Híradástechnika I. 1.ea

Átírás

1 } Híradástechnika I. 1.ea Dr.Varga Péter János

2 2 Híradástechnika Intézet Elérhetőségek Dr.Varga Péter János Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Híradástechnika Intézet Telefon: +36 (1) Cím: 1084 Budapest, Tavaszmező u. 15. B ép WEB:

3 Félévközi követelmények Az előadásokon és a gyakorlatokon a részvétel kötelező. Az a hallgató, aki túllépte a TVSZ-ben megengedett hiányzások számát, a félévi követelményeket nem teljesítette, ezért nem kap aláírást, letiltjuk, nem pótolhat. A hallgató az aláírást csak abban az esetben kaphatja meg, ha a félév során a megírt kettő nagy zárthelyi dolgozatával külön-külön legalább 50%-os eredményt ért el. A zárthelyi dolgozatokat az előadáson íratjuk az alábbi ütemezés szerint: Időpont Időtartam Minimálisan elvárt eredmény Témák ZH oktatási hét 60. perc 50% oktatási hét tananyagai ZH oktatási hét 60 perc 50% oktatási hét tananyagai ZH pótlás 14. oktatási hét 60 perc 50% teljes anyag 3

4 Félévközi követelmények A félév során lehetőség van megajánlott vizsgajegy megszerzésére is (jeles, jó), melynek alapfeltétele az, hogy a két normál időpontban megírt ZH átlaga legalább 4,0.

5 A vizsga A hallgató csak akkor vizsgázhat, ha az aláírást megszerezte. A vizsgadolgozat feladatokat és elméleti kérdéseket (teszt) tartalmaz. A feladatokra perc, az elméleti kérdésekre tesztkérdésenként 1 perc áll rendelkezésre. Az a hallgató, aki a vizsgán 50%-nál kevesebbet ér el, elégtelen (1) érdemjegyet kap. A vizsgán elért %-os teljesítmény függvényében a hallgatók az alábbi táblázat szerint kapják a vizsgajegyet (a százalékos értékeke a pontok kerekítése miatt némi eltérést mutathat): Százalék Vizsgajegy jeles (5) jó (4) közepes (3) elégséges (2) 0-49 elégtelen (1) 5

6 Ajánlott irodalom Tantárgy Jegyzet Szerzők Híradástechnika I. (prezentáció) 2046 Lukács-Mágel-Wührl Híradástechnika I. (könyv) OE KVK 2090 Lukács-Wührl HTE online könyve: Távközlő hálózatok és informatikai szolgáltatások Link: 6

7 7

8 Hírközlő rendszerek Hírközlő rendszerek Távközlő hálózatok Műholdas hálózatok Mobiltelefon hálózatok Informatikai hálózatok Műsorszétosztó hálózatok Technológiai hálózatok Műsorelosztó hálózatok 8

9 9

10

11 11

12 12

13

14 A fejlődés legfontosabb fejezetei A felfedezés időpontja Telefon 1876 Rádióhullámok Televízió 1936 Rádiótelefon 1946 Számítógép 1946 Távközlési műhold 1962 Tároltprogram-vezérlésű telefonközpont 1965 Mikroprocesszor 1971 Fényvezető kábel 1977 Lokális számítógép hálózatok A.G. Bell Feltaláló(k) H. Hertz, A Popov, G. Marconi British Broadcasting Co. (BBC) Cellás rendszer, Bell Laboratórium Electronic Numeric Integrator and Computer (ENIAC) University of Pensylvania Telstar, Bell Laboratórium No. 1. ESS, Bell Laboratórium Intel Corp. Corning Glass Works Ethernet, Xerox-Intel-DEC 14

15 A fejlődés képekben 15

16

17

18 A Híradástechnika elméleti alapjainak kialakulása Ismeret Hálózatelmélet Elektromágneses térelmélet Forgalomelmélet Jelátvitel, moduláció Hálózatszintézis Statisztikus hírközléselmélet Információelmélet és kódolás Jelfeldolgozás Meghatározó személyek Ohm 1827, Kirchoff 1847, Heaviside 1900, Bode 1945 Maxwell 1873 Erlang 1917 Nyquist, és Hartley Amstrong (FM) 1936, Reekes (PCM) 1937 Foster 1924, Cauer Brune 1931, Darlington 1939 Rice, Wiener, Kotelnikov Shannon, Hamming Cooley és Tukey (FFT)

19 Kiemelkedő magyar alkotók a híradástechnikában 19

20 20

21 Témakörök Híradástechnika fogalma Emberi érzékelés Jelek és osztályozásuk Modulációk Digitális jelek előállítása A jelátvitel fizikai közegei Antennák Műholdas helymeghatározás Jelátalakítók Műsorszórás Távközlő hálózatok Mobil távközlés 21

22 Híradástechnika fogalma Jelek tárolása, továbbítása átalakítása és feldolgozása. Azon (elektronikus) műszaki megoldások összessége, amelyek segítségével információt tudunk átvinni bármely két pont között, bármilyen távolságra, lehetőség szerint kis torzítással és hibával, ésszerű költségek mellett. 22

23 A hírközlés célja, modellje 23

24 A hírközlés célja, modellje Üzenet: Továbbításra szánt adathalmaz Hír: Időfüggvénnyé alakított üzenet Jel: A hír elektromos mása Zaj: Minden egyéb, amely az előzőek mellett nem kívánatos jelenségként fellép Cél: VETT ÜZENET = KÜLDÖTT ÜZENET 24

25 Mi lehet az üzenet? Beszéd Zene Szöveg Állókép Mozgókép Adat 25

26 Emberi érzékelés Hallás Látás Tapintás Ízlelés Szaglás 26

27 A hallás A hang fogalma: rugalmas közegben terjedő, mechanikus rezgőrendszer által keltett hullám, amely az emberben hangérzetet kelt A kellemetlen hang II ZAJ 27

28 Az emberi hallás mechanizmusa Külső fül: a fülkagylóból, a hallójáratból és a dobhártyából áll Középfül: a nyomáshullám átalakul rezgéssé a hallócsontocskák segítségével Belső fül: a rezgés folyadékban terjedő hullámmá alakul, a folyadék mozgatja a szőrsejteket, amely a hallóidegekhez csatlakozik 28

29 29

30 A hangjelenségek felosztása A hangjelenségek felosztása frekvencia alapján f < 20 Hz infrahang Hz < f < 20 khz hallható hangok 20 khz < f < 100 MHz ultrahang MHz < f hiperhang

31 A hangot leíró fizikai mennyiségek A leíró fizikai mennyiségek: Híradástechnika Intézet hangnyomás: p [Pa] - egy pontra jellemző W hangintenzitás: I [ m2] - egy felületre jellemző hangteljesítmény: P [W] - a hangforrásra jellemző Szintek: hangnyomás-szint: p 0 = [Pa] hangintenzitás-szint: I 0 = [ W m 2] hangteljesítmény-szint: P 0 = [W] 31

32 Emberi hallás Hallásküszöb és fájdalomküszöb I db = 10 log I[ W m 2] I 0 [ W m 2] I 0 = [ W m 2] 32

33 Emberi hallás Hangosság szintek (Fletchner-Munson a Phon görbék) 33

34 Hallásvizsgálat eredménye 34

35 Hallás és a zaj 35

36 Zajtérkép 36

37 Hallás és az elfedési jelenség 37

38 A látás A szem 38

39 Az emberi látás A szembe érkező fénysugarak 2 helyen törnek meg: szaruhártya lencse Áthaladnak az üvegtesten Retinákra érkeznek, ahol kicsinyített fordított állású kép keletkezik A fény hatására a receptorok ingerületbe jönnek Az ingerületet átveszik az idegsejtek és látóidegként kilépnek A látóideg részlegesen átkereszteződik A képet az agy visszafordítja 39

40 A szem felépítése 40

41 41

42 Fénytechnikai alapok Láthatósági függvény Szín Ibolya Kék Zöld Sárga Narancs Vörös Hullámhossz nm nm nm nm nm nm 42

43 Szem felbontóképessége Az emberi szem felbontóképessége egészséges emberek és normál fényviszonyok esetén 2 ívperc körüli érték. A szem színfelbontása sokkal rosszabb, mint fekete-fehér felbontása. A színes képpontokra vonatkozóan a felbontóképesség mindössze 8-10 ívperc. A szem felbontóképessége a tisztánlátás távolságában, vagyis kb. 25 cm-nél körülbelül 0,08 mm. 1 méter távolságból már csak két 0,3 mm-re levő pontot tud egymástól a szemünk megkülönböztetni. 10 méterről ez az érték 3 mm. 43

44 A jelek 44

45 Alapfogalmak A jel fogalma: A fizikai mennyiség olyan érteke vagy értékváltozása, amely egy egyértelműen hozzárendelt információt hordoz A jel információtartalommal bír Matematikai függvények x D f : értelmezesi tartomány y R f : értékkészlet 45

46 Jelek felosztása értékkészlet szerint lefolyás szerint az információ megjelenési formája szerint az érték meghatározottsága szerint 46

47 A jel értékkészlete szerint Folytonos a jel, ha tetszés szerinti értéket vehet fel és értékkészlete folytonos, vagyis egy összefüggő tartomány

48 A jel értékkészlete szerint Szakaszos a jel, ha csak meghatározott, diszkrét (izolált) értékeket vehet fel, egy megszámlálható számhalmaz elemeiből, két szomszédos diszkrét értéke közötti értékkészlete hiányzik. Az ilyen jel, időben folytonos, de értékkészletében diszkrét. (lépcsős, más néven kvantált jelalak, vagy diszkrét értékű jel). 48

49 Lefolyás szerint Folyamatos a jel, ha a független változó egy adott tartományában megszakítás nélkül fennáll. A folyamatos jel matematikai modellezésénél olyan függvényt alkalmazunk, ahol a független változó t R (R a valós számok halmaza). Dinamikus rendszerek esetében a független változó az idő. Ilyenkor folytonos idejű jelről beszélünk, melynek jele FI. 49

50 Lefolyás szerint Szaggatott a jel, ha az a független változó egy adott tartományában csak megszakításokkal áll fenn. A független változó meghatározott értékeiben szolgáltatnak információt a jel a többi értékeknél megszakad. Az információszolgáltatás a független változó bizonyos értékeire értelmezett. Időt alkalmazva független változóként eljutunk a diszkrét idejű jel fogalmához, melynek jele a DI. 50

51 Az információ megjelenési formája szerint Analóg a jel, ha az információt a jelhordozó értéke vagy értékváltozása közvetlenül képviseli. Az analóg jel információtartalma tetszőlegesen kis változásokat is közvetít. Digitális a jel, ha az információ a jelhordozó számjegyet kifejező, diszkrét, jelképi értékeiben (kódjaiban) van jelen. 51

52 Az érték meghatározottsága szerint Determinisztikus a jel, ha értéke meghatározott időfüggvénnyel egyértelműen megadható, elegendő pontossággal lehet mérni, és megismételhető folyamatot hoz létre. T T t t 1 t 2 t 3 52

53 Az érték meghatározottsága szerint Sztochasztikus a jel, ha véletlen lefolyású, és csak valószínűség-számítási módszerekkel írható le, a jel mérésekor véletlenszerű eredményeket kapunk. Ilyenkor nem tudunk egyértelmű időfüggvényt megadni. A jel statisztikus tulajdonságait kell meghatározni, mint például a várható értékét, szórását. 53

54 Jelek értelmezési tartománya és értékkészlete 54

55 Jelek grafikus ábrázolása 55

56 Ki volt Fourier? Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) matematikus és fizikus A Hő terjedését tanulmányozta 1807-ben írt dolgozatában a hő eloszlását szinuszokkal próbálta közelíteni A dolgozat bírálói: J. L. Lagrange ( ) és P. S. Laplace ( ) A dolgozatot Lagrange kérésére visszautasították 15 évvel később, Lagrange halála után, kiadták a dolgozatot 56

57 A Fourier transzformáció célja Áttranszformálni a függvényt IDŐ tartományból FREKVENCIA tartományba; Frekvencia tartományban sokszor egyszerűbb eszközökkel oldható meg egy mérnöki számítás, illetve könnyebben értelmezhető az adott feladat. 57

58 Fourier transzformáció fajtái A jel típusa alapján megkülönböztetünk: I. Folytonos és periodikus: Fourier sorfejtés II. Folytonos és nem periodikus: Fourier transzformáció III. Diszkrét és periodikus: Diszkrét jel Fourier sorfejtése IV. Diszkrét és nem periodikus: Diszkrét idejű Fourier transzformáció 58

59 Fourier sorfejtés Periodikus, folytonos jelekre alkalmazhatjuk; Periodikus jelek spektruma harmonikusakat tartalmaz a spektrumkép vonalas; Az alapharmonikust, amely a periodikus jel periódus idejének reciprokával megegyező frekvencia, alapfrekvenciának nevezzük Jelölése: f 0 A spektrum csak az alapfrekvancia és annak egész számú többszöröseinek megfelelő frekvenciákat (felharmonikusait) tartalmazza: f 0, 2f 0, 3f 0, 59

60 Jelek spektrális felbontása 60

61 Spektrum ábra példa 61

62 Sávhatárolt jel x(t) sávhatárolt f 1 <f 2 frekvenciák között, ha a spektrum összetevők az [f 1 f 2 ] és a [-f 1,- f 2 ] intervallumokon kívül zérus súlyúak. spektrum f sávhatárolt f 1 f 2 f 62

63 Legfontosabb jelek és spektruma Szinuszos jel: f = 1 T, = 2 f = 2 T A Négyszög jel: T T t A = 2 T C ( t) = + sin t + sin 3 t + sin t 63

64 Legfontosabb jelek és spektruma Fűrészjel: C ( t) = sin t + sin 2 t + sin C(t) t Szinuszos jel kétutas egyenírányítás után: C(t) f C ( t) = + sin t sin 2 t + sin t f 64

65 Legfontosabb jelek és spektruma Szinuszos jel egyutas egyenirányítás után C(t) f C ( t) = + sin t + sin 2 t sin t t 65

66 Forrás Lukács-Mágel-Wührl: Híradástechnika I. (prezentáció) Lukács-Wührl: Híradástechnika I. (könyv) 66