙΝΑ ΚΑΛΩΔΙΑ Για να επιτευχθεί η ηλεκτρική ζεύξη του πομπού με το δέκτη χρειάζεται ένα καλώδιο με δύο σύρματα. Ο αγωγός των ηλεκτρικών σημάτων είναι κατά κανόνα από χαλκό και η μόνωση του είναι συνήθως από PVC. Τα δύο σύρματα μπορεί να είναι : Συνεστραμμένα ή Ομοαξονικά Στο σχήμα 3/4 απεικονίζεται ένα καλώδιο με δύο ζεύγη συνεστραμμένων συρμάτων και στο σχήμα 3/5 απεικονίζεται ένα ομοαξονικό καλώδιο. Σχήμα 3/4 : Σχηματική παράσταση καλωδίου χάλκινων συνεστραμμένων ζευγών
Σχήμα 3/5: Σχηματική παράσταση ομοαξονικού καλωδίου Ο λόγος, που τα πιο πάνω καλώδια έχουν την προαναφερθείσα κατασκευή, είναι για να μειώσουν όσο το δυνατό περισσότερο τις εξωτερικές επιδράσεις, παρασιτικών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Παρασιτικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι δυνατό να προκληθούν, για παράδειγμα, από γειτονικούς αγωγούς που διαρρέονται από ρεύμα, από διαφορές γειτονικές ηλεκτρικές συσκευές, από πομπούς ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κτλ. Επακόλουθο της επίδρασης αυτής θα ήταν η δημιουργία παρασιτικών σημάτων, τα οποία προστιθέμενα στα σήματα της πληροφορίας τα αλλοιώνουν. Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες χάλκινων καλωδίων. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η διατομή του χάλκινου αγωγού. Όσο πιο μεγάλη είναι η διατομή του, τόσο πιο μικρή είναι η ηλεκτρική αντίσταση του καλωδίου.
Τα ομοαξονικά καλώδια έχουν καλύτερα χαρακτηριστικά από τα συνεστραμμένα καλώδια, αλλά έχουν μεγαλύτερο κόστος αγοράς και εγκατάστασης. 3.4 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Για να συνδεθεί οπτικά ένας πομπός με ένα δέκτη, χρειάζεται θεωρητικά μια οπτική ίνα. Ο οπτικός αγωγός είναι κατασκευασμένος από γυαλί με εξωτερική επικάλυψη από PVC. Το φωτεινό σήμα διατρέχει το γυάλινο αγωγό χωρίς να ξεφεύγει απ αυτό. Ο λόγος είναι, διότι οι φωτεινές ακτίνες προσκρούουν υπό τέτοια γωνία στην οριακή επιφάνεια του γυαλιού με το περίβλημά του, ώστε να υφίστανται ολική ανάκλαση. Στο σχήμα 3/6 απεικονίζεται παραστατικά η πιο πάνω λειτουργία. Σχήμα 3/6 : Διάδοση φωτεινού σήματος στην οπτική ίνα Βασικά διακρίνουμε τις οπτικές ίνες σε δύο κατηγορίες : Πολύτροπες Μονότροπες
Στο σχήμα 3/7 απεικονίζεται η διάδοση του φωτεινού σήματος στις πολύτροπες οπτικές ίνες Σχήμα 3/7 : Διάδοση φωτεινού σήματος στις πολύτροπες οπτικές ίνες Στο σχήμα 3/8 απεικονίζεται η διάδοση του φωτεινού σήματος στις μονότροπες οπτικές ίνες. Σχήμα 3/8 : Διάδοση φωτεινού σήματος στις μονότροπες οπτικές ίνες Τα οπτικά καλώδια παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των χάλκινων καλωδίων, όπως: Έχουν πολύ μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων (θεωρητικά 100 000 GHz) Έχουν πολύ μεγάλη χωρητικότητα Δεν παρουσιάζουν ευαισθησία στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή σε άλλα φυσικά φαινόμενα
Είναι πολύ πιο ελαφριά Έχουν πολύ χαμηλή απόσβεση Πολύ δύσκολα γίνονται υποκλοπές πληροφοριών Μειονεκτήματα των οπτικών καλωδίων είναι : Έχουν σχετικά υψηλό κόστος αγοράς και εγκατάστασης Παρουσιάζουν δυσκολίες στον τερματισμό τους και στη συγκόλλησή τους. Τα οπτικά καλώδια εκτοπίζουν όλο και περισσότερο τα χάλκινα καλώδια, κυρίως σε κεντρικές αρτηρίες πληροφοριών. Τα καλώδια επικοινωνίας μεγάλων αποστάσεων που εγκαθίστανται σήμερα είναι σχεδόν όλα οπτικά. Οπτικά καλώδια υπάρχουν και εγκαθίστανται υποβρύχια για την επικοινωνιακή σύνδεση των διαφόρων χωρών. 3.5 ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ ΖΕΥΞΕΙΣ Η ασύρματη μετάδοση στηρίζεται στη διάδοση σημάτων μέσω του αέρα ή του κενού που περιβάλλει τη γη, με τη χρήση των κατάλληλων κεραιών εκπομπής και λήψης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Στον πομπό υπάρχει η κεραία εκπομπής και στο δέκτη η κεραία λήψης. Το ηλεκτρικό σήμα, που είναι μια διαμορφωμένη ταλάντωση, φθάνει στην κεραία εκπομπής, η οποία ακτινοβολεί τα σήματα στη μορφή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα καταφθάνουν στην κεραία λήψης και ξαναμετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι η συχνότητά των. Στο σχήμα 3/9 παρουσιάζονται οι κυριότερες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με κριτήριο τη συχνότητα.
Σχήμα 3/9 : Κυριότερες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Οι ασύρματες ζεύξεις παρουσιάζουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Πλεονεκτήματα είναι :
Δεν χρειάζονται καλώδια μεταξύ πομπού και δέκτη και έτσι το κόστος της επικοινωνιακής ζεύξης μπορεί να είναι φτηνό. Ένας πομπός μπορεί να εκπέμπει σήματα σε πολλούς δέκτες. Ο πομπός και δέκτης μπορούν να κινούνται. Μειονεκτήματα είναι : Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι ευαίσθητα στο θόρυβο. Η ισχύς εκπομπής πρέπει να είναι σχετικά μεγάλη. Δεν υπάρχει ασφάλεια στη μετάδοση των πληροφοριών. Ορισμένες υπηρεσίες είναι αναγκασμένες να χρησιμοποιήσουν την ασύρματη επικοινωνία, όπως : Η ραδιοφωνία Η τηλεόραση Οι δορυφορικές επικοινωνίες Η κινητή τηλεφωνία κτλ. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ 1. Να αναφέρετε τα τρία είδη βασικών καναλιών, με κριτήριο τη φυσική τους κατασκευή, για τη μετάδοση πληροφοριών. 2. Να ονομάσετε δύο χαρακτηριστικά γνωρίσματα ενός καναλιού. 3. Να εξηγήσετε τι είναι το ομοαξονικό καλώδιο. 4. Να αναφέρετε τρία πλεονεκτήματα των οπτικών καλωδίων από τα χάλκινα καλώδια. 5. Να αναφέρετε δύο πλεονεκτήματα της ασύρματης επικοινωνίας από την ενσύρματη.