Συστήματα επικοινωνιών

Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Έτος: 2015

Διδάσκων: Παναγιώτης Μαθιόπουλος

Περιγραφή Μαθήματος

Σκοπός του μαθήματος είναι να παρουσιάσει μια εισαγωγή στο επιστημονικό πεδίο των (τηλε) επικοινωνιακών συστημάτων. Στα πλαίσια του μαθήματος διδάσκεται η θεωρία μετάδοσης και λήψης αναλογικών και ψηφιακών σημάτων. Μελετάται ο τρόπος λειτουργίας και υλοποίησης των κλασσικών αναλογικών (διαμόρφωση πλάτους και συχνότητας - amplitute and frequency modulation, AM & FM) καθώς επίσης η επίδοση τους σε κανάλια προσθετικού Gaussian θορύβου. Επιπλέον, διδάσκεται η θεωρία των τρόπων μετατροπής αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά καθώς επίσης παρουσιάζεται και μια εισαγωγή στη μετάδοση και λήψη ψηφιακών σημάτων σε κανάλια με προσθετικό Gaussian θόρυβο (additive white Gaussian noise - AWGN).

Video-Διαλέξεις

Διάλεξη 01: Τυχαίες διαδιακσίες και θόρυβος (2015-02-19)

Ιδιότητες συνάρτησης αυτοσυσχέτισης, φασματική πυκνότητα ισχύος, ετεροφασματική πυκνότητα ισχύος, ζωνοπερατές τυχαίες διαδικασίες. Θόρυβος. Παραδείγματα. Συνάρτηση μέσης τιμής, συνάρτηση αυτοσυσχέτισης, συνάρτηση αυτοσυνδιακύμανσης, συνάρτηση ετεροσυσχέτισης. Παραδείγματα. Στάσιμες τυχαίες διαδικασίες, στάσιμες με την ευρεία έννοια και εργοδικές τυχαίες διαδικασίες, ιδιότητες συνάρτησης αυτοσυσχέτισης.

Διάλεξη 02: Θόρυβος (2015-02-26)

Θερμικός Θόρυβος, λευκός Θόρυβος, ιδιότητες Λευκού Θορύβου, ισοδύναμο εύρος ζώνης θορύβου. Εικόνα και ενεργός θερμοκρασία θορύβου. Σύστημα τετράπολων σε σειρά, ζωνοπερατός θόρυβος, ανάλυση ζωνοπερατού θορύβου, ιδιότητες ζωνοπερατού θόρυβου. Στατιστική της περιβάλλουσας και της φάσης ζωνοπερατού θορύβου. Στατιστική της περιβάλλουσας του αθροίσματος ημιτονοειδούς σήματος και ζωνοπερατού Gaussian θορύβου.

Διάλεξη 03: Ασκήσεις (2015-03-02)

Τυχαίες διαδικασίες, φασματική πιθανότητα ισχύος. Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης, πυκνότητα ισχύος, μέση τιμή, συνάρτηση μεταφοράς, σχέση εισόδου-εξόδου, ζωνοπερατό φίλτρο, χαμηλοπερατό φίλτρο, συνάρτηση μεταφοράς, ισοδύναμο εύρος ζώνης θορύβου, ενεργός θερμοκρασία θορύβου, εικόνα θορύβου. Ζωνοπερατός θόρυβος, διακύμανση.

Διάλεξη 04: Αναλογικές επικοινωνίες (2015-03-09)

Σήματα: Βασικής ζώνης και Ζωνοπερατό, ζωνοπερατά σήματα και φίλτρα, διαμόρφωση. Αναλογικές και Ψηφιακές επικοινωνίες, διπλής πλευρικής ζώνης με συνολικό φέρον ή ΑΜ, AM-δείκτης διαμόρφωσης. ΑΜ: Ημιτονοειδές σήμα πληροφορίας, ΑΜ με μεταβολή του πλάτους του φέροντος, ΑΜ με μεταβολή του πλάτους του σήματος πληροφορίας. Διπλής πλευρικής ζώνης με συνολικό φέρον ή ΑΜ. ΑΜ: Φασματικό περιεχόμενο, ισχύς. Διαμορφωτές ΑΜ, ασύμφωνοι αποδιαμορφωτές ΑΜ, υπερδιαμόρφωση, σύμφωνοι αποδιαμορφωτές ΑΜ.

Διάλεξη 05: Αναλογικές επικοινωνίες: Φασματικό περιεχόμενο και ισχύς, DSB-AM-SC (2015-03-12)

Διπλής Πλευρικής Ζώνης με Καταργημένο Φέρον (Double Side Band-AM-Suppressed Carrier, DSB-AM-SC), διαμόρφωση DSB-AM-SC, ισοσταθμισμένος διαμορφωτής, σύμφωνη αποδιαμόρφωση DSB-AM-SC. Ο ανιχνευτής περιβάλλουσας σαν αποδιαμορφωτής DSB-SC AM.

Διάλεξη 06: Μετασχηματισμός Hilbert (2015-03-12)

Διαμόρφωση μονής πλευρικής ζώνης (Single Sideband AM, SSB-ΑΜ), Μέθοδος Ολίσθησης Φάσης. Μετασχηματισμός Hilbert, ιδιότητες μετασχηματισμού Hilbert, παραδείγματα. Μετασχηματισμός Hilbert και SSB σήμα.

Διάλεξη 07: SSB σήμα: παραδείγματα (2015-03-16)

Διαμορφωμένο σήμα SSB-AM, τροποποιημένη μορφή SSB-AM και πεδίο του χρόνου. Μέθοδος Ζωνοπερατού φίλτρου, σύμφωνος αποδιαμορφωτής. Διαμόρφωση μονής πλευρικής ζώνης (Single Sideband, AM-SSB): μειονεκτήματα-πλεονεκτήματα, SSB με κατάλοιπο πλευρικής ζώνης (Vestigial Side Band AM, VSB-AM). Σύνοψη διαμορφώσεων πλάτους.

Διάλεξη 08: Ασκήσεις: Αναλογικές επικοινωνίες (2015-03-23)

Υπολογισμός ενέργειας διαμορφωμένου σήματος, ενέργεια σήματος στην έξοδο του φίλτρου, έξοδος του φίλτρου στο πεδίου χρόνου, σφάλμα στην εκτίμηση φάσης. Γραμμική διαμόρφωση, συντελεστής απόδοσης ισχύος. Συχνότητα φέροντος σχήματος, δομικό διάγραμμα, κατασκευή συστήματος εκπομπής και λήψης, κατασκευή πομπού.

Διάλεξη 09: Αναλογικές επικοινωνίες: Διαμόρφωση γωνίας (2015-03-26)

Ασύμφωνοι Αποδιαμορφωτές ΑΜ, διαμόρφωση γωνίας (Angle Modulation). Μαθηματική παρουσίαση των FM και PM σημάτων, παράδειγμα ΑΜ, FM και PM σημάτων σε είσοδο παλμοσειράς, συμπεράσματα για την διαμόρφωση γωνίας, δυικότητα FM και PM σημάτων.

Διάλεξη 10: Η επίδραση του θορύβου στις αναλογικές επικοινωνίες

Υλοποίηση διαμορφωτών FM, άμεση τεχνική με VCO, έμμεση τεχνική, αποδιαμόρφωση FM. Η επίδραση του Θορύβου στις Αναλογικές Επικοινωνίες: Σύμφωνη αποδιαμόρφωση ΑΜ. Ασύμφωνη αποδιαμόρφωση, συστήματα διαμόρφωσης γωνίας. Ανακεφαλαίωση: συστήματα διαμόρφωσης γωνίας. Φίτρα προέμφασης και αποέμφασης.

Διάλεξη 11: Υπερετερόδυνος δέκτης και πολυπλεξία σημάτων (2015-04-20)

Δέκτης Συντονισμού (Tuned Radio-TR), Υπερετερόδυνος δέκτης (Super-Heterodyne Receiver SHTR), αρχιτεκτονική υπερετερόδυνου δέκτη, εικονικές συχνότητες. Πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας FDM.

Διάλεξη 12: Δέκτες - Ραδιοφωνία: AM-FM (2015-04-23)

Ραδιοφωνική εκπομπή ΑΜ-FM, ομόδυνος δέκτης. Υπερετερόδυνος δέκτης: η έξοδος του μίκτη, εικονική συχνότητα ή είδωλο (Image Frequency), RF ενισχυτής, ΙF ενισχυτής-αποδιαμορφωτής. Υπερ-Ετερόδυνος δέκτης χωρίς RF ενισχυτή.

Διάλεξη 13: Ασκήσεις: ραδιοσήματα (2015-04-27)

Αποδιαμορφωτής DSB-SC-AM, μέγιστη απόκλιση συχνότητας, κανόνας Carson, διαστολή εύρους ζώνης, SSB-AM, VSB-AM, PLL.

Διάλεξη 14: Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (2015-05-04)

Σύστημα ADC και DAC, ADC (Analog-to-Digital Converter), Δειγματοληψία-Θεώρημα ή συνθήκη Nyquist, ιδανική δειγματοληψία (Ideal Sampling), Ρυθμός δειγματοληψίας: περιπτώσεις, παραδείγματα.

Διάλεξη 15: Κβάντιση (2015-05-07)

Επανάληψη προηγούμενων, παραδείγματα, θόρυβος κβάντισης, μη-ομοιόμορφη κβάντιση.

Διάλεξη 16: Παλμοκωδική διαμόρφωση (2015-05-07)

Παραδείγματα, διαφορική παλμοκωδική διαμόρφωση, DPCM πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα σε σχέση με το PCM, διαμόρφωση Δέλτα, κωδικοποίηση, αντιστοιχία bits σε κυματομορφές, φάσματα (spectra).

Διάλεξη 17: Ψηφιακή εκπομπή και λήψη (2015-05-11)

Εισαγωγή, πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα Ψηφιακών Επικοινωνιών, κριτήρια αξιολόγησης συστημάτων, ψηφιακό σύστημα επικοινωνίας, πομπός, κανάλι, δέκτης. Διανύσματα στο χώρο: Βασικές έννοιες, διαδικασία ορθογωνοποίησης Gram-Schmidt, Σήματα και Διανύσματα. Σήματα και Διανύσματα: ορισμοί, παραδείγματα. Διαδικασία ορθογωνοποίησης σημάτων Gram-Schmidt.

Διάλεξη 18: Ψηφιακά σήματα (2015-05-14)

Περίληψη προηγούμενων, πίνακας αναζήτησης, ψηφιακός πομπός, παραδείγματα. Το κανάλι προσθετικού θορύβου: ιδιότητες, σχόλια. Ψηφιακός δέκτης, αποδιαμόρφωση συσχέτισης, αποδιαμόρφωση με προσαρμοσμένα φίλτρα.

Διάλεξη 19: Ανίχνευση (2015-05-18)

Βέλτιστη ανίχνευση σε AWGN, ανιχνευτής μέγιστης εκ των υστέρων πιθανότητας, ανιχνευτής μέγιστης πιθανοφάνειας, περιοχές απόφασης. Παραδείγματα.

Διάλεξη 20: Περίληψη προηγούμενων: παραδείγματα (2015-05-18)

Το κανάλι προσθετικού θορύβου, αποδιαμόρφωση με προσαρμοσμένα φίλτρα, βέλτιστη ανίχνευση σε AWGN.

Διάλεξη 21: Πιθανότητα σφάλματος (2015-05-25)

Περιοχές απόφασης, παραδείγματα, πιθανότητα σφάλματος.

Διάλεξη 22: Ασκήσεις: Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (2015-05-25)

Κυματομορφές, ορθοκανονική βάση, γραμμικός συνδυασμός, αστερισμός, παραδείγματα, απορίες. Κανάλι μετάδοσης AWGN, πυκνότητα φασματικής ισχύος, συνάρτηση βάσης, διάσταση χώρου, βέλτιστα όρια απόφασης, ελαχιστοποίηση πιθανότητας σφάλματος, ανίχνευση μέγιστης πιθανοφάνειας, συνολική πιθανότητα σφάλματος.