Ψηφιακές Επικοινωνίες - EAPΕιδικός στη Μεθοδολογία της...

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο» η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του Υ.ΠΑΙ.Θ.

Ψηφιακές Επικοινωνίες

ΣημείωσηΤο ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδη μα ϊ κοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΣχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας

Πρόγραμμα ΣπουδώνΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΣΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Θεματική ΕνότηταΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Τόμος Β΄Ψηφιακές Επικοινωνίες

ΣυγγραφήΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΛΥΒΑΣ

Καθηγητής ΤΕΙ Πειραιά

ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΒΑΡΖΑΚΑΣ Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας

Κριτική ΑνάγνωσηΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΖΕΡΒΑΣΚαθηγητής ΤΕΙ Αθηνών

Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του Π.Σ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΒΕΡΥΚΙΟΣ

Αναπληρωτής Καθηγητής Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου

Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της Θ.Ε.ΕΥΣΤΑΘΙΟΣ ΧΑΤΖΗΕΥΘΥΜΙΑΔΗΣ

Αναπληρωτής Καθηγητής Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών

Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως ΕκπαίδευσηςΑΔΑΜΑΝΤΙΑ ΣΠΑΝΑΚΑ

Γλωσσική ΕπιμέλειαΑΝΝΑ ΒΛΑΧΟΔΗΜΟΥ

Τεχνική Επιμέλεια – Καλλιτεχνική Επιμέλεια – ΣελιδοποίησηopusMAGNUM

ISBN: 978-960-538-985-7Κωδικός Έκδοσης: ΠΛΣ 62/Β

Copyright © 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμοΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών – Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650

To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας

Πρόγραμμα ΣπουδώνΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΣΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Θεματική ΕνότηταΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Τόμος Β΄

Ψηφιακές Επικοινωνίες

ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΛΥΒΑΣ

Καθηγητής ΤΕΙ Πειραιά

ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΒΑΡΖΑΚΑΣ

Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας

ΠΑΤΡΑ 2015

ΒιογραφικάΟ Δημήτριος Καλύβας είναι Καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. του ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. από το 1998, με ειδικότητα στις Επικοινωνίες. Είναι απόφοιτος του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (1982), κάτοχος Master of Science του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Πολιτείας της Βόρειας Καρολίνα (1983) και διδακτορικού διπλώματος του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια (1989). Η έρευνά του εστιάζεται στα συστήματα ψηφιακών επικοινωνιών, στις επικοινωνίες με πολυμέσα και στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος, εικόνας και βίντεο. Είναι συγγραφέας περισσότερων από 30 επιστημονικών δημοσιεύσεων και το δημοσιευμένο έργο του έχει λάβει μέχρι τώρα πάνω από 120 ετεροαναφορές από ομότιμους ερευνητές.

Ο Παναγιώτης Βαρζάκας είναι Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. του ΑΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας και Συνεργαζόμενο Εκπαιδευτικό Προσωπικό (ΣΕΠ) του ΕΑΠ στη Θεματική Ενότητα ΠΛΗ36 «Σύγχρονα Δίκτυα και Υπηρεσίες». Η ερευνητική του δραστη-ριότητα εστιάζεται στις ασύρματες και οπτικές επικοινωνίες. Είναι απόφοιτος του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών (BSc) (1989), κάτοχος μεταπτυχιακού διπλώματος (MSc) στην Ηλεκτρονική και Ραδιοηλεκτρολογία (1993) και διδακτορικού διπλώματος (PhD) Φυσικών Επιστημών του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Αθηνών (1999). Έχει εργαστεί ως μηχανικός τηλεπικοινωνιών στην εταιρεία Cosmote Κινητές Τηλεπικοινωνίες Α.Ε., ως ερευνητής σε προγράμματα στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών και ως διδάσκων στα ΑΤΕΙ Πειραιά, Λαμίας και Επισκέπτης Καθηγητής στο Τμήμα Διδακτικής της Τεχνολογίας και Ψηφιακών Συστημάτων του Πανεπιστημίου Πειραιά. Είναι συγγραφέας 15 διδακτικών σημειώσεων για τα ΑΤΕΙ και ενός βιβλίου για τη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, 24 επιστημονικών δημοσιεύσεων, έχει παρουσιάσει 20 εργασίες σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια, ενώ είναι κριτής ερευνητικών εργασιών σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια.

Περιεχόμενα

Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 1Εισαγωγή Δ. Καλύβας

Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις ................................................................................17

1.1 Συστήματαεπικοινωνιών ...........................................................................19

1.1.1 Βασικάστοιχείαενόςσυστήματοςεπικοινωνιών ......................20

1.1.2 Βασικάστοιχείαενόςσυστήματοςψηφιακώνεπικοινωνιών ...21

1.2 Σήματακαισυστήματαεπικοινωνιών ......................................................25

1.2.1 Βασικάχαρακτηριστικάσημάτων ...............................................25

1.2.2 Σήματαενέργειαςκαισήματαισχύος ..........................................27

1.2.3 Σημαντικάσήματα ..........................................................................30

1.2.4 Γραμμικάκαιχρονικάαμετάβλητα(ΓΧΑ)συστήματα ............32

1.2.5 Ανάλυσηγραμμικώνκαιχρονικάαμετάβλητων(ΓΧΑ)συστημάτωνστοπεδίοτουχρόνου ..............................................35

1.3 ΦάσμασημάτωνκαιμετασχηματισμόςFourier .......................................36

1.3.1 ΜετασχηματισμόςFourier ..............................................................36

1.3.2 ΙδιότητεςτουμετασχηματισμούFourier ......................................40

1.3.3 ΘεώρημαRayleigh ..........................................................................47

1.3.4 ΜετασχηματισμόςFourierπεριοδικώνσημάτων ........................48

1.3.5 Μετάδοσησημάτωνμέσωγραμμικώνκαιχρονικάαμετάβλητων(ΓΧΑ)συστημάτων................................................49

1.4 Πιθανότητεςκαιτυχαίεςμεταβλητές .......................................................50

1.4.1 Αξιωματικήθεμελίωσητηςπιθανότητας ....................................50

1.4.2 Δεσμευμένηήυπόσυνθήκηπιθανότητα .....................................51

8 Ψ Η Φ Ι Α Κ Ε Σ Ε Π Ι Κ Ο Ι Ν Ω Ν Ι Ε Σ

1.4.3 Ανεξάρτηταενδεχόμενα ...............................................................52

1.4.4 Τυχαίεςμεταβλητές ........................................................................53

1.4.5 Σημαντικέςτυχαίεςμεταβλητές ....................................................56

1.4.6 Μέσεςτιμέςτυχαίωνμεταβλητών ................................................60

1.4.7 Πολλαπλέςτυχαίεςμεταβλητές ....................................................62

1.4.8 Θεώρημακεντρικούορίου ............................................................67

1.5 Τυχαίασήματα ............................................................................................68

1.5.1 Τυχαίεςδιαδικασίες .......................................................................68

1.5.2 Τυχαίασήματακαιγραμμικάκαιχρονικά αμετάβλητα(ΓΧΑ)συστήματα ....................................................72

1.5.3 Gaussianτυχαίαδιαδικασία ...........................................................74

1.5.4 Λευκέςστοχαστικέςδιαδικασίες ..................................................74

Σύνοψη ...................................................................................................................75

Λίστα Ελέγχου Γνώσεων .....................................................................................76

Ευρετήριο Όρων ...................................................................................................77

Γλωσσάρι ................................................................................................................80

Βιβλιογραφία .........................................................................................................81

Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη ..........................................................................82

Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης .....................................................83

Απαντήσεις Δραστηριοτήτων ..............................................................................88

Κατάλογος σχημάτων ...........................................................................................91

Κατάλογος πινάκων..............................................................................................91

Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 2Κωδικοποίηση πηγής και εφαρμογές Π. Βαρζάκας

Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις ................................................................................93

Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α 9

2.1 Είδηπηγώνπληροφορίας ..........................................................................96

2.1.1 Αναλογικέςκαιψηφιακέςπηγές ..................................................96

2.1.2 Δειγματοληψία ................................................................................98

2.2 Κωδικοποίησημεαπώλειες .....................................................................103

2.2.1 Κωδικοποίησηπηγήςκαικώδικεςπηγής ..................................103

2.2.2 Απωλεστικοίαλγόριθμοικωδικοποίησηςπηγής ......................109

2.2.3 ΠρότυπαJPEG,MPEG,MP3 .......................................................121

2.3 Κωδικοποίησηχωρίςαπώλειες ...............................................................130

2.3.1 Διακριτέςπηγέςπληροφορίας ....................................................130

2.3.2 Μηαπωλεστικοίαλγόριθμοικωδικοποίησηςπηγής ................138

Σύνοψη .................................................................................................................145

Λίστα Ελέγχου Γνώσεων ...................................................................................146

Ευρετήριο Όρων .................................................................................................147

Γλωσσάρι ..............................................................................................................148

Βιβλιογραφία .......................................................................................................150

Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη ........................................................................151

Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης ...................................................152

Απαντήσεις Δραστηριοτήτων ............................................................................156

Κατάλογος σχημάτων .........................................................................................159

Κατάλογος πινάκων............................................................................................159

Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 3Ψηφιακές διαμορφώσεις Δ. Καλύβας

Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις ..............................................................................161

3.1 Γεωμετρικήαναπαράστασητωνσημάτωνμετάδοσης ........................164

3.1.1 ΔιαδικασίαορθογωνοποίησηςGram-Schmidt ...........................168

1 0 Ψ Η Φ Ι Α Κ Ε Σ Ε Π Ι Κ Ο Ι Ν Ω Ν Ι Ε Σ

3.2 Ψηφιακέςδιαμορφώσειςβασικήςζώνης ..............................................174

3.2.1 M-PAM ............................................................................................174

3.2.2 M-PPM,διορθογώνια,Simplex ....................................................177

3.2.3 Κωδικοποίησηγραμμής ...............................................................182

3.3 Ψηφιακέςδιαμορφώσειςδιέλευσηςζώνης ...........................................184

3.3.1 M-ASK ............................................................................................184

3.3.2 M-PSK .............................................................................................186

3.3.3 M-QAM ...........................................................................................190

3.3.4 M-FSK .............................................................................................193

3.4 Ψηφιακήμετάδοσημέσωκαναλιών περιορισμένουεύρουςζώνης ..................................................................196

Σύνοψη .................................................................................................................197


Ευρετήριο Όρων .................................................................................................198

Γλωσσάρι ..............................................................................................................200

Βιβλιογραφία .......................................................................................................201





Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 4Αποδιαμόρφωση – Ανίχνευση Δ. Καλύβας


4.1 Aποδιαμόρφωση .......................................................................................217

4.1.1 Αποδιαμορφωτήςσυσχέτισης .....................................................217

Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α 11

4.1.2 Αποδιαμορφωτήςπροσαρμοσμένουφίλτρου ..........................221

4.1.3 Σύμφωνηκαιασύμφωνηαποδιαμόρφωση ...............................222

4.2 Ανίχνευση ..................................................................................................223

4.2.1 Κριτήριομέγιστηςεκτωνυστέρων πιθανότητας(MAP) ......................................................................223

4.2.2 Κριτήριομέγιστηςπιθανοφάνειας(ML) ....................................223

4.2.3 Κριτήριαελάχιστηςαπόστασηςκαιμέγιστης συσχέτισης .....................................................................................224

4.3 Δέκτηςπροσαρμοσμένουφίλτρου ..........................................................226

4.3.1 Δυαδικόςδέκτηςπροσαρμοσμένουφίλτρου ............................229

4.4 Πιθανότητασφάλματοςπαρουσίαπροσθετικούλευκού Gaussianθορύβου ......................................................................................238

4.4.1 ΠιθανότητασφάλματοςγιαM-PAM ..........................................238

4.4.2 ΠιθανότητασφάλματοςγιαM-ASK ..........................................240

4.4.3 ΠιθανότητασφάλματοςγιαM-PSK ...........................................241

4.4.4 ΠιθανότητασφάλματοςγιαM-QAM .........................................243

4.4.5 ΠιθανότητασφάλματοςγιαM-FSK ...........................................244

4.4.6 ΠιθανότητασφάλματοςγιαM-FSK ασύμφωνηςφώρασης ...................................................................245

4.5 Συγκριτικήανάλυσηεπίδοσης ................................................................247

4.6 Ψηφιακέςδιαμορφώσειςμεμνήμη .........................................................250

4.7 Ψηφιακήμετάδοσημέσωμηιδανικώνκαναλιών ................................252

Σύνοψη .................................................................................................................254


Ευρετήριο Όρων .................................................................................................255

Γλωσσάρι ..............................................................................................................256

Βιβλιογραφία .......................................................................................................257







Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 5Κωδικοποίηση ελέγχου σφάλματος Π. Βαρζάκας


5.1 Εισαγωγήστηθεωρίακωδικοποίησηςελέγχουσφάλματος ...............271

5.1.1 Ορισμοίκαιπαραδοχές ...............................................................271

5.1.2 Διόρθωσηκαιανίχνευσησφαλμάτων .......................................277

5.1.3 Κατηγοριοποίησηκωδίκων (αλγεβρικοί-πιθανοκρατικοίκώδικες) .......................................279

5.2 Γραμμικοίμπλοκκώδικες ........................................................................280

5.2.1 Στοιχείαδομήςπεπερασμένωνσωμάτων καιδιανυσματικώνχώρων ..........................................................280

5.2.2 Πίνακεςγεννήτορεςκαιελέγχουισοτιμίας ...............................287

5.2.3 Παραδείγματακωδίκων ..............................................................298

5.2.4 Κυκλικοίκώδικες .........................................................................305

5.2.5 ΚώδικεςBCHκαιRS ....................................................................310

5.3 Συνελικτικοίκώδικεςκαικώδικεςβασιζόμενοισεγράφους ..............317

5.3.1 Κωδικοποίησηκαιαποκωδικοποίηση συνελικτικώνκωδίκων .................................................................317

5.3.2 ΚώδικεςTurbo ...............................................................................327

5.3.3 ΚώδικεςLDPC...............................................................................331

Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α 1 3

Σύνοψη .................................................................................................................336


Ευρετήριο Όρων .................................................................................................338

Γλωσσάρι ..............................................................................................................339

Βιβλιογραφία .......................................................................................................340






Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 6Τεχνικές διάχυτου φάσματος Π. Βαρζάκας


6.1 Εισαγωγήστιςτεχνικέςδιάχυτουφάσματος ........................................355

6.1.1 Ορισμοί ..........................................................................................355

6.2 ΤεχνικήDS .................................................................................................360

6.2.1 ΔομήπομπούτεχνικήςDS ...........................................................360

6.2.2 ΔομήδέκτητεχνικήςDS ..............................................................361

6.3 ΤεχνικήFH .................................................................................................363

6.3.1 Βασικάχαρακτηριστικά ..............................................................363

6.3.2 ΔομήπομπούτεχνικήςFH ...........................................................365

6.3.3 ΔομήδέκτητεχνικήςFH ..............................................................366

6.4 ΤεχνικέςTHκαιPFM ................................................................................368

6.4.1 ΤεχνικήTH .....................................................................................368

6.4.2 ΤεχνικήPFM ..................................................................................369


6.5 Υβριδικέςτεχνικέςδιάχυτουφάσματος ................................................372

6.5.1 ΣυστήματαDS/FH .........................................................................372

Σύνοψη .................................................................................................................376


Ευρετήριο Όρων .................................................................................................377

Γλωσσάρι ..............................................................................................................378

Βιβλιογραφία .......................................................................................................379






Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 7Τεχνικές πολύπλεξης και πολλαπλής προσπέλασης Π. Βαρζάκας


7.1 Τεχνικέςπολύπλεξης ................................................................................392

7.1.1 Ορισμοί ..........................................................................................392

7.1.2 Πολύπλεξημεδιαίρεσησυχνότητας ..........................................392

7.1.3 Πολύπλεξημεδιαίρεσηχρόνου ..................................................396

7.1.4 Πολύπλεξημεδιαίρεσηκώδικα .................................................400

7.1.5 Πολύπλεξημεδιαίρεσημήκουςκύματος ..................................401

7.2 Τεχνικέςπολλαπλήςπροσπέλασης .........................................................404

7.2.1 Ορισμοί ..........................................................................................404

7.2.2 Πολλαπλήπροσπέλασημεδιαίρεσησυχνότητας .....................405

Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α 1 5

7.2.3 Πολλαπλήπροσπέλασημεδιαίρεσηχρόνου ............................406

7.2.4 Πολλαπλήπροσπέλασημεδιαίρεσηκωδίκων ..........................409

7.2.5 Πολλαπλήπροσπέλασημεορθογώνια διαίρεσησυχνότητας ....................................................................412

Σύνοψη .................................................................................................................414


Ευρετήριο Όρων .................................................................................................416

Γλωσσάρι ..............................................................................................................417

Βιβλιογραφία .......................................................................................................419





Ψηφιακές Επικοινωνίες - EAPΕιδικός στη Μεθοδολογία της...

Documents

Transcript of Ψηφιακές Επικοινωνίες - EAPΕιδικός στη Μεθοδολογία της...