ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ.

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ

3.1 Εισαγωγή στις τηλεπικοινωνίες

Ο όρος τηλεπικοινωνίες αναφέρεται στο σύνολο των μέσων και των απαραίτητων τεχνικών, για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ δύο ή περισσότερων ανταποκριτών σε οποιαδήποτε απόσταση με υψηλή πιστότητα και αξιοπιστία.

Με άλλα λόγια οι τηλεπικοινωνίες είναι το εργαλείο ή τα εργαλεία, που ικανοποιούν τη ζωτική ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία. Αυτή η ανάγκη είναι τόσο παλιά όσο και ο άνθρωπος.

Παλιότερα περιοριζόταν σε ανταλλαγή φωνητικών μηνυμάτων. Σήμερα συνεχώς διευρύνεται και οι προς ανταλλαγή πληροφορίες ποικίλουν στη φύση και το χαρακτήρα τους. Περιοριζόμενοι στις βασικότερες πρέπει να αναφέρουμε:

• Τις ακουστικές πληροφορίες, τα φωνητικά ή γενικότερα τα ηχητικά μηνύματα.
• Τις οπτικές εικόνες ή γενικότερα τα οπτικά (Video) μηνύματα.
• Τα σήματα δεδομένων μεταξύ υπολογιστών ή μεταξύ αυτόματων μηχανών κ.α.

Ο τρόπος που εκδηλώνεται η ανάγκη για επικοινωνία επίσης ποικίλει.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τα πράγματα, ας αναφερθούμε στο σχήμα 3.1.1. Αυτόν που στέλνει ένα μήνυμα, μιά πληροφορία, τον αποκαλούμε ‘πομπό’. Αυτόν που λαμβάνει το μήνυμα, τον αποδέκτη, δηλαδή, τον αποκαλούμε απλά ‘δέκτη’. Στο σχήμα αυτό οι όροι πομπός και δέκτης αναφέρονται στους ανταποκριτές χρήστες, οι οποίοι διαθέτουν κάποιο ηλεκτρονικό σύστημα, για να μπορούν να στείλουν ή να πάρουν ένα μήνυμα.

Σε ένα απλό ή σύνθετο σύστημα επικοινωνίας, σαν αυτό του σχήματος, ο ανταποκριτής πομπός είναι πάντοτε προσδιορισμένος, αντίθετα ο ανταποκριτής δέκτης μπορεί να είναι προσδιορισμένος, όπως στην τηλεφωνία, ή αόριστος, όπως στη ραδιοφωνία ή την τηλεόραση.
Στο σχήμα 3.1.1 απεικονίζεται ένα μονόδρομο σύστημα επικοινωνίας. Δηλαδή, κάποιος αποστέλλει μηνύματα και κάποιος ή κάποιοι απλώς λαμβάνουν τα μηνύματα αυτά. Παραδείγματα τέτοιου συστήματος αποτελούν η ραδιοφωνία , η τηλεόραση κ.λ.π. Υπάρχουν τηλεπικοινωνιακά συστήματα που επιτρέπουν αμφίδρομη (και προς τις δύο κατευθύνσεις) επικοινωνία μεταξύ των χρηστών. Καθένας είναι συγχρόνως και πομπός και δέκτης, όπως στην κλασική ενσύρματη τηλεφωνία, τη ραδιοτηλεφωνία ή την κινητή τηλεφωνία. Ένα τέτοιο σύστημα με δύο ανταποκριτές απεικονίζεται στο σχήμα 3.1.2α. Γενικεύοντας έχουμε αμφίδρομα συστήματα επικοινωνιών για περισσότερους χρήστες. Σε αυτήν την περίπτωση μιλάμε για δίκτυο επικοινωνιών. Στο σχήμα 3.1.2.β απεικονίζεται ένα τέτοιο απλό δίκτυο με τρεις ανταποκριτές.

Σημειώσαμε νωρίτερα ότι οι πληροφορίες που θέλουμε να στείλουμε μακριά με ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα ποικίλουν. Μπορεί να είναι ακουστικά μηνύματα όπως ομιλία, μουσική. Μπορεί να είναι μια φωτογραφία, μιά εικόνα, ένα κείμενο κ.λ.π. Μπορεί να είναι σήματα απλών εντολών, όπως η εντολή για την αυτόματη εκκίνηση μιάς μηχανής, ενός κινητήρα, το άνοιγμα ή το κλείσιμο ενός ρελαί κ.α.

Το μέσον που χρησιμοποιούμε για να στείλουμε αυτές τις πληροφορίες επίσης ποiκίλλει και μπορούμε να διαλέξουμε πολλούς τρόπους. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ενσύρματη μετάδοση, δηλαδή καλώδιο. Ως παράδειγμα αναφέρουμε την απλή τηλεφωνία που γνωρίζουμε όλοι μας όπου το ηχητικό σήμα μετατρέπεται σε ρεύμα και διατρέχει το καλώδιο. Μπορούμε να επιλέξουμε ασύρματη μετάδοση, δηλαδή να χρησιμοποιήσουμε, όπως θα δούμε στην επόμενη παράγραφο, ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Πάλι ως παράδειγμα αναφέρουμε τη ραδιοφωνία, την τηλεόραση, το ραντάρ (radar), που είναι μάλιστα μονόδρομα συστήματα. Αμφίδρομο σύστημα ασύρματης επικοινωνίας είναι η κινητή τηλεφωνία, η οποία στις μέρες μας έχει τεράστια ανάπτυξη. Σήμερα προσφέρονται επίσης οι οπτικές επικοινωνίες, όπου τα μηνύματα που θέλουμε να στείλουμε μετατρέπονται σε φώς, που στη συνέχεια παγιδεύεται και μεταδίδεται σε ειδικό γυάλινο καλώδιο, το οποίο ονομάζεται οπτική ίνα (σχήμα 3.1.3γ).

Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται ευρύτατα από τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισμούς των διάφορων χωρών, για συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, ενώ σιγά σιγά η χρήση τους επεκτείνεται και σε εφαρμογές τοπικών δικτύων. Πρέπει τέλος να σημειώσουμε ότι υπάρχουν μεγάλα δίκτυα επικοινωνιών, που αποτελούν συνδυασμό όλων των παραπάνω τρόπων μετάδοσης. Συμπερασματικά πρέπει να πούμε ότι, με βάση τις ανάγκες επικοινωνίας και ψυχαγωγίας του σύγχρονου ανθρώπου και του τρόπου αξιοποίησης των μέσων και μεθόδων που διατίθενται, υπάρχει μεγάλη ποικιλία συστημάτων επικοινωνίας που εξυπηρετούν διαφορετικές εφαρμογές. Αναφέρουμε συνοπτικά τα εξής:

Ραδιοφωνία, Τηλεόραση, Τηλεφωνία, Τηλεγραφία (για την αποστολή κειμένων), Τηλεομοιοτυπία (Fax), Modems για επικοινωνία υπολογιστών, Ραδιοτηλεφωνία, Ραντάρ, Δορυφορικά συστήματα εκπομπής και λήψης , Οπτικές ίνες.

Αυτά τα συστήματα διαφέρουν στη φύση των διακινούμενων πληροφοριών και στα χαρακτηριστικά του μέσου με το οποίο γίνεται η επικοινωνία. Διαφέρουν επίσης στον κατευθυντικό ή όχι χαρακτήρα των πληροφοριών. Για παράδειγμα, στη ραδιοφωνία έχουμε ασύρματη ζεύξη, οι πληροφορίες είναι ακουστικά σήματα και απευθύνονται σε πολλούς και ανώνυμους ακροατές. Στην περίπτωση της ραδιοτηλεφωνίας το μήνυμα απευθύνεται σε συγκεκριμένο ανταποκριτή, με τον οποίο θέλουμε να επικοινωνήσουμε. Αυτές οι τρείς διαφορές – χαρακτηριστικά καθορίζουν το σωστό σχεδιασμό κάθε τηλεπικοινωνιακού συστήματος.

Στο σημείο αυτό πρέπει να σχολιάσουμε κάτι σημαντικό. Αυτά που ονομάσαμε μηνύματα ή πληροφορίες, δηλαδή την ομιλία, τή μουσική, την εικόνα, είναι φυσικές διεργασίες, οι οποίες δεν έχουν αρχικά σχέση με την ηλεκτρονική και τις τηλεπικοινωνίες. Στα κεφάλαια (1) και (2) τις εξετάσαμε αναλυτικά καθώς και τον τρόπο παραγωγής τους. Ο ήχος είναι αυξομειώσεις της πίεσης του αέρα που διεγείρουν το όργανο της ακοής. Το οπτικό σήμα είναι αυξομειώσεις της έντασης του φωτός που διεγείρουν το όργανο της όρασης. Είναι προφανές ότι αυτά τα αρχικά φυσικά δεδομένα πρέπει να προετοιμαστούν κατάλληλα, για να σταλούν μακριά με κάποια μεθοδολογία, με κάποιο τηλεπικοινωνιακό σύστημα.

Με την προετοιμασία των πληροφοριών θα ασχοληθούμε αναλυτικότερα στις επόμενες παραγράφους.

3.2 Σήματα και συστήματα

Σημειώσαμε στην προηγούμενη παράγραφο ότι τα αρχικά φυσικά δεδομένα (ήχος, εικόνα) που έχει ανάγκη ο άνθρωπος για επικοινωνία δεν είναι διεργασίες που ανήκουν στο χώρο της ηλεκτρονικής, αλλά προέρχονται από άλλους τομείς της φυσικής. Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρονικά κυκλώματα και συστήματα με τα οποία δημιουργείται ένα σύνθετο τηλεπικοινωνιακό σύστημα επεξεργάζονται μόνον ηλεκτρικές τάσεις και ηλεκτρικά ρεύματα.

Είναι λοιπόν απαραίτητο αρχικά σε οποιοδήποτε απλό ή σύνθετο σύστημα να γίνει η μετατροπή του φυσικού μεγέθους της πληροφορίας σε ηλεκτρική τάση ή ρεύμα. Το μικρόφωνο, το οποίο γνωρίσαμε στο πρώτο κεφάλαιο, αναλαμβάνει αυτόν τον ρόλο στην περίπτωση του ήχου. Το φωτοκύτταρο της κάμερας, το οποίο γνωρίσαμε στο δεύτερο κεφάλαιο, μετατρέπει τις αυξομειώσεις του φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα για τα οπτικά σήματα.

Το μικρόφωνο ή το φωτοκύτταρο που κάνουν αυτήν τη μετατροπή απεικονίζονται στο σχήμα 3.2.1 στην αρχή με την ονομασία «αισθητήρας μετατροπέας 1». Το ηλεκτρικό μέγεθος στην έξοδο του αισθητήρα αντιπροσωπεύει πιστά το μέγεθος της εισόδου. Θα το αποκαλούμε στη συνέχεια ‘ηλεκτρικό βασικό σήμα’ ή απλούστερα ‘βασικό σήμα’ ή ‘απλώς σήμα’. Είναι προφανές ότι αυτό το βασικό σήμα πρέπει να υποστεί στην συνέχεια επεξεργασία, για να προετοιμαστεί κατάλληλα και ‘να ταξιδέψει’ στο μέσο μετάδοσης, έως τον ανταποκριτή αποδέκτη.

Ο αποδέκτης του σήματος διαθέτει το σύστημα λήψης του σήματος, που ενδεχομένως απαιτεί νέα επεξεργασία, ώστε στην έξοδο να δώσει την ηλεκτρική τάση ή το ρεύμα που αντιπροσωπεύει το αρχικό μήνυμα. Στο τελικό στάδιο σε αυτή την αλυσίδα ο ‘αισθητήρας μετατροπέας 2’, εκτελεί την αντίστροφη λειτουργία σε σχέση με τον μετατροπέα 1, δηλαδή διαγειρόμενος από το αντίστοιχο ηλεκτρικό μέγεθος αποδίδει στην έξοδο το αρχικό δεδομένο, που τελικά είναι αυτό που περιμένει και κατανοεί ο χρήστης. Αυτός ο μετατροπέας είναι το μεγάφωνο ή το ακουστικό (κεφάλαιο 1) στην περίπτωση ηχητικών σημάτων και η φωτοευαίσθητη επιφάνεια της οθόνης στην περίπτωση οπτικού (τηλεοπτικού) σήματος (κεφάλαιο 2). Πράγματι ο χρήστης – άνθρωπος δεν κατανοεί τα ρεύματα ή τις ηλεκτρικές τάσεις. Θέλει να ακούσει τον ήχο, να δεί την εικόνα.

Για να κατανοήσουμε πλήρως τη λειτουργία του σχήματος 3.2.1 και την ανάγκη επεξεργασίας του σήματος στον πομπό και το δέκτη, θα αναφερθούμε σε απλά παραδείγματα που, σε συνδυασμό με την καθημερινή μας εμπειρία, θα μας διευκολύνουν.

Παράδειγμα 1: Ας υποθέσουμε ότι το σύστημα του σχήματος 3.2.1 αφορά την φωνητική επικοινωνία δύο ανταποκριτών μέσω καλωδίου (ενσύρματα) και προς μια κατεύθυνση (μονόδρομη). Πηγή πληροφορίας είναι οι φωνητικές χορδές. Στην έξοδο του μικροφώνου το σήμα είναι συνήθως ασθενές. Πρέπει λοιπόν να ενισχυθεί, ώστε με αρχικά μεγάλη ισχύ να ταξιδέψει στο καλώδιο. Η επεξεργασία του σήματος σε αυτήν την απλή περίπτωση είναι η ενίσχυση του. Στο καλώδιο το σήμα, λόγω μετατροπής μέρους της ενέργειας του σε θερμική (φαινόμενο Joule), χάνει την ισχύ του, αποσβήνεται και γίνεται ασθενέστερο τόσο όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του καλωδίου.

Στη λήψη το σήμα πρέπει να ενισχυθεί. Η επεξεργασία του, δηλαδή, είναι πάλι η απλή ενίσχυση, ώστε να είναι ικανό να διεγείρει το μεγάφωνο ή το ακουστικό.   

Παράδειγμα 2: Υποθέτουμε ότι το σύστημα 3.2.1 αναφέρεται στην αμφίδρομη φωνητική επικοινωνία ενσύρματα δύο ανταποκριτών, δηλαδή αφορά την αποστολή και λήψη μηνύματος προς τις δύο κατευθύνσεις με μέσο το ίδιο καλώδιο, όπως στην περίπτωση μιάς τηλεφωνικής σύνδεσης. Στο σχήμα 3.2.3 φαίνεται κατ΄αρχάς ότι τα στάδια επεξεργασίας είναι διπλά και περιλαμβάνουν ενίσχυση του σήματος προς τις δύο κατευθύνσεις και βεβαίως τους απαραίτητους μετατροπείς, μικρόφωνο και μεγάφωνο, στους δύο ανταποκριτές.

Το στάδιο που εμφανίζεται στο σχήμα με τον όρο ‘συζεύκτης σήματος’ έχει ως ρόλο να προσανατολίσει τη ροή του σήματος πρός την κατάλληλη φορά. Το σήμα (1) πρέπει να κατευθυνθεί προς τη φορά του αντίστοιχου βέλους, το σήμα (2) προς την αντίστοιχη δική του. Ο συζεύκτης σήματος, που τον συναντούμε σε κάθε τηλεφωνική συσκευή, κατασκευάζεται με πολλούς τρόπους. Συνήθως είναι ένας διαφορικός μετασχηματιστής, που επιτρέπει να ακούμε στο
τηλέφωνο το σήμα του συνομιλητή μας και όχι τη δική μας φωνή. Τη δική μας φωνή την ακούει ο συνομιλητής μας. Να λοιπόν που σε ένα συνθετότερο σύστημα απαιτείται διαδικασία και επεξεργασία του σήματος πιό πολύπλοκη.

Παράδειγμα 3: Το σύστημα 3.2.1 αφορά τη μονόδρομη αποστολή δεδομένων από υπολογιστή με καλώδιο οπτικής ίνας. Όπως είναι γνωστό, τα δεδομένα στην έξοδο ενός υπολογιστή είναι μιά αλληλουχία των ψηφίων ‘0’ και ‘1’ (παράδειγμα 00111001), που αντιπροσωπεύουν τα σύμβολα του αλφαβήτου και τα σημεία στίξεως. Γνωρίζουμε επίσης ότι το ‘0’ υλοποιείται με τάση 0 Volt, και το ‘1’ με τάση 5 Volt. Για να στείλουμε ένα τέτοιο μήνυμα μέσω οπτικής ίνας, είναι ανάγκη αυτά τα σύμβολα να μετατραπούν με κάποια ειδική διάταξη (δίοδο ή laser) σε φώς και να ταξιδέψουν μέσω της οπτικής ίνας (σχήμα 3.2.4).

Είναι προφανές επίσης ότι το φώς που θα φτάσει στον οπτικό δέκτη πρέπει με άλλη αντίστροφη διάταξη (φωτοδίοδο, φωτοτρανζίστορ) να μετατραπεί πάλι σε τάση, ώστε ο υπολογιστής να το αντιστοιχίσει σε σύμβολα ‘0’ και ‘1’.

Παράδειγμα 4: Ας υποθέσουμε ότι το σύστημα 3.2.1 αφορά τη ραδιοφωνία και την αποστολή μηνυμάτων ομιλίας και μουσικής ασύρματα με ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε έναν ή περισσότερους ανταποκριτές – ακροατές.

Ας εξετάσουμε χωρίς πολλές λεπτομέρειες την απαραίτητη βασική επεξεργασία που απαιτείται από την πλευρά του πομπού. Οι ηχητικές πηγές συνήθως είναι περισσότερες από μια, φωνή, μουσική, κ.λ.π. Στην έξοδο του ή των μικροφώνων απαιτείται ενίσχυση των σημάτων και στη συνέχεια ομαδοποίηση τους με τρόπο που να μην αλλοιώνονται τα αρχικά σήματα. Επόμενο στάδιο είναι η μετατροπή τους σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα, μια διαδικασία που υποψιαζόμαστε ότι είναι σαφώς πιό πολύπλοκη από αυτή των προηγούμενων παραδειγμάτων και την οποία θα εξετάσουμε σε επόμενη παράγραφο.

Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδιδόμενο στο χώρο αποσβήνεται γρήγορα. Γι’ αυτό πρέπει να ενισχυθεί πολύ, πριν ταξιδέψει στο χώρο, ώστε να μπορέσει να έχει μεγάλη εμβέλεια και να φτάσει μακριά. Ο δέκτης από την άλλη πλευρά πρέπει να είναι κατάλληλος ώστε να συλλάβει το σήμα που διαδιδόμενο εξασθένησε. Να απορρίψει ανεπιθύμητα σήματα και θόρυβο που μάζεψε το σήμα στην πορεία του και, αφού το ενισχύσει, με αντίστροφη διαδικασία να αποδώσει τα αρχικά σήματα. Αυτά πρέπει ενδεχομένως να ενισχυθούν, για να διεγείρουν το ή τα μεγάφωνα, μέσω των οποίων θα ακροαστούμε τα μηνύματα και θα απολαύσουμε τη μουσική.

Με τα προηγούμενα παραδείγματα δείξαμε ότι είναι ανάγκη στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα πρώτα να επεξεργαζόμαστε κατάλληλα τα σήματα με ειδικά κυκλώματα και στη συνέχεια να στέλνονται στον αποδέκτη τους με το διαθέσιμο μέσο, το οποίο   ονομάζουμε τηλεπικοινωνιακό δίαυλο ή κανάλι.

Ο αποδέκτης είναι υποχρεωμένος επίσης με κατάλληλα κυκλώματα να επεξεργάζεται τα λαμβανόμενα σήματα (συνήθως με αντιστροφη διαδικασία) και να τα μετατρέπει σε ωφέλιμο μήνυμα.

Προσθήκη νέου σχολίου