ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Γενικά

Για να παρακαμφθούν τα προβλήματα τα σχετικά με τη σηματοδότηση DC, ειδικά σε τηλεφωνικές γραμμές, χρησιμοποιείται σηματοδότηση AC. Χρησιμο­ποιείται ένας συνεχής τόνος στην περιοχή 1.000 έως 2.000 ΗΖ, αποκαλούμενος ημιτονικό φέρον (sine wave carrier). Το πλάτος του, η συχνότητά του ή η φάση του μπορούν να διαμορφωθούν για να μεταφέρουν πληροφορία. Στη διαμόρ­φωση πλάτους (amplίtude modulation), χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικές στάθμες τάσης για να αναπαριστάνουν το 0 και το 1, αντίστοιχα. Στη διαμόρ­φωση συχνότητας (frequency modulation), επίσης γνωστή και ως μεταλλαγή μετατόπισης συχνότητας (frequency shift keying), χρησιμοποιούνται δύο ή περισσότεροι διαφορετικοί τόνοι. Στην απλούστερη μορφή της διαμόρφωσης φάσης (phase modulation), το φέρον διολισθαίνει συστηματικά 45, 135,225 ή315 μοίρες σε ισαπέχοντα διαστήματα. Το ακόλουθο σχήμα παρουσιάζει τους τρεις τρό­πους διαμόρφωσης. Μια συσκευή που δέχεται έναν σειριακό συρμό bit ως είσο­δο και παράγει ένα διαμορφωμένο φέρον ως έξοδο (ή αντίστροφα) αποκαλείται modem (από το modulator-demodulator). Το modem εισάγεται μεταξύ του (Ψηφιακού) υπολογιστή και του (αναλογικού) τηλεφωνικού συστήματος.

Σχήμα. (α) Δυαδικό σήμα. (β) Διαμόρφωση πλάτους. (γ) Διαμόρφωση συχνότητας. (δ) Διαμόρφωση φάσης.

Η συνεχής αύξηση της ταχύτητας δεν είναι δυνατόν να βασίζεται στην απλή αύξηση του ρυθμού δειγματοληψίας. Το θεώρημα του Nyquist καθορίζει, ότι ακόμη και σε μια τέλεια γραμμή των 3.000 ΗΖ (κάτι που σίγουρα δεν είναι η επιλεγόμενη τηλεφωνική γραμμή), δεν έχει νόημα η δειγματοληψία σε συχνότητες μεγαλύτερες των 6.000 ΗΖ. Συνεπώς, η έρευνα για ταχύτερα modem εστιάζεται στη χρησιμοποίηση περισσοτέρων bit ανά δείγμα (δηλαδή, ανά baud).

Τα πιο εξελιγμένα modem χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό τεχνικών διαμόρφωσης για να μεταδώσουν πολλά bit ανά baud. Στο σχήμα που ακολουθεί (α) βλέπουμε τελείες στις Ο, 90, 180,270 μοίρες με δύο στάθμες πλάτους ανά μετατόπιση φάσης. Το πλάτος δείχνεται με την απόσταση από την αρχή. Στο Σχήμα (β) βλέπουμε μια διαφορετική διάταξη διαμόρφωσης στην οποία χρησιμοποιούνται 16 διαφορετικοί συνδυασμοί πλάτους και μετατόπισης φάσης. Έτσι το Σχήμα (α) έχει οκτώ έγκυρους συνδυασμούς και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταδώσει 3 bit ανά baud. Αντίθετα, το Σχήμα (β) διαθέτει 16 έγκυρους συνδυασμούς και μπορούν έτσι να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση 4 bit ανά baud. Η διά-ταξη του Σχήματος (β), όταν χρησιμοποιείται για να μεταδώσει 9.600 bps μέσω μιας γραμμής των 2.400 baud αποκαλείται Ορθογωνική Διαμόρφωση Πλάτους QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Σχήμα (α) Διαμόρφωση 3 bit/baud. (β) Διαμόρφωση 4 bit/baud.

Διαγράμματα, όπως αυτά του παραπάνω Σχήματος, που δείχνουν τους νόμιμους συν­δυασμούς πλάτους και φάσης, αποκαλούνται αστερισμοί (constellation patterns). Κάθε προτυποποιημένο modem υψηλής ταχύτητας διαθέτει τον δι­κό του αστερισμό και μπορεί να μιλήσει μόνο με άλλα modem, που χρησιμο­ποιούν τον ίδιο (αν και τα περισσότερα modem μπορούν να εξομοιώσουν τη λειτουργία των βραδύτερών τους). Για παράδειγμα, το πρότυπο modem ιτυV.32 9.600 bps χρησιμοποιεί τον αστερισμό του Σχήματος (β) στην προηγούμενη σελίδα.

Το επόμενο βήμα μετά τα 9.600 bps είναι τα 14.400 bps. Αποκαλείται V.32 bis. Η ταχύτητα αυτή επιτυγχάνεται με τη μετάδοση 6 bit ανά δείγμα στα 2.400 baud. Ο αστερισμός του έχει 64 σημεία. Τα φαξ modem χρησιμοποιούν την τα­χύτητα αυτή για να μεταδίδουν σελίδες που έχουν σαρωθεί σαν αντιστοιχίες bit (bit map). Μετά το V.32 bis έρχεται το V.34, που λειτουργεί στα 28.800 bps.

Με τόσα πολλά σημεία στον αστερισμό, ακόμη και μια μικρή ποσότητα θο­ρύβου, στο πλάτος ή στη φάση, μπορεί να προκαλέσει λάθος και, πιθανώς, έξι χαλασμένα bit. Για να μειωθεί η πιθανότητα λάθους, πολλά modem προσθέ­τουν ένα bit ισοτιμίας, με αποτέλεσμα 128 σημεία στον αστερισμό. Η κωδικο­ποίηση των σημείων γίνεται προσεκτικά, ώστε να μεγιστοποιηθεί η πιθανότητα να ανιχνευθούν τα λάθη. Η κωδικοποίηση που το επιτυγχάνει ονομάζεται κωδικοποίηση trellis.

Μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση της μετάδοσης υψηλής ταχύτητας εί­ναι η διαίρεση του διαθέσιμου φάσματος των 3.000 ΗΖ σε 512 μικρές ζώνες και η μετάδοση 20 bps, π.χ., στην κάθε μία. Η διάταξη αυτή απαιτεί έναν ισχυρό ε­πεξεργαστή στο modem, αλλά έχει το πλεονέκτημα ότι είμαστε σε θέση να απε­νεργοποιήσουμε οποιαδήποτε ζώνη συχνοτήτων είναι υπερβολικά θορυβώδης. Τα modem που χρησιμοποιούν την προσέγγιση αυτή διαθέτουν συνήθως και τη δυνατότητα V.32 ή V.34 κι έτσι μπορούν να μιλήσουν σε προτυποποιημένα modem.

Πολλά modem διαθέτουν ενσωματωμένη και συμπίεση και διόρθωση λα­θών. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι τα χαρακτηρι­στικά αυτά βελτιώνουν τον τελικό ρυθμό δεδομένων χωρίς να απαιτούν οποι­αδήποτε αλλαγή στο υπάρχον λογισμικό. Μια δημοφιλής μέθοδος συμπίεσης είναι η ΜΝΡ 5, που χρησιμοποιεί κωδικοποίηση μήκους διαδοχών (run-length) για να συμπιέσει σειρές από ίδια byte. Την κωδικοποίηση όμοιων σει­ρών χρησιμοποιούν επίσης και τα φαξ modem, επειδή οι ακολουθίες από συνε­χόμενα Ο (κενό χαρτί) είναι πολύ συνηθισμένες. Μια άλλη μέθοδος είναι ηV.42 bis, που χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο συμπίεσης Ziν-Lempel που χρησι­μοποιείται και στο Compress και άλλα προγράμματα (Ζίν and LempeI1977).

Ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται modem, ένα άλλο πρόβλημα μπορεί να εμφανιστεί στις τηλεφωνικές γραμμές: η ηχώ. Σε μια μακριά γραμμή, όταν το σήμα φθάνει στον τελικό προορισμό του, ένα μέρος της ενέργειάς του μπορεί να ανακλαστεί πίσω, όπως συμβαίνει με την ακουστική ηχώ στα βουνά. Για να δείτε παραστατικά την ηλεκτρομαγνητική ηχώ, δοκιμάστε να φωτίσετε με φακό μέσα από κλειστό παράθυρο ένα σκοτεινό δωμάτιο τη νύχτα. Θα δείτε μια α­νάκλαση της φωτεινής δέσμης στο παράθυρο (δηλαδή, ένα μέρος της ενέργειας έχει ανακλαστεί στην διαχωριστική επιφάνεια αέρος-γυαλιού και σταλεί πίσω προς εσάς). Το ίδιο συμβαίνει στις γραμμές μετάδοσης, ειδικά στο σημείο όπου ο τοπικός βρόχο ς τερματίζει στο τοπικό κέντρο.

Το αποτέλεσμα της ηχούς είναι ότι ένα άτομο που μιλά στο τηλέφωνο ακούει τις δικές του λέξεις μετά από μια μικρή καθυστέρηση. Ψυχολογικές με­λέτες έχουν δείξει ότι αυτό είναι κάτι ενοχλητικό για τους περισσότερους αν­θρώπους και συχνά τους κάνει να τραυλίζουν ή να τα χάνουν. Για να αντιμε­τωπισθεί το πρόβλημα της ηχούς, εγκαθίστανται καταστολείς ηχούς στις γραμ­μές που είναι μακρύτερες από 2.000 km. (Στις βραχείες γραμμές, η ηχώ γυρίζει τόσο γρήγορα που ο κόσμος δεν ενοχλείται). Ένας καταστολέας ηχούς (echo suppressor) είναι μια συσκευή η οποία ανιχνεύει την ανθρώπινη φωνή που έρ­χεται από το ένα άκρο της σύνδεσης και καταστέλλει όλα τα σήματα που κα­τευθύνονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Βασικά είναι ένας ενισχυτής, ο ο­ποίος μπορεί να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί από ένα σήμα ελέγχου που παράγεται από κύκλωμα ανίχνευσης φωνής.

Όταν το πρώτο άτομο σταματά να μιλά και το δεύτερο αρχίζει, ο καταστολέ­ας ηχούς αλλάζει κατευθύνσεις. Ένας καλός καταστολέας ηχούς μπορεί να αλ­λάξει σε 2 έως 5 msec. Ενώ όμως λειτουργεί, οι πληροφορίες μπορεί να ταξιδεύ­σουν προς τη μια μόνο κατεύθυνση. Η ηχώ δε μπορεί να γυρίσει στον αποστο­λέα. Το παρακάτω Σχήμα (α) δείχνει την κατάσταση του καταστολέα ηχούς ενώ ο Α μιλά στον Β. Το Σχήμα (β) δείχνει την κατάσταση, αφού ο Β έχει αρχίσει να μιλά.

Σχήμα. (α) Ο Α μιλάει στον Β. (β) Ο Β μιλάει στον Α.

Οι καταστολείς ηχούς έχουν αρκετές ιδιότητες που είναι ανεπιθύμητες για επικοινωνία δεδομένων. Πρώτον, αν δεν υπήρχαν θα ήταν δυνατή η μετάδοση και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, με τη χρήση διαφορετικής ζώνης συχνοτήτων για κάθε κατεύθυνση. Η προσέγγιση αυτή αποκαλείται πλήρως αμφίδρομη (full duplex)μετάδοση. Με τους καταστολείς ηχούς, η πλήρως αμ-φίδρομη μετάδοση είναι αδύνατη. Η εναλλακτική λύση είναι η ημι-αμφίδρομη (half duplex) μετάδοση, στην οποία η επικοινωνία μπορεί να ακολουθήσει και τις δύο κατευθύνσεις αλλά όχι ταυτόχρονα. Μια μονή σιδηροδρομική γραμμή είναι ημι-αμφίδρομη. Ακόμη και αν η ημι-αμφίδρομη επικοινωνία επαρκεί, είναι ενοχλητική επειδή ο χρόνος που απαιτείται για να αλλάξει η κατεύθυνση μπορεί να είναι αρκετά μεγάλος. Επιπλέον, οι καταστολείς ηχούς έχουν σχεδιασθεί ώστε να αντιστρέφουν με την ανίχνευση ανθρώπινης φωνής κι όχι ψηφιακών δεδομένων.

Για να περιορισθούν αυτά τα προβλήματα προβλέπεται μια διέξοδος στα τηλεφωνικά κυκλώματα που διαθέτουν καταστολείς ηχούς. Όταν οι καταστολείς ηχούς ακούν έναν καθαρό τόνο στα 2100 ΗΖ, κλείνουν και παραμένουν κλειστοί για όσο διάστημα είναι παρόν το φέρον. Η διευθέτηση αυτή είναι ένα από τα πολλά παραδείγματασηματοδοσίας εντός ζώνης (inband signaling), η οποία ονομάζεται έτσι επειδή τα σήματα ελέγχου που ενεργοποιούν και απενεργοποιούν εσωτερικές λειτουργίες ελέγχου βρίσκονται μέσα στη ζώνη που είναι προσβάσιμη από τον χρήστη. Εν γένει, η τάση είναι η απομάκρυνση από την σηματοδοσία εντός ζώνης, ώστε έτσι να μη μπορούν οι χρήστες να παρεισφρήσουν στη λειτουργία του ιδίου του συστήματος. Στις ΗΠΑ, το μεγαλύτερο μέρος της εντός ζώνης σηματοδοσίας έχει καταργηθεί, αλλά εξακολουθεί να υφίσταται σ' άλλες χώρες.

Εναλλακτικά στους καταστολείς ηχούς υπάρχουν οι ακυρωτές ηχούς (echo cancelers). Είναι κυκλώματα που εξομοιώνουν την ηχώ, υπολογίζουν πόση είναι και την αφαιρούν από το σήμα που παραδίδουν χωρίς την ανάγκη μηχανικών ρελέ. Όταν χρησιμοποιούνται ακυρωτές ηχούς, είναι δυνατή η πλήρως αμφίδρομη επικοινωνία. Για τον λόγο αυτό, οι ακυρωτές ηχούς αντικαθιστούν ραγδαία τους καταστολείς ηχούς στις Η.Π.Α και σ' άλλες μεγάλες χώρες.

Τα χαρακτηριστικά και τα πλεονεκτήματα της σύγχρονης μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων

Το βασικό χαρακτηριστικό της σύγχρονης μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων (synchronous transmission), είναι πως η μετάδοση των χαρακτήρων λαμβάνει χώρα κατά ομάδες χαρακτήρων. Η μετάδοση αυτή χαρακτηρίζεται από υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και για το λόγο αυτό
χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην επικοινωνία απομακρυσμένων υπολογιστικών συστημάτων. Υπάρχουν τρία είδη σύγχρονης μετάδοσης, ανάλογα με την μορφή της πληροφορίας που μεταδίδεται. Η μετάδοση προσανατολισμένη προς χαρακτήρα (byte oriented), η μετάδοση προσανατολισμένη προς δυαδικό ψηφίο (bit oriented), και η μετάδοση προσανατολισμένη προς πλαίσιο (frame oriented).

Σε αντίθεση με την ασύγχρονη μετάδοση, όπου ο κάθε χαρακτήρας μεταδίδεται χωριστά από τους άλλους και συνοδεύεται από το start bit και το stop bit, στη σύγχρονη μετάδοση, οι χαρακτήρες μεταδίδονται κατά ομάδες, ενώ ταυτόχρονα, ο πομπός με το δέκτη θα πρέπει να είναι συνεχώς συγχρονισμένοι, για όλο το χρονικό διάστημα αποστολής των χαρακτήρων. Στην περίπτωση της μετάδοσης προσανατολισμένης προς χαρακτήρα, η αναγνώριση εκκίνησης μιας ομάδας χαρακτήρων από το δέκτη, γίνεται με την αποστολή ενός ειδικού χαρακτήρα στην αρχή της ομάδας, που ονομάζεται χαρακτήρας συγχρονισμού. Ο χαρακτήρας αυτός αποστέλλεται δύο φορές, έτσι ώστε να αποκλειστεί το ενδεχόμενο εσφαλμένης αναγνώρισης, στην περίπτωση που αυτός ο χαρακτήρας περιλαμβάνεται μέσα στα δεδομένα. Στην περίπτωση τηςμετάδοσης προσανατολισμένης προς δυαδικό ψηφίο, το τμήμα των δεδομένων αντιμετωπίζεται σα μια διαδοχή από δυαδικά ψηφία, ενώ στη μετάδοση προσανατολισμένη προς πλαίσιο, η σειρά των χαρακτήρων του μηνύματος ομαδοποιείται, και υποδιαιρείται σε πλαίσια (frames) τα οποία συμπεριλαμβάνουν και τους χαρακτήρες συγχρονισμού.

Τα πλεονεκτήματα της σύγχρονης μετάδοσης, μεταξύ των άλλων περιλαμβάνουν την καλύτερη αξιοποίηση του καναλιού σε σχέση με την ασύγχρονη μετάδοση(δεδομένου ότι δεν αποστέλλονται τα start και stop bits για κάθε χαρακτήρα, παρά μόνο μερικοί χαρακτήρες ελέγχου στην αρχή και στο τέλος των δεδομένων) και τημεγαλύτερη απόδοσή της όσον αφορά την αναγνώριση σφαλμάτων. Επιπλέον ο αριθμός των χαρακτήρων που μεταδίδονται σε κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, είναι πάντα γνωστός, κάτι που δεν ισχύει στην ασύγχρονη μετάδοση.

Δυνατότητα λειτουργίας ενός ασύρματου modem - rooter απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα σε συνδεσμολογία με ISDN modem rooter και με PSTN modem rooter