🔴Ε2 - Μετάδοση Πληροφορίας

2.1. Αναλογικά και Ψηφιακά Σήματα

Στις επικοινωνίες και τα δίκτυα υπολογιστών τα σήματα που χρησιμοποιούμε είναι σχεδόν πάντοτε περιοδικά. Περιοδικά σήματα (periodic) λοιπόν είναι τα σήματα, που κάθε στιγμιότυπό τους επαναλαμβάνεται μετά από ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα. Το πιο βασικό χαρακτηριστικό ενός περιοδικού σήματος είναι η περίοδος. Περίοδος (period - T) είναι ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών όμοιων στιγμιότυπων.

2.1.2. Σήμα Συνεχούς – Διακριτού Χρόνου

• Στην καθημερινή μας ζωή υπάρχουν σήματα που μεταβάλλονται συνεχώς και επιπλέον η παρακολούθησή τους είναι επίσης συνεχής, τα σήματα αυτά ονομάζονται σήματα συνεχούς χρόνου (continuous time signals).
• Επίσης στην καθημερινή μας ζωής υπάρχουν σήματα που δεν μεταβάλλονται συνεχώς ή η παρακολούθησή τους δεν είναι συνεχής, τα σήματα αυτά ονομάζονται σήματα διακριτού χρόνου (discrete time signals).

2.1.3. Αναλογικά & Ψηφιακά Σήματα

• Στην καθημερινή μας ζωή γνωρίζουμε σήματα που μπορούν να πάρουν οποιαδήποτε τιμή σε ένα διάστημα τιμών. Ως Αναλογικά σήματα (analog signals), τα οποία αναπαρίστανται ως χρονικά μεταβαλλόμενες κυματομορφές, ορίζουμε τα σήματα, που το πλάτος τους σε κάθε χρονική στιγμή μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, ανάμεσα σε δύο ακραίες τιμές.
• Επίσης στην καθημερινή μας ζωή, γνωρίζουμε σήματα που μπορούν να πάρουν μόνο διακριτές τιμές. Ως Ψηφιακά σήματα (digital signals) τα οποία αναπαρίστανται, με σειρές από παλμούς, ορίζουμε τα σήματα, που το πλάτος τους σε κάθε χρονική στιγμή μπορεί να πάρει μόνο μερικές διακριτές τιμές.
   

Παράδειγμα 1:

Παράδειγμα 2:

Σκεφτείτε τον παραλληλισμό να κατεβαίνεις με το ποδήλατό σου έναν κατηφορικό δρόμο:

Ο «ψηφιακός δρόμος» θα είναι λίγο πιο απότομος γιατί δεν είναι συνεχής. Ο «αναλογικός δρόμος» θα είναι πιο ομαλός γιατί ειναι συνεχής.

Όσο μικρότερη είναι η διαφορά δύο τιμών (σκαλοπατιών) τόσο λιγότερο αισθητή γίνεται η εναλλαγή.

Παράδειγμα 3:

💪🏻Δραστηριότητα: 

🏦📄Τράπεζα Θεμάτων 🏦📄

2.2. Κωδικοποίηση Ψηφιακού Σήματος

2.2.1. Η έννοια της διαμόρφωσης

Διαμόρφωση

Η διαμόρφωση (modulation) στις τηλεπικοινωνίες είναι η διαδικασία συστηματικής μεταβολής ενός περιοδικού σήματος, με σκοπό την κωδικοποίηση του, ώστε να μεταφερθεί κωδικοποιημένη η πληροφορία.

• Το σήμα το οποίο διαμορφώνεται, ονομάζεται φέρον και το σήμα που παράγεται διαμορφωμένο.
  • Διαμόρφωση Πλάτους (Amplitude Modulation - AM)
  • Διαμόρφωση Συχνότητας (Frequency Modulation - FM)
    
• Με τη βοήθεια της διαμόρφωσης, η πληροφορία μεταδίδεται πιο εύκολα μέσα στο μέσο μετάδοσης (κανάλι).
• Όταν όμως το διαμορφωμένο σήμα φθάσει στο δέκτη, η πληροφορία πρέπει να ανακτηθεί από το διαμορφωμένο σήμα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αποδιαμόρφωση (demodulation).

2.2.3. Ψηφιακή Διαμόρφωση (Κωδικοποίηση) Αναλογικού Σήματος

Κατά την ψηφιακή διαμόρφωση και στις περισσότερες των περιπτώσεων απαιτείται η μετάδοση δύο συμβόλων που αντιστοιχούν στα δυαδικά ψηφία 0 και 1. Ο καλλύτερος τρόπος για να μεταδοθεί το σήμα σε ένα φυσικό μέσο είναι να χρησιμοποιηθεί συνεχής, ημιτονοειδής κυματομορφή.

• Διαμόρφωση Μεταλλαγής Πλάτους (Amplitude Shift Keying - ASK)
• Διαμόρφωση Μεταλλαγής Συχνότητας (Frequency Shift Keying - FSK)
• Διαμόρφωση Μεταλλαγής Φάσης (Phase Shift Keying - PSK)

2.3. Ρυθμός Μετάδοσης Πληροφορίας

Η πληροφορία όσο και αν ακούγεται απίστευτο, είναι μετρήσιμο μέγεθος. Κάθε μήνυμα που μεταδίδεται μπορεί να έχει από καθόλου (0) μέχρι τη μέγιστη πληροφορία. Για παράδειγμα αν ισχυριστούμε ότι κάποτε σε κάποιο μέρος της Ελλάδος θα βρέξει, δεν μεταδίδουμε ουσιαστικά καμιά πληροφορία. Αν αντίθετα ισχυριστούμε ότι την τάδε ημέρα, τη συγκεκριμένη ώρα σε ένα πολύ μικρό μέρος θα βρέχει, δίνουμε μια πολύ χρήσιμη και άρα με μεγάλη αξία πληροφορία.

Γενικά όταν μεταδίδουμε ένα μήνυμα m, η πληροφορία που αυτό περιέχει, είναι αντιστρόφως ανάλογη της πιθανότητας να συμβεί. 

Συμβολικά Information ≈ 1/Pm. Περισσότερο αυστηρά, η πληροφορία (I) που περιέχεται σε ένα μήνυμα m, το οποίο έχει πιθανότητα Pm να συμβεί, δίδεται από τη σχέση:

Παράδειγμα 1

Για παράδειγμα αν το μήνυμα m είναι το ακόλουθο: «Τώρα είναι πριν τις 12:00΄» έχει ακριβώς 50% να είναι σωστό. Άρα Pm=0.5 ⇒ log2(Pm)=-1 ⇒ -log2(Pm)=1. Από το παράδειγμα, προκύπτει ότι η πληροφορία που υπάρχει σε ένα μήνυμα που έχει ακριβώς 50% πιθανότητες να συμβεί, είναι 1 bit. Αντιστοίχως εάν οι πιθανότητες είναι 25%, τότε η πληροφορία είναι 2 bits, 12,25% 4 bits κ.ο.κ.

💪🏻Δραστηριότητα

Πόσα bits χρειαζόμαστε για να μεταφέρουμε την πληροφορία πόσα από τα μέλη μίας οικογένειας με 2 γονείς και 3 παιδιά θα πάνε στην παραλία για μπάνιο τελικά;  

2.4. Θεμελιώδεις Τρόποι Μετάδοσης Ψηφιακού Σήματος

Παράλληλη Μετάδοση

Όπως ήδη από το Γυμνάσιο είναι γνωστό κατά την παράλληλη μετάδοση δεδομένων (parallel data transmission), όλα τα ψηφία (bits) μιας ψηφιολέξης (byte) μεταδίδονται ταυτόχρονα μέσω ισάριθμων διαφορετικών γραμμών. Η μέθοδος αυτή είναι εξαιρετικά εύχρηστη για μικρές αποστάσεις αλλά η απαίτηση για μεγάλο πλήθος καναλιών δεν βοηθά για μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις.

Σειριακή Μετάδοση

Η σειριακή μετάδοση δεδομένων (serial data transmission), δεν απαιτεί διαφορετικό κανάλι για κάθε χαρακτήρα και τα ψηφία κάθε ψηφιολέξης, μεταδίδονται ακολουθιακά το ένα πίσω από το άλλο από τη «ίδια» γραμμή. Με τα νέα πρωτόκολλα επικοινωνίας η σειριακή μετάδοση έχει επιτρέψει τη γρήγορη επικοινωνία μεταξύ απομακρυσμένων υπολογιστών και κάθε είδους περιφερειακής συσκευής.

💪🏻 Δραστηριότητα

Σύγχρονη Μετάδοση

Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρχει καλωδιακή σύνδεση μεταξύ των συστημάτων αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν τα συστήματα βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος στη σύγχρονη μετάδοση δεδομένων (synchronous data transmission) μαζί με τα δεδομένα μεταδίδεται και το σήμα χρονισμού.

Ασύγχρονη Μετάδοση

Στην ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων (asynchronous data transmission) επιτυγχάνεται συγχρονισμός σε κάθε μεταδιδόμενη ψηφιολέξη. Στη συσκευή εκπομπής, ένας – ένας οι χαρακτήρες πλαισιώνονται από bits χρονισμού που βοηθούν τη συσκευή λήψης να συγχρονιστεί με τον πομπό.

2.5. Πολυπλεξία

Πολυπλεξία (multiplexing) είναι η τεχνική, που επιτρέπει δεδομένα από πολλές πηγές να μεταδίδονται “ταυτόχρονα” μέσα από την “ίδια” γραμμή επικοινωνίας. Έτσι γίνεται καλύτερη αξιοποίηση των τηλεπικοινωνιακών γραμμών υψηλής χωρητικότητας. Οι πιο σημαντικές τεχνικές πολυπλεξίας είναι η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας και η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου.

Πολυπλεξία Διαίρεσης (Επιμερισμού) Συχνότητας

Η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Frequency Division Multiplexing - FDM) είναι μία τεχνική που χρησιμοποιείται κυρίως για τη μετάδοση αναλογικών σημάτων. Το εύρος ζώνης47 του τηλεπικοινωνιακού καναλιού διαιρείται σε ζώνες συχνοτήτων που ονομάζονται κανάλια. Η μετάδοση των σημάτων γίνεται ταυτόχρονα σε όλα κανάλια που έχουν οριστεί.

Παράδειγμα:

Παράδειγμα πολυπλεξίας FDM είναι η πολυπλεξία στη ραδιοφωνική ζώνη. Στη ζώνη των FM (περίπου 80 – 110 MHz) κάθε ραδιοφωνικός σταθμός λαμβάνει μια ζώνη μέσα στην οποία μπορεί να μεταβάλλει το σήμα του.

Πολυπλεξία Διαίρεσης (Επιμερισμού) Χρόνου

Η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (Time Division Multiplexing - TDM) είναι κυρίως μια τεχνική ψηφιακής μετάδοσης σημάτων και χρησιμοποιείται ευρέως στην επικοινωνία ηλεκτρολογικών υπολογιστών. Ο χρόνος διαιρείται σε χρονοθυρίδες (timeslots) και η μεταφορά των σημάτων γίνεται με μια λογική σειρά από τον έναν υπολογιστή στον άλλο.

Παράδειγμα:

Παράδειγμα πολυπλεξίας TDM είναι το δίκτυο του σχολικού εργαστηρίου όπου για ένα μικρό χρονικό διάστημα εκπέμπει ένας υπολογιστής ένα μήνυμα σε όλους και την ίδια στιγμή κανένας άλλος δεν μπορεί να το κάνει.

2.6. Μεταγωγή

Γενικά η μεταφορά δεδομένων από ένα υπολογιστικό σύστημα σε ένα άλλο ονομάζεται μεταγωγή (switching).

Μεταγωγή Κυκλώματος

Η μεταγωγή κυκλώματος αποτελεί την πρώτη και πιο απλή μέθοδο μεταγωγής. Κατά τη μεταγωγή κυκλώματος (circuit switching) γίνεται (αποκαθίσταται) μια φυσική σύνδεση μεταξύ των υπολογιστών που επικοινωνούν και η οποία διατηρείται σε όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας.

Παράδειγμα

Παράδειγμα αυτής της μεταγωγής είναι η επικοινωνία μεταξύ συνομιλητές που επικοινωνούν μέσω τηλεφώνου.

Μεταγωγή Μηνύματος

Στη μεταγωγή μηνύματος (messages switching) τα δεδομένα αποστέλλονται με τη μορφή ολοκληρωμένου μηνύματος που μεταδίδεται σχεδόν όπως στάλθηκε από τον αρχικό κόμβο, ανεξάρτητα από το μέγεθός του. Το δίκτυο προωθεί το μήνυμα από κόμβο σε κόμβο μέχρι να φτάσει στον προορισμό του.

Παράδειγμα

Μακροσκοπικό παράδειγμα είναι τα μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου που μέχρι ένα ορισμένο μέγεθος μεταδίδονται ολόκληρα από τον αποστολέα στον παραλήπτη περνώντας διαδοχικά από εξυπηρετητές ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Η τεχνική αυτή έχει προφανή πλεονεκτήματα αλλά σε μεγάλα μηνύματα δεν μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά. Για το λόγο αυτό, έχει αντικατασταθεί από τη μέθοδο μεταγωγής πακέτου.

Μεταγωγή Πακέτου

Η τεχνική προώθησης πληροφορίας που έδωσε μεγάλη ώθηση στην ανάπτυξη των δικτύων (κυρίως ευρείας περιοχής) ήταν η τεχνική της μεταγωγής πακέτων (packet switching). Σύμφωνα με αυτή την τεχνική, τα μηνύματα χωρίζονται σε πακέτα (σταθερού ή μεταβλητού μεγέθους). Τα πακέτα προωθούνται ξεχωριστά μέσω των λεγομένων κόμβων μεταγωγής πακέτων (packet switching nodes) ή όπως αυστηρότερα λέγεται μέσω του «επικοινωνιακού υποδικτύου).

📝🔗 Ερωτηματολόγιο 📝🔗