Παρουσίαση/Προβολή

Info for foreign students

The DIGITAL COMMUNICATIONS course is also taught in the English language in case foreign students from the ERASMUS exchange program are enrolled. More info on the course can be found here.

Περιεχόμενο μαθήματος

Συνοπτική Περιγραφή

Αρχές σχεδίασης ψηφιακού συστήματος επικοινωνίας. Βασικές έννοιες ψηφιακών επικοινωνιών. Είδη καναλιών επικοινωνίας. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Δυαδική σηματοδοσία. Σηματοδοσία πολλών επιπέδων. Χωρητικότητα καναλιών. Θεώρημα Shannon-Hartley. Μετάδοση ψηφιακών δεδομένων στη βασική ζώνη. Κωδικοποίηση παλμών (line coding, Manchester κλπ). Διασυμβολική παρεμβολή. Θόρυβος και παρεμβολές σε συστήματα ψηφιακών επικοινωνιών. Η ανάγκη για διαμόρφωση. Ψηφιακές διαμορφώσεις BPSK, DPSK, DEPSK, QPSK, 16QAM, FSK, MSK, π/4DQPSK. Διαγράμματα αστερισμού. Μελέτη φασματικής απόδοσης και ρυθμού εμφάνισης σφαλμάτων. Σύνθεση συχνότητας με PLL, DDS και συνδυασμός αυτών. Ορθογώνιες διαμορφώσεις (QPSK, MQAM), επίδραση θορύβου. Πολυτονικές τεχνικές μετάδοσης (FDM/OFDM, DMT). Τεχνικές πολλαπλής προσπέλασης (FDMA/TDMA/CDMA).

Θεματικές διαλέξεων Θεωρίας

Επισκόπηση Ψηφιακού Συστήματος Επικοινωνίας και Βασικές Αρχές και Έννοιες Ψηφιακών Επικοινωνιών
Πηγή πληροφορίας, Κωδικοποιητής και αποκωδικοποιητής πηγής, Κανάλι επικοινωνίας, Διαμορφωτής, Αποδιαμορφωτής, Κωδικοποιητής και αποκωδικοποιητής καναλιού, Δίκτυα επικοινωνιών, Πρότυπα μετάδοσης, Μοντέλο OSI. Παράγοντες που επηρεάζουν τη σχεδίαση συστημάτων, Είδη καναλιών επικοινωνίας, Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, Επιπτώσεις στα σήματα από τα κανάλια επικοινωνίας, Δυαδική σηματοδοσία, Αναπαράσταση ψηφιακών σημάτων, Φάσμα παλμού δεδομένων, Φάσμα μίας σειράς δεδομένων βασικής ζώνης, Διαδικασία διαμόρφωσης (μίξη), Διανυσματικός διαμορφωτής, Βασικές αρχές εκπομπής δεδομένων.
Χωρητικότητα Καναλιών - Το θεώρημα Shannon – Hartley - Εισαγωγή στην Έννοια της Διαμόρφωσης
Δυαδική σηματοδοσία, Μορφές δυαδικής σηματοδοσίας, Σηματοδοσία πολλών επιπέδων, Συμβολισμός πολλών επιπέδων, Υπολογισμός χωρητικότητας καναλιού, Θεώρημα Shannon - Hartley. Η ανάγκη για διαμόρφωση, Είδη διαμόρφωσης, Διαμόρφωση με ημιτονοειδές φέρον (αναλογική διαμόρφωση συνεχούς σήματος, ψηφιακή διαμόρφωση συνεχούς σήματος), Διαμόρφωση με παλμικό φέρον (αναλογική διαμόρφωση παλμών, ψηφιακή διαμόρφωση παλμών), Σύγκριση αναλογικών – ψηφιακών διαμορφώσεων, Σύγκριση αποδιαμορφωτών, Κριτήρια επιδόσεων.
Ψηφιακή Διαμόρφωση Πλάτους - Amplitude Shift Keying (ASK)
Διαμόρφωση Μετατόπισης Πλάτους (ASK), Μαθηματική περιγραφή δυαδικής ASK (BASK), Φάσμα σήματος διαμορφωμένου κατά BASK, Μαθηματική περιγραφή ΜASK, Φασματική πυκνότητα ισχύος και φασματική απόδοση σήματος ΜASK, Πιθανότητα εμφάνισης λανθασμένων ψηφίων, Ρυθμός εμφάνισης λαθών σε διαμόρφωση ΜASK, Παραγωγή και Ανίχνευση σήματος BASK, Σύγκριση μεταξύ Σύμφωνης & Ασύμφωνης Ανίχνευσης, Διαγράμματα Αστερισμού.
Ψηφιακή Διαμόρφωση Φάσης - Phase Shift Keying (PSK)
Μαθηματική περιγραφή δυαδικής PSK (BPSK), Φάσμα σήματος διαμορφωμένου κατά BPSK, Μαθηματική περιγραφή ΜPSK, Φασματική πυκνότητα ισχύος και φασματική απόδοση σήματος ΜPSK, Ρυθμός εμφάνισης λαθών (BER) σε MPSK, Παραγωγή και Ανίχνευση σήματος BPSK, Διαφορική Κωδικοποίηση Δεδομένων – DEPSK, Διαφορική Διαμόρφωση Φάσης – DPSK, Διαγράμματα Αστερισμού, Σύγκριση μεταξύ Σύμφωνης & Διαφορικής PSK,
Ορθογωνική Διαμόρφωση Μετατόπισης Πλάτους – Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Ορθογωνική Σηματοδοσία, Διαμόρφωση Μετατόπισης Φάσης με Τετραγωνισμό (QPSK), Διαφορική διαμόρφωση QPSK (DQPSK), Διαμόρφωση π/4 QPSK, Συνδυασμένη Διαμόρφωση Πλάτους και Φάσης – QAM, Χαρακτηριστικά μεγέθη M-QAM, Σύγκριση PSK και QAM.
Ψηφιακή Διαμόρφωση Συχνότητας – Frequency Shift Keying (FSK)
Ψηφιακή Διαμόρφωση Συχνότητας (FSK), Μαθηματική περιγραφή BFSK, Φάσμα σήματος διαμορφωμένου κατά BFSK, Φασματική πυκνότητα ισχύος σήματος ΒFSK, Παραγωγή FSK συνεχούς φάσης (CPFSK), Ασύμφωνη και Σύμφωνη Ανίχνευση FSK, Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της FS, Διαμόρφωση Minimum Shift Keying (MSK), Παραγωγή & Ανίχνευση MFSK, Μαθηματική περιγραφή MFSK, Σύγκριση Δυαδικών Μεθόδων Ψηφιακής Διαμόρφωσης, Σύγκριση Μ-αδικών Μεθόδων Ψηφιακής Διαμόρφωσης, Σύγκριση Ψηφιακών Μεθόδων ως προς Όριο Shannon.
Διαμόρφωση OFDM
Αρχή λειτουργίας της OFDM, Σχεδίαση OFDM συστημάτων, χρήση της OFDM σε συστήματα πολλαπλών κεραιών (MIMO, MISO, SIMO και SISO), συνδυασμός OFDM με τεχνικές άμεσης διόρθωσης λαθών (FEC) ή με πολυπλεξία κώδικα (CDM), χρήση του OFDM σε συστήματα ευρυεκπομπής Digital Video Broadcasting Terrestrial (DVB-T).
Τεχνικές Ψηφιακής Διαμόρφωσης Πολλών Χρηστών
Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση συχνότητας (FDMA), Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου (TDMA), Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (CDMA). Σχέση CDMA με την TDMA και την FDMA. Τρόπος λειτουργίας της CDMA. Φασματική αξιοποίηση της CDMA. Αλγόριθμοι παραγωγής CDMA κωδίκων.
Ο συγχρονισμός στις ψηφιακές επικοινωνίες
Βρόχος κλειδώματος φάσης (αναλογικό PLL, ψηφιακό PLL), Συγχρονισμός φέροντος, Χρονικός συγχρονισμός
Μετάδοση Δεδομένων στη Βασική Ζώνη
Σήματα Βασικής Ζώνης, Μετάδοση στη βασική ζώνη, Κωδικοποίηση γραμμής, Κατηγορίες κωδικοποίησης γραμμής, Είδη σηματοδοσίας, Διασυμβολική παρεμβολή, Αντιμετώπιση διασυμβολικής παρεμβολής με φίλτρα Nyquist, Φίλτρα υψωμένου συνημιτόνου. Η επίδραση του θορύβου στα συστήματα βασικής ζώνης.
Ψηφιακές επικοινωνίες σε κανάλια με διασυμβολική παρεμβολή
Διασυμβολική παρεμβολή, Αντιμετώπιση διασυμβολικής παρεμβολής με φίλτρα Nyquist, Φίλτρα υψωμένου συνημιτόνου, Διαγράμματα οφθαλμού, Προσαρμοσμένα φίλτρα, Ισοσταθμιστές (γραμμικοί, μη-γραμμικοί), Ανίχνευση ακολουθίας μέγιστης πιθανοφάνειας, Αλγόριθμος Viterbi
Τεχνολογίες Ευρυζωνικών Δικτύων
Ενσύρματες τεχνολογίες ευρυζωνικής πρόσβασης, Τεχνολογίες xDSL, Δίκτυα οπτικών ινών, Δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης, Ηλεκτρικά δίκτυα, Ασύρματες τεχνολογίες ευρυζωνικής πρόσβασης, Ασύρματη πρόσβαση Wi-Fi, Σταθερή ασύρματη πρόσβαση, Ασύρματη πρόσβαση WiMAX, Ασύρματη κινητή πρόσβαση 3G/UMTS και 4G/LTE, Αμφίδρομη δορυφορική πρόσβαση
Τηλεφωνική Μεταγωγή
Συστήματα μεταγωγής κυκλώματος, Το απλό κέντρο, Το αυτόματο σύστημα επιλογής Strowger, Φορτίο κίνησης και ποιότητα υπηρεσίας, Ιεραρχία κέντρων μεταγωγής, Μεταγωγή πολλών βαθμίδων, Πολύπλεξη διαίρεσης χρόνου, Αναλογική μεταγωγή με διαίρεση χρόνου, Ανταλλαγή χρονικών θυρίδων (Time Slot Interchanging – TCI), Χωρικό πεδίο (Space Array), Συνδυασμένη χωρική και χρονική μεταγωγή, Κινητή τηλεφωνία – Η κυψελωτή αρχή

Εργαστηριακό Μέρος

Το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος περιλαμβάνει πρακτικές ασκήσεις που αποσκοπούν στην εφαρμογή και την εμπέδωση των γνώσεων της θεωρίας και αφορούν:

• Διαμόρφωση Μετατόπισης Πλάτους – ΑSK
• Διαμόρφωση Μετατόπισης Συχνότητας - FSK
• Διαμόρφωση Μετατόπισης Φάσης με Τετραγωνισμό QPSK (1/2)
• Ορθογωνική Διαμόρφωση Πλάτους - QAM
• Oρθογωνική πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας OFDM
• Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (CDMA).
• Eυρυζωνικό σύστημα πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση κώδικα (WCDMA)

Μαθησιακοί στόχοι

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές θα μπορούν:

Σε επίπεδο Γνώσεων:

1. Να περιγράφουν με σαφήνεια τα επιμέρους συστήματα ενός ψηφιακού συστήματος επικοινωνίας, τα χαρακτηριστικά τους και τις λειτουργίες που καθένα επιτελεί.
2. Να περιγράφουν τους παράγοντες που επηρεάζουν τον σχεδιασμό ενός συστήματος ψηφιακής επικοινωνίας.
3. Να περιγράφουν την έννοια της μετάδοσης στη βασική ζώνη, τα είδη των πρωτοκόλλων σηματοδοσίας, το φαινόμενο της διασυμβολικής παρεμβολής και τις λύσεις για την αντιμετώπισή του.
4. Να περιγράφουν τα είδη παραμορφώσεων και υποβαθμίσεων από τη διέλευση ενός σήματος σε ένα κανάλι επικοινωνίας.
5. Να κατηγοριοποιούν τις τεχνικές διαμόρφωσης ανάλογα με το πληροφοριακό σήμα και τον φορέα, να συγκρίνουν τις αναλογικές με τις ψηφιακές τεχνικές διαμόρφωσης και να περιγράφουν τα κριτήρια επιδόσεων των τεχνικών αυτών.
6. Για κάθε μια από τις ψηφιακές τεχνικές διαμόρφωσης (ASK, PSK, FSK, QAM, QPSK, π/4 PSK, κλπ) να περιγράφουν την αρχή λειτουργίας της, το εύρος ζώνης που απαιτεί, τη φασματική απόδοσή της, τα διαγράμματα αστερισμού και την αντοχή της σε περιβάλλον ενθόρυβου καναλιού επικοινωνίας.
7. Να περιγράφουν τα χαρακτηριστικά και τις λειτουργίες των διατάξεων παραγωγής και ανίχνευσης των ψηφιακών διαμορφώσεων (ASK, PSK, FSK και των υποκατηγοριών τους).
8. Να περιγράφουν τις διαφορές μεταξύ των τεχνικών σύμφωνης και ασύμφωνης ανίχνευσης και να εξηγούν το πρόβλημα του συγχρονισμού στις ψηφιακές επικοινωνίες.
9. Να εξηγούν την έννοια της ορθογωνιότητας, τα οφέλη που προσφέρει και την αξιοποίησή της στις ψηφιακές διαμορφώσεις.
10. Να περιγράφουν τις τεχνικές κωδικοποίησης καναλιού (κωδικοποίηση μπλοκ και συνελικτική κωδικοποίηση).
11. Να περιγράφουν την αρχή λειτουργίας και τα πλεονεκτήματα – μειονεκτήματα καθεμίας εκ των τεχνικών FDMA, TDMA, CDMA και OFDM.

Σε επίπεδο Δεξιοτήτων

1. Να υπολογίζουν τη χωρητικότητα καναλιών (χωρίς θόρυβο, και με θόρυβο), κάνοντας χρήση του θεωρήματος Shannon.
2. Να μελετούν τα φασματικά χαρακτηριστικά των πρωτοκόλλων σηματοδοσίας και να συγκρίνουν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε πρωτοκόλλου.
3. Να εφαρμόζουν τις λύσεις για την αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής και της πολυδιάδρομης μετάδοσης (multipath propagation).
4. Να υπολογίζουν τη φασματική απόδοση και τον ρυθμό εμφάνισης λαθών κάθε μίας τεχνικής ψηφιακής διαμόρφωσης (ASK, PSK, FSK, QAM, QPSK, π/4 PSK, κλπ) και να τις συγκρίνουν μεταξύ τους.
5. Να υπολογίζουν τα απαιτούμενο εύρος ζώνης για τη λειτουργία κάθε μίας από τις ψηφιακές διαμορφώσεις (ASK, PSK, FSK, QAM, QPSK, π/4 PSK, κλπ) για ένα δοθέν σήμα και κανάλι επικοινωνίας.
6. Να συγκρίνουν μεταξύ τους ως προς την αποτελεσματικότητα και την πολυπλοκότητα τις τεχνικές ανάκτησης φέροντος.
7. Να συγκρίνουν την απόδοση Μ-αδικών διαμορφώσεων μεταξύ και ειδικότερα σε αναφορά με το θεωρητικό όριο Nyquist
8. Να συγκρίνουν μεταξύ τους τις τεχνικές κωδικοποίησης καναλιού, δηλ. κωδικοποίηση μπλοκ, προηγμένη κωδικοποίηση μπλοκ συνελικτική κωδικοποίηση και TCM (Trellis Coded Modulation).

Σε επίπεδο Ικανοτήτων

1. Να συσχετίζουν την απόδοση ισχύος, το εύρος ζώνης και την παροχή δεδομένων σε μία ψηφιακή ζεύξη.
2. Να σχεδιάζουν φίλτρα υψωμένου συνημίτονου για την αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής.
3. Να σχεδιάζουν και να αξιολογούν ισοσταθμιστές καναλιού.
4. Να διαγιγνώσκουν προβλήματα σε μια ψηφιακή επικοινωνία χρησιμοποιώντας το διάγραμμα ματιού.
5. Να επιλέγουν την κατάλληλη ψηφιακή διαμόρφωση (μεταξύ των ASK, PSK, FSK, QAM, QPSK, π/4 PSK, κλπ) για δεδομένες προδιαγραφές επικοινωνίας (φασματική απόδοση, ρυθμός εμφάνισης λαθών, κλπ).
6. Να αξιολογούν τη λειτουργία των κυκλωμάτων παραγωγής και ανίχνευσης καθεμίας από τις γνωστές ψηφιακές διαμορφώσεις (ASK, PSK, FSK, QAM, QPSK, π/4 PSK, κλπ).
7. Να σχεδιάζουν το υποσύστημα διαμόρφωσης ενός συστήματος επικοινωνίας βασισμένο σε μία εκ των τεχνικών πολλαπλής πρόσβασης (FDMA, TDMA, CDMA)
8. Να σχεδιάζουν το υποσύστημα διαμόρφωσης ενός συστήματος επικοινωνίας βασισμένο στην τεχνική OFDM.
9. Να σχεδιάζουν κώδικες μπλοκ, κώδικες διεμπλοκής μπλοκ (interleaving) και κώδικες Reed-Solomon.
10. Να σχεδιάζουν διαγράμματα δικτυωτού (Trellis diagrams)
11. Να σχεδιάζουν συνδυασμένα συστήματα κωδικοποίησης πηγής, καναλιού και διαμόρφωσης ως σύνολο.

Βιβλιογραφία

1. Lathi B.P., Ding Z., Σύγχρονες Αναλογικές και Ψηφιακές Επικοινωνίες, (4η έκδοση), Εκδόσεις Τζιόλα, 2018
2. Καραγιαννίδης Γ., Παππή Κ, Τηλεπικοινωνιακά συστήματα, (4η έκδοση) Εκδόσεις Τζιόλα 2017.
3. Bateman A., Ψηφιακές επικοινωνίες, Εκδόσεις Τζιόλα, 2000.
4. Taub H., Schilling D L., Αρχές τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, Εκδόσεις Τζιόλα, 2006
5. Bernard Sklar, Νικόλαος Μήτρου, Ψηφιακές Επικοινωνίες και CD, Εκδόσεις Παπασωτηρίου
6. Haykin Simon, Moher Michael, Συστήματα Επικοινωνίας (5η έκδοση), Εκδόσεις Παπασωτηρίου
7. Proakis J., Digital Communications, McGraw-Hill Higher Education, 2001
8. Glover I., Grant P., Digital Communications, Pearson Education, 2004

Μέθοδοι διδασκαλίας

Τρόπος Παράδοσης

Πρόσωπο με πρόσωπο στην τάξη και στο εργαστήριο.

Χρήση ΤΠΕ

1. Διαφάνειες (ppt) για τη διδασκαλία του θεωρητικού μέρους, οι οποίες έχουν αναρτηθεί από την αρχή του εξαμήνου στο e-Class.
2. Εργαστηριακοί οδηγοί για το εργαστηριακό μέρος (ένας για κάθε εργαστηριακή άσκηση), οι οποίοι έχουν αναρτηθεί από την αρχή του εξαμήνου στο e-Class.
3. Επιλύσεις των εργαστηριακών ασκήσεων (αναρτώνται μετά την διεξαγωγή κάθε εργαστηριακής άσκησης).
4. Υποστήριξη μαθησιακής διαδικασίας μέσω της πλατφόρμας e-Class (για γνωστοποίηση του κανονισμού λειτουργίας μαθήματος, για διανομή διαφανειών, συμπληρωματικού υλικού, ανακοινώσεων, συνδέσμων και βιβλιογραφίας, για τη διεξαγωγή της ενδιάμεσης και της τελικής εξέτασης του εργαστηριακού μέρους, κλπ).
5. Εξειδικευμένο περιβάλλον προσομοίωσης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων (AWR) για το εργαστηριακό μέρος εγκατεστημένο σε ατομική θέση εργασίας ανά φοιτητή.
6. Διάθεση του λογισμικού AWR στους προσωπικούς υπολογιστές των φοιτητών για πρακτική εξάσκηση στο σπίτι.
7. Μαγνητοσκοπημένες διαλέξεις

Οργάνωση διδασκαλίας

Μέθοδοι αξιολόγησης

Α. Αξιολόγηση Θεωρητικού Σκέλους:

• Ενδιάμεση εξέταση (πρόοδος) (30%) που περιλαμβάνει επίλυση ασκήσεων και ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής, διαβαθμισμένης δυσκολίας.
• Γραπτή τελική εξέταση που περιλαμβάνει επίλυση ασκήσεων, ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής και συγκριτική αξιολόγηση στοιχείων θεωρίας, διαβαθμισμένης δυσκολίας.

Β. Αξιολόγηση Εργαστηριακού Σκέλους:

• Προφορική εξέταση κατά τη διεξαγωγή των εργαστηριακών ασκήσεων (30%)
• Ενδιάμεση εξέταση (πρόοδος) (30%) που περιλαμβάνει επίλυση ασκήσεων
• Γραπτή τελική εξέταση (40%) που περιλαμβάνει επίλυση ασκήσεων.

Παρατηρήσεις:

• Ο τελικός βαθμός προκύπτει από την στάθμιση των βαθμών θεωρίας και εργαστηρίου με συντελεστές βαρύτητας 60% και 40%, αντίστοιχα.
• Η αξιολόγηση γίνεται στην ελληνική γλώσσα
• Η διαδικασία αξιολόγησης και τα κριτήρια αξιολόγησης είναι δημοσιευμένα στην ιστοσελίδα του μαθήματος στο e-Class.

Προτεινόμενα συγγράμματα

Τα προτεινόμενα συγγράμματα του μαθήματος τα οποία είναι διαθέσιμα στους φοιτητές μέσω της πλατφόρμας ΕΥΔΟΞΟΣ είναι:

1. Βιβλίο [59421499]: Σύγχρονες Αναλογικές και Ψηφιακές Επικοινωνίες, 4η Εκδοση, Lathi P. B. - Ding Zhi, Παναγόπουλος Αθανάσιος (επιμέλεια) Λεπτομέρειες
2. Βιβλίο [102077105]: Ψηφιακές Επικοινωνίες, 3η έκδοση, Sklar Bernard, Harris Fred Λεπτομέρειες