Digitális adattovábbítás, kommunikáció Az információs és kommunikációs technika (IKT) gyorsuló ütemben fejlődik. Az elektromágneses hullámok néhány fajtájának (rádióhullámok, mikrohullámok, fény) segítségével fénysebességgel továbbíthatjuk az információkat. Az adatok, jelek továbbításának első lépése: - Jelek, adatok átalakítása elektromos árammá. Minden adatot, jelet először váltakozó elektromos feszültséggé, árammá, elektromos jellé alakítanak. Hangot mikrofonnal, képet kamerával, szöveget számítógéppel. (Vannak egyéb átalakítók, mérőszenzorok pl. hőmérsékletmérő, fénymérő, stb..., amelyek az adatokat szintén elektromos jellé alakítják.) Kétféle elektromos jel jöhet így létre, analóg és digitális jel (tk. 47. o.): Analóg jel (ma már kevés helyen alkalmazzák): A váltakozó feszültségű jel minden értéket felvehet. Hátránya: A továbbítás során a külső elektromos zajok miatti jeltorzulásokat, zajokat nehéz vagy nem is lehet a vevőáramkörrel javítani, helyreállítani. Ezért analóg jellel továbbított adatokkal nem lehet tökéletes minőségű (pl. HD TV, zajmentes rádióadás, vagy telefon, internet) jeltovábbítást megvalósítani.
Digitális jel: A váltakozó elektromos feszültség két érték váltakozásának sorozata. Ez a két érték: Van feszültség (általában 5 Volt) 1-essel jelöljük Nincs feszültség 0-val jelöljük. A digitális jeleket áramköri elemek tudják tárolni. Ezek félvezetőkből, szilíciumból és germániumból készülnek. Egy memóriaáramkörben több millió digitális jel (1-es vagy 0) tárolható. Ezeket egyre kisebb méretben tudják gyártani. Bit-ek, byte-ok Egy db 1-es vagy 0 jelet, adatot 1 bit-nek nevezünk. 8 db bit egymás után, egy 8 helyiértékes kettes számrendszerbeli számot képes tárolni 0 és 255 között. Egy ilyen nyolcas egység, 8 bit a byte. Nagyobb egységek kb (kilobyte), MB (megabyte), GB (gigabyte)
Kettes számrendszer A digitális adatokat kettes számrendszerben tárolják a memória áramkörök, és kettes számrendszerben végeznek műveleteket ezekkel az adatokkal a digitális jeleket felhasználó eszközök (számítógép, mobiltelefon, TV, rádió adók). A kettes számrendszer helyiértékei 2 0, 2 1, 2 2, 2 3, 2 4, 2 5, 2 6, 2 7, stb... vagyis 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, stb... Ebben a rendszerben leírva egy szám (1-esek és 0-k sorozata): Példa: 10-es számrendszerben 149-es szám kettes számrendszerben: Helyiértékek: 128 64 32 16 8 4 2 1 Számadat: 1 0 0 1 0 1 0 1 (128+16+4+1=149) Adatok, jelek átalakítása digitális (kettes számrendszerbeli) adattá Minden adatot (pl. hang, kép, szöveg, fényerősség, mágneses térerő, hőmérséklet, stb...) megfelelő eszközzel át lehet alakítani digitális jelekké, 1-esek és 0-k sorozatává. Pl. Hangot mikrofonnal, képet kamerával, hőmérsékletet hőmérő szenzorral (pl. digitális hőmérő), szöveget számítógéppel, stb...) Szöveg átalakítása egy kódrendszer alapján történik. Pl. az ASCII kódrendszer minden betűt (kis és nagybetű), és jelet (pl. pont, kérdőjel, stb...) azonosít egy 0 és 255 közötti számmal, kettes számrendszerben.
Adatátviteli sebesség (tankönyv 52. oldal) A digitális (másnéven bináris) adatokat lehet tárolni számítógépes mágneses merevlemezen, vagy pendrive-on, vagy más memória adattárolón pl. SSD (52. oldal). Az adattárolók között át lehet adni az adatokat. Az adatátvitel sebessége= adatmennyiség / idő Az adatmennyiséget Mbyte-ban, vagy Mbit-ben, vagy Gbyte-ban vagy Gbit-ben szokták megadni, az időt másodpercben. Pl. Egy film 10-20 GB (gigabyte). Ha ezt USB-n 40 mp alatt át lehet másolni, akkor az USB adatátvételi sebessége 20 GB / 40 s = 0,5 GB/s = 500 MB/s. Az adatok, jelek továbbításának második lépése: - Moduláció: Az információt tartalmazó digitalizált adatokat, jeleket egy vivőhullámra (rádióhullám, mikrohullám, fény, infravörös sug.) kell ráültetni. Ez azt jelenti, hogy a jelnél sokkal nagyobb frekvenciájú vivőhullámmal adják össze a továbbítandó jelet. A modulációnak két fajtája van (szöveg és rajz: tankönyv 47.o.): Amplitúdó moduláció (AM): A információs jel a vivőhullám feszültség nagyságát, vagyis az amplitúdóját változtatja meg. Frekvencia moduláció (FM): A információs jel a vivőhullám frekvenciáját változtatja meg. Ma az FM-et használják a rádió és TV jeltovábbításoknál.
Pl. Egy rádióadás folyamata: Egy rádióadás vivőhullámának alapfrekvenciája 89,5 MHz, az információs jelet (hangot, zenét) erre a frekvenciára ültetik rá (modulálják), és az adó ezt a modulált jelet sugározza a térben. Egy vevőkészülékkel kiválasztva ezt a vivőhullámot, a vevőkészülék leveszi a vivőhullámról a jelet (demodulálás) és visszaalakítja az elektromos jelet hanggá, zenévé (hangszóróval). Ha másik vivőhullámot (pl. 103,3 MHz) választ ki a vevőkészülék, akkor másik rádióadó jelét lehet fogni. A vivőhullám előállítása A vivőhullámot egy elektromágneses rezgőkör áramkörrel lehet előállítani. Ez egy kondenzátorból és egy tekercsből áll. Jelölése az ábrán C és L. A kondenzátort és a tekercset összekapcsolva kapjuk az elekromágneses rezgőkört: Ha a kondenzátorra feszültséget kapcsolunk (1), akkor feltöltődik, majd összekapcsoljuk a tekerccsel (2), akkor létrejön a kondenzátorban az elektromos térnek, a tekercsben pedig a mágneses térnek a periodikus váltakozása. Az áramkörben az áram és a feszültség is periodikusan váltakozik. (tk. 53.o.) A váltakozó feszültség (vivőhullám) frekvenciája a kondenzátor és a tekercs adataitól függ, azok változtatásával állítható be.
Az adatok, jelek továbbításának harmadik lépése: - A modulált jelek továbbítása a vivőhullámokkal a térben. Az elektromágneses rezgőkör kinyitásával (ez az antenna) a rezgőkörben változó elektromos és mágneses tér kisugárzódik a rezgőkört körülvevő térben. Az adó-antenna és vevő-antenna között az elektromágneses vivőhullám (rádióhullám, mikrohullám) továbbítja a jeleket a térben fénysebességgel. antenna (tk. 54.o.) antenna A rádióhullámok, mikrohullámok a légüres térben is terjednek. Sebessége vákuumban, vagy levegőben: 300 000 km/s = 3 10 8 m/s (fénysebesség)
A jeltovábbítás fajtái: 1. Az adótól a vevőig a jelek rádióhullámokon, mikrohullámokon jutnak el műholdakon keresztül. A műholdak 20-40 ezer km magasságban vannak. (pl. TV, rádió adások, GPS) Előnye, hogy mivel a rádióhullámok egyenes vonalban terjednek, a Földet körülvevő sok műhold segítségével a jelek a Föld bármely helyére továbbíthatók. Hátránya, hogy a műhold nagy távolsága miatt a fénysebességgel haladó rádióhullámok néhány tized másodperc alatt jutnak az adótól a vevőig, vagyis néhány tized másodperc késleltetési idő van. 2. Az adótól a vevőig a jelek rádióhullámokon, mikrohullámokon jutnak el a Földön elhelyezett átjátszó állomásokon, átjátszó antennákon keresztül. Előnye, hogy gyorsabb, mint a műholdas adás. Hátránya, hogy mivel a rádióhullámok egyenes vonalban terjednek, a Föld domborzatától függ, hogy hova jutnak el a jelek. Vannak olyan helyek, ahol nincs térerő, vagyis ahová nem jut el a vivőhullám. (pl. mobiltelefon) 3. Az adótól a vevőig a jelek optikai kábelen (üvegszálkötegből álló fénykábelen) jutnak el fénysugárral. (tankönyv 56.o.)
Az optikai kábel működése a fény teljes visszaverődésén alapul: Ha az üvegszálban haladó fény a belső felületére elég laposan, nagy szögben esik, akkor nem tud kilépni, hanem teljesen visszaverődik, és az üvegszálban halad tovább (vízben is megvalósul ez a jelenség). Akkor is elég nagy ez a szög, és visszaverődik, ha az üvegszálat meghajlítják. Ezt a jelenséget használják az optikai kábeleknél vagy orvosi alkalmazásként is (pl. üvegszálas endoszkóp). Előnye: gyors (fényseb.), hátránya: sérülhet a kábel. Ha az optikai kábel egyik végén belevilágítják a fényre modulált adatjeleket, akkor a kábel másik végén jön ki akkor is, ha a kábel meg van hajlítva. A szárazföldeken és a tengerek, óceánok alatt is számtalan kábel van lefektetve. A városokban is ilyen kábeleken vezetik a szolgáltatók a lakásokig a TV, internet, vezetékes telefon jeleket. Az országok és földrészek között is az internet, és vezetékes telefon jelek ilyen optikai kábeleken keresztül haladnak. (tk. 56.o.)
4. Hagyományos áramvezetéken (árnyékolt antennakábelen) keresztül. Kis távolságokon használják, pl. a lakásokban levő vevőkészülékekhez ezeken vezetik be a szolgáltatók a TV, vezetékes telefon, internet jeleket. Hátránya, hogy hosszú távolságra lassú lenne (az elektromos áram benne lassú, nem fénysebességgel haladnak az elektronok). A kábelek sok év alatt elöregednek, megrepedhetnek. Előnye: olcsó, és kis távolságra nem jelentős a lassúság. Az adatok, jelek továbbításának utolsó lépése: - A felhasználóhoz vevőhöz továbbított modulált jel visszaalakítása először elektromos árammá, aztán az eredeti jellé (hanggá, képpé, szöveggé). A vevőberendezés, áramkör a vivőhullámről leveszi demodulálja a digitális jelet, adatot, és átalakítja hanggá, képpé, szöveggé. Ilyen vevőberendezés a rádióvevő, TV beltéri egység, GPS vevő (ezek vevők), mobiltelefon, számítógép, vezetékes telefon (ezek nem csak vevők, hanem adók is).
A TV működése, fajtái (tk. 57.-58. oldal) A TV-k képernyője pontokból, pixelekből áll. Minden TV egy db pixel színét a 3 alapszínből állítja össze: kék, zöld, piros A TV felbontása a pixelek számát jelenti. Pl. egy nagy felbontású HD TV 1920 x 1080 azaz 2 millió pixelből áll. Minél nagyobb a felbontás, annál élesebb képet látunk. A TV-k abban különböznek egymástól, hogy hogyan állítják elő 1 pixel színét. LED TV energiatakarékos LED égőkkel Legkorszerűbb, energiatakarékos, gyors, nagy felbontás lehetséges Plazma TV plazmaállapotú gáz fényét fluoreszkáló anyag alakítja át. Nagyobb a fogyasztása, és egy állandó fénypont, (pl. állandó felirat pontjai) károsíthatja a képernyőnek az adott pixelét. LCD TV folyadékkristály által átengedett fény változik feszültség hatására Keveset fogyaszt, de kevésbé fényerős a képe, oldalról nem tökéletesen látszik.
A mobiltelefon jel továbbítása (tk. 60-62. o.) A szolgáltatók sok bázisállomást (átjátszó állomást) létesítenek. A felhasználó telefonáló a legközelebbi bázisállomáshoz kapcsolódik. Mivel több felhasználó is kapcsolatot tart a szolgáltatóval egyszerre, ezért különböző frekvenciájú vivőhullámra, mikrohullámra állítja őket a szolgáltató (800-2000 MHz között). Ha viszont többen akarnak egymással beszélgetni (konferencia beszélgetés), akkor azoknak a jelei azonos frekvencián továbbítódnak. Kisebb energiájú mikrohullámmal lehet továbbítani az adatokat, ha a telefon közelebb van a bázisállomáshoz. Ezért is szükséges, hogy a bázisállomások elég sűrűn helyezkedjenek el. Érzékelők (szenzorok) a telefonokban: A telefonok (típustól függően) több-kevesebb érzékelőt tartalmaznak: fényérzékelő, kamera, jelenlét-érzékelő, helyzetérzékelő, mágneses érzékelő, Megfelelő szoftverekkel, alkalmazásokkal a mobilok ezekkel az érzékelőkkel különböző mérésekre alkalmasak. Pl. sebességmérés, GPS helymeghatározás, útvonaltervezés, iránytű, vízmérték, stb...