1 INTRODUCERE Comunicaţiile şi transmisiile de date, dar şi răspândirea reţelelor de calculatoare cunosc o dezvoltare fără precedent. Este unul din domeniile tehnologice care aduce beneficii oricărei instituţii, companii sau individ, oriunde s-ar afla pe glob. Fără acesta, multe ramuri industriale nici nu ar exista. În trecut, majoritatea sistemelor de comunicaţii utilizau semnale analogice pentru transmisie. De exemplu în cazul unui sistem de telefonie analogică, nivelul de tensiune era variabil funcţie de semnalul vocal. Semnale nedorite, parazite provenite de la surse externe pot crea foarte uşor probleme unor astfel de transmisii. Într-un sistem digital de comunicaţii semnalul analogic este transformat în şiruri de 1 şi 0. Aceste şiruri sunt codificate cu nivele de tensiune L şi H şi apoi sunt transmise, imunitatea la zgomote şi perturbaţii fiind mult îmbunătăţită. Din acest motiv ele s-au răspândit foarte mult şi sunt astăzi predominante. Comunicaţiile digitale oferă de asemenea un număr mare de servicii, permit trafic ridicat şi transfer de date cu viteză mare între emiţător şi receptor. Domeniul de acoperire a comunicaţiilor digitale sunt televiziune prin cablu, reţele de calculatoare, fax, telefonie mobilă, radio, etc. 1.1. Istoricul comunicaţiilor Comunicaţiile îşi au rădăcinile de la primele picturi rupestre sau de la semnalizarea cu fum. Mult înainte de comunicaţiile electrice, omul a folosit focul, fumul sau lumina pentru a transmite mesaje la distanţe mari. De exemplu Claude Chappe a realizat semaforul în 1972, care a fost folosit pentru a transmite mesaje cu steaguri şi lumină. Istoria comunicaţiilor moderne poate fi împărţită în trei etape: - descoperirea undelor radio (care datorează mult lui Coulomb, Ampère, Ohm, Gauss, Faraday, Henry şi Maxwell cei care au pus bazele electrotehnicii) - revoluţia electronicii care a permis miniaturizarea si a crescut fiabilitatea şi sensibilitatea echipamentelor - revoluţia calculatoarelor personale care a accelerat trecerea la comunicaţiile digitale şi integrarea acestora sub formă de comunicaţii prin text, vocale, imagini sau video. - comunicaţiile prin sateliţi, reţele locale şi digitale. 1
1.1.1 Istoricul electrotehnicii Primele observaţii asupra existenţei forţei electrice au făcute de filozoful grec Thales care a observat că frecând o bucată de chihlimbar cu o blană cele două se atrag. De la numele grecesc al chihlimbarului (elektron) provine şi numele particulei şi domeniului ingineresc. Un concept important în circuitele electrice este fără îndoială legat de energia magnetică. Acolo unde este o forţă electrică există şi o forţă magnetică asociată. Înţelegerea acestor fenomene a început să dea roade în secolul al 17-lea când William Gilbert a investigat magneţii şi a descoperit ca Pământul are un câmp magnetic, şi că magnetul suspendat liber se orientează după acesta. În secolul 18 Benjamin Franklin observă curgerea curentului electric ridicând un zmeu într-o furtună. Câţiva ani mai târziu Charles Coulomb a arătat că forţa de atracţie sau de respingere dintre două sarcini electrice variază invers proporţional cu pătratul distanţei dintre ele. Tot el a arătat că două sarcini cu acelaşi semn se resping şi două de semn contrar se atrag. În secolul al 19-lea, francezul André Ampère a studiat curentul electric în fire şi forţele dintre ele. Tot cam în aceeaşi perioadă germanul George Ohm a studiat rezistenţa electrică. Din aceasta a descoperit că rezistenţa unui conductor este dată de raportul între tensiunea la bornele sale şi curentul prin acesta. La puţin timp după, englezul Michael Faraday produce un generator de curent electric, atunci când descoperă că deplasarea unui conductor în câmp electric generează electricitate. De aici el exprimă matematic legătura dintre magnetism şi electricitate. 1.1.2. Istoricul comunicaţiilor Rădăcinile comunicaţiilor moderne sunt totuşi legate cel mai mult de munca lui Henry şi Maxwell, Hertz, Bell, Marconi şi Watt. Americanul Joseph Henry produce primul electromagnet atunci când bobinează o sârmă în jurul unui cilindru metalic. Dar el nu şi-a brevetat invenţia şi utilizarea sa în primul telegraf cu care transmite pulsuri de-a lungul unor fire conductoare către un electromagnet aflat la celălalt capăt, ci a lăsat-o în seama lui Samuel Morse, inventatorul codului care îi poartă numele. Primul mesaj transmis cu acest cod între Washington şi Baltimore a fost un citat din biblie: What hath God wrought? (Ce a realizat Dumnezeu?). Succesul a fost imediat şi după 8 ani existau 37000km de sârme telegrafice în SUA. Unul din părinţii comunicaţiilor este fără îndoială englezul James Clerk Maxwell. Contribuţia sa cea mai cunoscută sunt cele 4 ecuaţii care definesc legile de bază ale electricităţii şi magnetismului. Prin legile sale el a dovedit că undele electromagnetice în vid se deplasează cu 300000km/s 2
viteză egală cu cea a luminii. De aici a dedus natura electromagnetică a luminii şi faptul că spectrul undelor electromagnetice conţine mai multe tipuri de unde invizibile, fiecare cu lungimea ei de undă şi cu caracteristicile ei. Acestea au fost puse în evidenţă de alţi cercetători (Hertz şi Marconi), iar spectrul electromagnetic s-a completat cu unde infraroşii, ultraviolet, gamma, raze X sau unde radio. Un alt englez, Alexander Graham Bell, se ocupa de studiul vorbirii şi cu dicţia. El a realizat mai întâi un aparat pentru a-i învăţa pe surzi şi de aici primul telefon (1876) ce folosea un electromagnet ca microfon şi difuzor. Până şi Maxwell a rămas surprins de simplitatea aparatului. Primul microfon cu carbon a fost inventat de Thomas Alva Edison în 1877. În 1888, fizicianul german Heinrich Hertz detectat undele radio observând că o scânteie produce un curent electric într-o sârmă situată în celălalt capăt al camerei. În 1896, italianul Marconi reuşeşte să transmită unde radio la o distanţă de peste 3 km. Nu după mult timp a reuşit să transmită unde radio peste ocean. Abia în 1935, Robert Watson-Watt a realizat primul RADAR cu detecţie radio. 1.1.3. Istoricul electronicii Ştiinţa electronicii a început în anul 1895 odată cu postularea existenţei electronului de către Hendrik Lorentz. La începutul secolului (1904) John Ambroise Fleming inventează dioda cu vid, care consta din doi electrozi în vid din care unul era încălzit şi care avea proprietăţi de redresare. În 1906, Lee De Forest inventează trioda prin adăugarea unui electrod la invenţia lui Fleming. Prin aceasta putea controla cu o tensiune mică, un curent mare, obţinând astfel amplificarea semnalelor electrice. Începând cu 1940, la laboratoarele Bell câţiva oameni de ştiinţă au început să studieze materialele semiconductoare. Deşi în stare pură nu prezentau conductivitate foarte bună, dopate cu impurităţi acestea îşi modificau conductivitatea. Prin conectarea a doua semiconductoare cu impurităţi diferite (cu un electron de valenţă mai mult şi respectiv cu unul mai puţin decât semiconductorul) au obţinut dioda semiconductoare. Evident avantajele faţă de cea cu vid (mai mică şi mai robustă şi consum mai mic) au schimbat cursul istoriei. În 1948, William Shockley de la Bell Labs a realizat primul tranzistor care înlocuia trioda. era din germaniu de tip npn. Acest lucru a fost ţinut secret de Bell pentru a putea înţelege funcţionarea sa. Pentru invenţia sa Shockley a primit premiul Nobel în 1956. La început tranzistoarele se realizau din germaniu, care nu era foarte robust ca material şi nu suportă temperaturi prea mari. Prima companie care a utilizat siliciul a fost Texas Instruments, urmată apoi de altele (Motorola, 3
RCA, etc). Doar în câţiva ani, tranzistoarele şi-au micşorat atât de mult dimensiunile încât au permis lucrul la frecvenţe foarte ridicate şi integrarea unui număr mai mare pe un singur chip. Acestea se numeau microchip-uri şi au deschis drumul microelectronicii. 1.1.4. Istoricul calculatoarelor Istoria calculatoarelor a început în 1959 când IBM a realizat primul calculator tranzistorizat numit IBM 7090/7094. Apoi în 1965 au realizat primul calculator cu circuite integrate (IBM 360) iar în 1970 sistemul 370 cu memorii semiconductoare. Erau cele mai puternice calculatoare ale vremii, dar erau extrem de scumpe şi greu de operat şi întreţinut. Cam în aceeaşi perioadă, industria electronică producea calculatoare ieftine de buzunar, care erau mult mai acceptabile ca preţ. O companie japoneză a angajat o alta (Intel) să îi realizeze un set de 12 circuite pentru un astfel de calculator. Dar Intel a reuşit să realizeze un singur chip care putea fi programat ca să îndeplinească diferite operaţii. Acesta a fost primul microprocesor, iar la scurt timp Intel a realizat primul procesor de 4 biţi de uz general (I4004) şi apoi versiunea mai puternică de 8 biţi (I8080). În scurtă vreme concurenţa s-a diversificat, pe piaţă apărând Motorola, MOS Technologies şi Zilog. IBM devine liderul pieţei de calculatoare, devansând companii ca Apple, Commodore sau Spectrum-Sinclair prin introducerea unui nou tip de computer (calculatorul personal). IBM a scos la iveală potenţialul imens pentru PC şi pentru microprocesor. Succesul s-a datorat faptului că au apelat la componente standard (cum ar fi procesorul I8086 de 16 biţi), şi că l-au realizat ca pe un calculator pentru birou, cu procesor de text, tabele de calcul şi baze de date. IBM PC a fost părintele calculatoarelor personale. Pentru a creşte producţia de software pentru PC, ei au pus la dispoziţie hardware-ul PC. Astfel multe companii au clonat PC-ul, dar şi multe au dezvoltat soft pentru PC, iar termenul de compatibil-ibm a devenit un standard. La început IBM dezvolta singura programele pentru PC. Fiind limitaţi de timp, au apelat la o companie mică pe nume Microsoft pentru a dezvolta un sistem de operare pentru PC. Dezvoltarea acestuia a fost dificilă, dar odată realizată a produs milioane de dolari. A fost denumit Disk Operating System (DOS) deoarece iniţial trebuia să controleze unităţile de disc. Sistemul accepta comenzi de la tastatură, şi afişa pe monitor. Era un set de comenzi care puteau fi introduse direct de către utilizator şi care erau interpretate de către sistem pentru lucrul cu fişiere, execuţia programelor şi configurarea sistemului. De atunci Microsoft a dezvoltat un standard industrial de software prin versiunile de Windows. De la Windows NT, sistemul de operare integrează şi soft-ul pentru reţea. Intel a beneficiat şi ea de industria 4
de calculatoare şi şi-a îmbunătăţit continuu familia de microprocesoare (80286, 80386,... Pentium, etc). 1.1.5. Istoricul comunicaţiilor moderne După descoperirea telefonului, comutarea convorbirilor se făcea manual cu ajutorul operatoarelor. Abia în 1889, un american întreprinzător pe nume Strowger a patentat un sistem automat de comutare care avea să reziste până în 1970. O altă îmbunătăţire a fost transversala care a permis conectarea mai multor intrări la mai multe ieşiri, adresând simplu conexiunea dorită. Această invenţie a fost disputată de J.N. Reynolds şi G.A Betulander şi a fost atribuită celui de-al doilea. Unul din puţinele beneficii ale războiului este dezvoltarea rapidă aştiinţei şi tehnologiei. Astfel în timpul Primului Război Mondial s-au dezvoltat comunicaţiile radio (modulaţia AM şi FM). Un alt aşa zis produs al războiului a fost multiplexarea în frecvenţă (FDM) care permite transmiterea pe acelaşi canal a mai multor semnale cu purtătoare diferite. În 1902 a fost întins primul cablu pe sub oceanul Pacific. După cel de-al doilea război mondial a fost întins primul cablu telefonic peste ocean între Scoţia şi America şi abia în 1963 a fost legată şi Australia de Canada. Odată cu lansarea pe orbită a primului satelit de telecomunicaţii Telstar (ATT) a început era microundelor. Acestea se pot propaga prin ploaie şi nori până la satelit. Banda transmisă variază funcţie de sistem, dar volumul de informaţie ce poate fi transmisă este mare (zeci de canale TV şi radio, canale telefonice simultan). Razele de lumină pot duce şi mai multă informaţie (aproape nelimitat). Un pas mare s-a făcut odată cu prima transmisie pe fibră optică). La început informaţia se transmitea sub formă de pulsuri digitale. A.H. Reeves a inventat în 1930 un cod (Modularea impulsurilor în durată PCM Pulse Code Modulation), care însă nu a fost folosit până în anii 60. Pentru a standardiza un mod de comunicare între calculatoare, Baudot dezvoltă un cod pentru sistemele telegrafice folosind 5 unitaţi (biţi), care însă s-a dovedit insuficient fiind limitat la literele mari şi semnele de punctuaţie. În 1966, ANSI defineşte şi standardizează codul ASCII. În forma standard este format din 7 biţi (128 caractere ce pot fi reprezentate), dar a fost ulterior modificat la 8 biţi (codul ASCII extins). 1.2. Informaţia Informaţia este disponibilă în formă analogică sau digitală (figura 1.1). Datele generate pe calculator pot fi uşor memorate în format digital, dar semnalele analogice, cum ar fi cele vocale sau video trebuie eşantionate 5
Fig. 1.1. Informaţia digitală şi analogică echidistant şi apoi convertite în formă digitală. Procesul se numeşte digitizare şi oferă următoarele avantaje: datele digitale sunt mai greu afectate de zgomot (figura 1.2) datele digitale sunt mai uşor de memorat semnalelor digitale li se poate adăuga extra informaţie astfel încât să se poată detecta şi corecta erorile datele digitale nu se alterează în timp procesarea informaţiei digitale este relativ uşoară, fie ea în timp real sau nu indiferent de natura datelor (video, audio, digitale) ele pot fi stocate pe acelaşi suport două sisteme digitale de procesare pot fi făcute identice, în timp ce cele analogice nu sistemele digitale sunt reconfigurabile, putând fi reprogramate Prag digital Semnal digital Zgomot Semnal digital + zgomot Semnal digital refăcut 6 Comparator Prag de tensiune Fig. 1.2. Refacerea semnalului digital din zgomot
Trecerea de la analogic la digital aduce şi un dezavantaj: eroarea de cuantizare, dar cu cât numărul de biţi este mai mare cu atât eroarea este mai mică. Semnalul analogic trebuie eşantionat la momente echidistante în timp pentru a conserva informaţia. Reprezentarea digitală necesită spaţiu mare de stocare. (de exemplu 70 minute de muzică de calitate necesită peste 600MB pentru stocare). Tipic, datele digitale sunt stocate sub formă de câmp magnetic pe discuri magnetice sau ca zone opace sau reflectorizante pe un disc optic. Stocarea se face fără alterarea datelor odată cu trecerea timpului. Înainte de transformare în semnal analogic datele pot fi procesate uşor prin tehnica digitală. Evident că se poate stoca informaţia şi sub formă analogică (pe bandă magnetică semnale video sau audio, sau fotografie pentru imagini). Acestea însă adaugă zgomot peste informaţie atât la înregistrare cât şi la redare. Aşa cum a amintit mai sus, acurateţea sistemelor digitale depinde în primul rând de numărul de biţi folosiţi la cuantizare în timp ce la sistemele analogice depinde de toleranţa componentelor. În timp ce sistemele digitale identice produc răspunsuri identice, sistemele analogice identice dau răspunsuri diferite. Este foarte greu de recuperat un semnal analogic din zgomot. Majoritatea metodelor presupun filtrarea şi netezirea semnalului. 1.3. Conversia analog - digitală Figura 1.3. ilustrează schematic procesele de conversie a semnalelor analogice în digital şi invers. Semnalul analogic este mai întâi eşantionat echidistant, iar apoi este convertit în digital cu un convertor analog-digital. Dacă este necesar datele digitale pot fi apoi compresate (jpg, mpg), convertite în formatul dorit (jpg, wav, avi) sau memorate ca atare. Animaţie Text Conversie date Compresie Memorare, Transmisie, Procesare Conversie date Decompresie Sunet Video Eşantionare ADC 1011101010 1101 Compresie / Conversie date Memorare, Transmisie, Procesare Filtru DAC Decompresie / Conversie date Fig. 1.3. Conversia informaţiei în şi din format digital 7
Valoarea instantanee a semnalului T S Moment de eşanionare Procesul de eşantionare Eşantioanele semnalului Fig. 1.4. Procesul de eşantionare Deoarece un semnal se modifică în mod continuu, un eşantion din acesta trebuie preluat la intervale de timp bine definite care trebuie însă alese funcţie de rata de schimbare a semnalului (figura 1.4. prezintă un semnal eşantionat la momente de timp distanţate cu T s ). De exemplu temperatura nu este o mărime care să varieze foarte rapid, dar un semnal video are o bandă de frecvenţă mult mai mare. După eşantionare semnalul este codat şi compresat. Din acesta se extrage informaţia redundantă, iar cea care rămâne este suficientă pentru a reface semnalul sau pentru a-l procesa. Pentru ca un semnal să poată fi reconstruit din eşantioanele sale acestea trebuie să respecte criteriul lui Nyquist: frecvenţa de eşantionare trebuie să fie cel puţin dublul celei mai mari frecvenţe din spectrul semnalului. Pentru canalele de comunicaţie telefonice frecvenţa maximă a semnalului este limitată la 4 KHz şi trebuie eşantionată cu cel puţin 8 KHz. Aceasta înseamnă câte un eşantion la fiecare 125 µs. Semnalele audio Hi-Fi au frecvenţa maximă de 20 KHz şi trebuie eşantionate de cel puţin 40000 ori pe secundă (sistemele profesionale utilizează o frecvenţa de eşantionare de 44.1KHz). Sistemele video sunt limitate la 6MHz, ele trebuind eşantionate cu cel puţin 12 KHz (o dată la 83.3 ns). 1.4. Cuantizarea Cuantizarea înseamnă trunchierea unui nivel analogic în vederea conversiei în semnal digital. Figura 1.5. ilustrează conversia unei forme de undă pe 4 biţi. În urma conversiei rezultă 16 nivele discrete care pot fi reprezentate în binar cu valori de la 0000 (minim) la 1111 (maxim). Codurile digitale ale eşantioanelor ce rezultă sunt: 1101, 1101, 1100, 1100, 1110, 1110, 1011, 1000, 0100, 0001, 0010, 0111, 1000, 0110. Procesul de cuantizare aproximează nivelul de tensiune a semnalului analogic cu cel mai apropiat nivel de cuantizare, rezultând o eroare de aproximare cunoscut ca eroare de cuantizare (fig. 1.6.). Cu cât numărul 8
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 de intervale de cuantizare este mai mare cu atât este mai mică eroarea de cuantizare, În tabelul următor se găsesc erorile de cuantizare funcţie de numărul de biţi. Eroarea maximă de cuantizare se obţine atunci când valoarea analogică se află exact la jumătatea distanţei dintre cele două nivele de cuantizare, şi este egală cu jumătate din această distanţă: Eroarea maximă 1101 1100 1110 1011 0100 0010 1000 1101 1100 1110 1000 0001 0111 0110 Fig. 1.5. Procesul de cuantizare 1 Intervalul Maxim = ± (1.1) n 2 2 codurile numerice de la ieşire 1111 1101 1011 1001 0111 0101 0011 0001 +1/2 LSB q 1 3 5 7 9 11 13 15 0 Convertor cu nr infinit de biţi 2 4 6 8 10 12 14 Convertor de 4 biţi x i [LSB] x i [LSB] -1/2 LSB Fig. 1.6. Eroarea de cuantizare 9
Tabelul 1 Nr. de biţi Nr. de nivele de cuantizare Eroare de cuantizare [%] 1 2 50 2 4 25 3 8 12.5 4 16 6.25 8 256 0.39 10 1024 0.097 12 4096 0.0244 16 65536 0.0015 De exemplu eroarea de cuantizare scade de la 0.2% pentru 8 biţi la 0.0015% pentru 16 biţi. Totuşi eroarea de cuantizare nu este singura eroare care afectează procesul de conversie. Valoarea convertită mai este afectată de erorile de câştig (amplificator şi convertor AD), de eroarea de apertură (circuitul de eşantionare-memorare), de erorile de neliniaritate (integrală şi diferenţială) ale convertorului AD. 10