} Híradástechnika I. 1.ea Dr.Varga Péter János
Elérhetőségek Dr.Varga Péter János E-mail: varga.peter@kvk.uni-obuda.hu Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Telefon: +36 (1) 666-5140 Cím: 1084 Budapest, Tavaszmező u. 17. C ép. 508. WEB: www.vpj.hu 2
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: http://regi.hte.hu/online_konyv 3
Számonkérés A félév során a Hallgatók két zárthelyit (ZH) írnak, melynek átlaga minimum 2,0, ez az aláírás feltétele. A 2,0 átlagot el nem érők pót ZH írásra kötelezettek, a pót ZH írás időpontja az utolsó oktatási héten van. Az igazolatlanul meg nem írt ZH eredménye 0. 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. A vizsga a kiírt időpontokban (3 alkalom) írásban történik. 4
Számonkérés A két ZH időpontjai: 6. oktatási hét előadás időpontjában 12. oktatási hét előadás időpontjában Pót ZH: 14. oktatási hét 5
6
Hírközlő rendszerek Hírközlő rendszerek Távközlő hálózatok Műholdas hálózatok Mobiltelefon hálózatok Informatikai hálózatok Műsorszétosztó hálózatok Technológiai hálózatok Műsorelosztó hálózatok 7
8
9
10
A fejlődés legfontosabb fejezetei A felfedezés időpontja Telefon 1876 Rádióhullámok 1887-1907 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 11
A fejlődés képekben 12
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 1920-28 Amstrong (FM) 1936, Reekes (PCM) 1937 Foster 1924, Cauer 1926-44 Brune 1931, Darlington 1939 Rice, Wiener, Kotelnikov 1944-47 Shannon, Hamming 1948-50 Cooley és Tukey (FFT) 1965 15
Kiemelkedő magyar alkotók a híradástechnikában 16
17
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 18
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. 19
A hírközlés célja, modellje 20
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 21
Mi lehet az üzenet? Beszéd Zene Szöveg Állókép Mozgókép Adat 22
Emberi érzékelés Hallás Látás Tapintás Ízlelés Szaglás 23
A hallás A hang fogalma: rugalmas közegben terjedő, mechanikus rezgőrendszer által keltett hullám, amely az emberben hangérzetet kelt A kellemetlen hang II ZAJ 24
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 25
26
A hangjelenségek felosztása A hangjelenségek felosztása frekvencia alapján f < 20 Hz infrahang 1. 20 Hz < f < 20 khz hallható hangok 20 khz < f < 100 MHz ultrahang 2. 100 MHz < f hiperhang 1. 2. 27
A hangot leíró fizikai mennyiségek A leíró fizikai mennyiségek: hangnyomás: p [Pa] - egy pontra jellemző W hangintenzitás: I [ m2] - egy felületre jellemző hangteljesítmény: P [W] - a hangforrásra jellemző Szintek: hangnyomás-szint: p 0 = 2 10 5 [Pa] hangintenzitás-szint: I 0 = 10 12 [ W m 2] hangteljesítmény-szint: P 0 = 10 12 [W] 28
Emberi hallás Hallásküszöb és fájdalomküszöb I db = 10 log I[ W m 2] I 0 [ W m 2] I 0 = 10 12 [ W m 2] 29
Emberi hallás Hangosság szintek (Fletchner-Munson a Phon görbék) 30
Hallásvizsgálat eredménye 31
Hallás és a zaj 32
Zajtérkép http://terkep.budapest.hu/website/zajterkep4/viewer.htm?win=frame 33
Hallás és az elfedési jelenség 34
A látás A szem 35
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 36
A szem felépítése 37
38
Fénytechnikai alapok Láthatósági függvény Szín Ibolya Kék Zöld Sárga Narancs Vörös Hullámhossz 380-420 nm 420-490 nm 490-575 nm 575-585 nm 585-650 nm 650-750 nm 39
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. 40
A jelek 41
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 42
Jelek felosztása értékkészlet szerint lefolyás szerint az információ megjelenési formája szerint az érték meghatározottsága szerint 43
A jel értékkészlete szerint Folytonos a jel, ha tetszés szerinti értéket vehet fel és értékkészlete folytonos, vagyis egy összefüggő tartomány. 1 0.5 0-0.5-1 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 44
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). 45
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. 46
Lefolyás szerint A jelek valós matematikai függvények, de néhány rajtuk végzett transzformáció hatására komplex változóként jelentkezhetnek. Ilyen például a forgóvektorok ábrázolása amplitúdójukkal és fázisukkal. - komplex kifejezés - a forgás szögsebessége - a forgó vektor amplitúdója - a fázisszög 47
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. 48
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. 49
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 50
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. 51
Jelek értelmezési tartománya és értékkészlete 52
Jelek grafikus ábrázolása 53
Ki volt Fourier? Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) matematikus és fizikus A Hő terjedését tanulmányozta 1807-ben írt dolgozatában a hő eloszlását szinuszokkal próbálta közelíteni A dolgozat bírálói: J. L. Lagrange (1836-1813) és P. S. Laplace (1749-1827) A dolgozatot Lagrange kérésére visszautasították 15 évvel később, Lagrange halála után, kiadták a dolgozatot 54
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. 55
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 56
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, 57
Jelek spektrális felbontása 58
59
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 60
Legfontosabb jelek és spektruma Szinuszos jel: f 1 T, 2 f 2 T A Négyszög jel: T T t A 2 0 3 0 5 0 0 2 T C t 1 2 1 1 sin 0t sin 3 0t sin 5 0t... 2 3 5 61
Legfontosabb jelek és spektruma Fűrészjel: C t 1 1 1 1 sin 0t sin 2 0t sin 3 0t... 2 2 3 C(t) Szinuszos jel kétutas egyenírányítás után: C(t) f 2 2 0 C t 0 3 0 2 4 1 1 1 sin 0t sin 2 0t sin 3 0t... 1 3 3 5 5 7 f 62
Legfontosabb jelek és spektruma Szinuszos jel egyutas egyenirányítás után C(t) 3 0 4 0 0 2 0 f C t 1 1 2 2 1 1 sin t sin 2 0t sin 4 0 1 3 3 5 0 t... t 63
Spektrum ábra példa 64
Forrás Lukács-Mágel-Wührl: Híradástechnika I. (prezentáció) Lukács-Wührl: Híradástechnika I. (könyv) 65