Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Ανάγκη τηλεπικοινωνίας & μετάδοση σημάτων (Ερωτήσεις, σελ. 56) – ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ Β’ ΕΠΑΛ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Ανάγκη τηλεπικοινωνίας & μετάδοση σημάτων (Ερωτήσεις, σελ. 56) – ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ

Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Ανάγκη τηλεπικοινωνίας & μετάδοση σημάτων (Ερωτήσεις, σελ. 56)

Απαντήσεις στις ερωτήσεις του βιβλίου για την ιστορική εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών.

Αρχαία συστήματα μετάδοσης

Ερώτηση: 1. Ποια ήταν τα κυριότερα συστήματα μετάδοσης των Αρχαίων Ελλήνων;

Απάντηση:

Οπτικά σήματα – φρυκτωρίες: πύργοι αναμετάδοσης οπτικών σημάτων με φωτιές σε διαδοχικές βουνοκορφές· μετέδιδαν προκαθορισμένα μηνύματα σε αποστάσεις 30-100 km (σημαντικότερο το δίκτυο Τροίας–Μυκηνών).
Ακουστικά σήματα – ηχητικό κέρας (ακουστικός τηλέγραφος): μεγάλο περιστρεφόμενο κέρας σε τρίποδο, που χρησιμοποίησε ο Μέγας Αλέξανδρος· ο ήχος έφτανε σε απόσταση αρκετών χιλιομέτρων.
Υδραυλικός τηλέγραφος του Αινεία του Τακτικού: όμοια δοχεία με νερό και ράβδο χωρισμένη σε τμήματα (προκαθορισμένα μηνύματα)· στηριζόταν στον συγχρονισμό αποστολέα και παραλήπτη.
Κωδικοποιημένα οπτικά σήματα – Πυρσεία ή Οπτικός Τηλέγραφος των Λεοξένη και Δημόκλειτου: κάθε γράμμα αντιστοιχιζόταν σε ζευγάρι αριθμών (1-5) και μεταδιδόταν με δύο ομάδες πυρσών.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Φρυκτωρίες, ηχητικό κέρας, υδραυλικός τηλέγραφος του Αινεία του Τακτικού και Πυρσεία (Οπτικός Τηλέγραφος) των Λεοξένη και Δημόκλειτου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: αναφορά των τεσσάρων συστημάτων με σύντομη περιγραφή.
Η Πυρσεία επινοήθηκε από τους Λεοξένη και Δημόκλειτο· ο Πολύβιος είναι ο ιστορικός που την περιγράφει.

Οπτικός vs υδραυλικός τηλέγραφος

Ερώτηση: 2. Ποια ήταν τα πλεονεκτήματα του οπτικού τηλέγραφου σε σχέση με τον υδραυλικό τηλέγραφο;

Απάντηση:

Ο υδραυλικός τηλέγραφος μετέδιδε μόνο τα προκαθορισμένα μηνύματα που ήταν γραμμένα στη ράβδο.
Ο οπτικός τηλέγραφος (Πυρσεία) αντιστοίχιζε κάθε γράμμα σε αριθμό αναμμένων πυρσών (κωδικοποίηση πηγής) και έτσι επέτρεπε τη μετάδοση οποιουδήποτε γράμματος, λέξης ή κειμένου.
Το τίμημα ήταν η εξαιρετικά αργή μετάδοση και η μικρότερη μέγιστη απόσταση (έπρεπε να διακρίνονται δέκα πυρσοί).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο οπτικός τηλέγραφος μπορούσε να μεταδώσει οποιοδήποτε γράμμα, λέξη ή κείμενο, ενώ ο υδραυλικός μόνο προκαθορισμένα μηνύματα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: οποιοδήποτε μήνυμα (κωδικοποίηση γραμμάτων) έναντι προκαθορισμένων μηνυμάτων.

Πομπός & δέκτης

Ερώτηση: 3. Τι είναι ο πομπός και ο δέκτης;

Απάντηση:

Πομπός: η συσκευή που μεταβιβάζει τα κωδικοποιημένα γράμματα και βρίσκεται στο ένα άκρο του αγωγού σύνδεσης· στον τηλέγραφο ήταν ένας απλός διακόπτης (τηλεγραφικό πλήκτρο) που έστελνε παλμούς ρεύματος.
Δέκτης: η συσκευή στο άλλο άκρο του αγωγού που λαμβάνει τους ηλεκτρικούς παλμούς· στον τηλέγραφο ήταν ένας ηλεκτρομαγνήτης με κινητό οπλισμό (κτύποι ή καταγραφή με γραφίδα σε χάρτινη ταινία).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πομπός = η συσκευή που μεταβιβάζει τα κωδικοποιημένα σήματα· δέκτης = η συσκευή στο άλλο άκρο που τα λαμβάνει.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: εκπομπή/μεταβίβαση έναντι λήψης, στα δύο άκρα της γραμμής.

Ρυθμός αυτόματων τηλεγράφων

Ερώτηση: 4. Ποιος ήταν ο ρυθμός μετάδοσης στα αυτόματα τηλεγραφικά συστήματα;

Απάντηση:

Στο χειροκίνητο χειριστήριο Μορς ο ρυθμός έφθανε μόνο τις 15 λέξεις το λεπτό (περιορισμός: η ταχύτητα του χειριστή).
Στα αυτόματα συστήματα το μήνυμα ετοιμαζόταν από πριν σε διάτρητη ταινία· το αυτόματο τηλεγραφικό σύστημα Μορς-Γουΐτστοουν μπορούσε να μεταβιβάσει έως 250 λέξεις το λεπτό.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Έως 250 λέξεις το λεπτό (σύστημα Μορς-Γουΐτστοουν), έναντι 15 λέξεων του απλού χειριστή Μορς.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: 250 λέξεις/λεπτό και σύγκριση με τις 15 του χειριστή.

Πολυπλεξία

Ερώτηση: 5. Τι είναι η πολυπλεξία και ποια τα πλεονεκτήματά της;

Απάντηση:

Πολυπλεξία (χρονική): η μέθοδος μετάδοσης κατά την οποία σήματα από διαφορετικές πηγές πολυπλέκονται χρονικά και σχηματίζουν μια ακολουθία συμβόλων προς τον δέκτη· ο δέκτης τα αποπολυπλέκει και στέλνει το καθένα στον σωστό παραλήπτη (σύστημα Μποντό: έξι χειριστήρια χρησιμοποιούν με τη σειρά τη γραμμή μέσω διανομέα).
Πλεονεκτήματα: καλύτερη αξιοποίηση της τηλεγραφικής γραμμής, που είναι το δαπανηρότερο τμήμα της εγκατάστασης· μέχρι έξι τηλεγραφήματα από μία γραμμή, με ρυθμό στη γραμμή έως 300 λέξεις το λεπτό (50 λέξεις ανά τηλέγραφο).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πολλά σήματα από διαφορετικές πηγές μοιράζονται χρονικά την ίδια γραμμή· έτσι αξιοποιείται καλύτερα η γραμμή και αυξάνεται ο συνολικός ρυθμός.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: πολλές πηγές σε μία γραμμή + καλύτερη αξιοποίηση/μεγαλύτερος ρυθμός.

Μποντό & τηλέτυπο

Ερώτηση: 6. Ποια είναι τα βασικά σημεία του συστήματος κωδικοποίησης Μποντό; 7. Τι είναι το τηλέτυπο;

Απάντηση:

Βασικά σημεία του συστήματος Μποντό: (α) η κωδικοποίηση των αλφαβητικών χαρακτήρων με σταθερού μήκους κώδικα (5 πλήκτρα = 5 bit, 2⁵ = 32 συνδυασμοί, με LETTER SHIFT/FIGURE SHIFT για γράμματα και αριθμούς), (β) κάθε χειριστήριο είχε στη διάθεσή του τη γραμμή για μικρή χρονική διάρκεια, (γ) ο συγχρονισμός πομπού και δέκτη επέτρεπε την αποστολή του κειμένου στον σωστό προορισμό.
Τηλέτυπο: συσκευή στην οποία τα κωδικά σήματα μετατρέπονται απευθείας σε γράμματα· ο τηλετυπικός πομπός και δέκτης είναι μία συσκευή σαν μεγάλη γραφομηχανή — η μετάδοση γίνεται με απλό χειρισμό πλήκτρων και η λήψη με απευθείας εκτύπωση του κειμένου. Χρησιμοποιεί τον κώδικα Μποντό (διεθνής υπηρεσία TELEX).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μποντό: κώδικας σταθερού μήκους 5 bit, χρονική κατανομή της γραμμής στα χειριστήρια, συγχρονισμός πομπού-δέκτη. Τηλέτυπο: συσκευή-γραφομηχανή που εκπέμπει και λαμβάνει απευθείας κείμενο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: και τα τρία βασικά σημεία του Μποντό + ορισμός τηλέτυπου.

Τηλέφωνο Μπελ & βελτιώσεις

Ερώτηση: 8. Ποια είναι η αρχή λειτουργίας του τηλεφώνου Μπελ; 9. Ποιες βελτιώσεις έγιναν στην τηλεφωνική συσκευή από τον Έντισον και τον Χιουζ;

Απάντηση:

Τηλέφωνο Μπελ: κάθε συσκευή ήταν φυσικός μαγνήτης με πηνίο και μεμβράνη. Η μεμβράνη του πομπού πάλλεται με τη φωνή και μεταβάλλει την απόστασή της από τον μαγνήτη → μεταβάλλεται το μαγνητικό πεδίο και στο πηνίο δημιουργείται ρεύμα από επαγωγή, που μεταβάλλεται κατά συνεχή τρόπο (όχι διακοπτόμενο). Στον δέκτη το ρεύμα μεταβάλλει το μαγνητικό πεδίο, η μεμβράνη πάλλεται στον ρυθμό της φωνής και αναπαράγεται ο ήχος.
Έντισον: νέος πομπός με ράβδο άνθρακα, της οποίας η αντίσταση μεταβάλλεται με την πίεση των ηχητικών κυμάτων· πρόσθεσε και επαγωγικό πηνίο στο κύκλωμα εκπομπής.
Χιούζ: αντικατέστησε τη ράβδο με σφαιρίδια άνθρακα ανάμεσα σε μεταλλικά ελάσματα· στον πομπό αυτό δόθηκε πρώτη φορά το όνομα μικρόφωνο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μπελ: η φωνή μέσω μεμβράνης-μαγνήτη-πηνίου παράγει επαγωγικό ρεύμα ανάλογο της φωνής και ο δέκτης κάνει την αντίστροφη μετατροπή. Έντισον: πομπός άνθρακα + επαγωγικό πηνίο· Χιούζ: σφαιρίδια άνθρακα (μικρόφωνο).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: επαγωγή/συνεχώς μεταβαλλόμενο ρεύμα + πομπός άνθρακα (Έντισον) + σφαιρίδια άνθρακα/μικρόφωνο (Χιούζ).

Χερτς & Μαρκόνι

Ερώτηση: 10. Πώς λειτουργούσε ο πομπός και ο δέκτης του Χερτς; 11. Τι βελτιώσεις έκανε ο Μαρκόνι στον πομπό και δέκτη του Χερτς;

Απάντηση:

Πομπός Χερτς: δύο μεταλλικές πλάκες με ράβδους που κατέληγαν σε μπάλες, συνδεδεμένες στην έξοδο επαγωγικού πηνίου. Όταν η τάση του δευτερεύοντος ξεπερνούσε τη διηλεκτρική αντοχή του αέρα, περνούσε σπινθήρας στο διάκενο — ρεύμα υψηλής συχνότητας — και οι πλάκες (κεραία) ακτινοβολούσαν ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Δέκτης Χερτς: ανοιχτός μεταλλικός δακτύλιος με δύο μπάλες· στο διάκενο εμφανίζονταν μικροσκοπικοί σπινθήρες όταν έφταναν τα κύματα. Εμβέλεια μόνο μερικά μέτρα.
Μαρκόνι: αντικατέστησε τη μία πλάκα με κατακόρυφη κεραία εναέριου καλωδίου σε ψηλούς στύλους και σύνδεσε τη δεύτερη στη γη (γείωση)· ο δέκτης είχε ίδια κεραία και φωρατή (ανορθωτικό κρύσταλλο) για ανίχνευση του σήματος. Έτσι αυξήθηκε πολύ η εμβέλεια (υπερατλαντική ζεύξη το 1901).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χερτς: πομπός σπινθήρα με πλάκες-κεραία και δέκτης-δακτύλιος με διάκενο (εμβέλεια λίγων μέτρων). Μαρκόνι: κατακόρυφη κεραία + γείωση και φωρατής στον δέκτη → μεγάλη εμβέλεια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: σπινθήρας/διάκενο (Χερτς) + κεραία, γείωση και φωρατής (Μαρκόνι).

Δίοδος & τρίοδος λυχνία

Ερώτηση: 12. Πώς γίνεται η φώραση στη δίοδο λυχνία; 13. Τι λειτουργίες μπορεί να κάνει η τρίοδος λυχνία;

Απάντηση:

Δίοδος λυχνία: η πυρακτωμένη κάθοδος εκπέμπει ηλεκτρόνια (θερμιονική εκπομπή), που κινούνται μόνο από την κάθοδο προς την άνοδο. Το εναλλασσόμενο ρεύμα που δημιουργούν τα κύματα στον δέκτη ανορθώνεται (περνά μόνο όταν η άνοδος είναι θετική) → γίνεται η φώραση.
Τρίοδος λυχνία: το πλέγμα ελέγχει τη ροή ηλεκτρονίων από την κάθοδο στην άνοδο. Λειτουργίες: ενίσχυση σημάτων, παραγωγή εναλλασσόμενων σημάτων, άθροιση δύο σημάτων, χρήση σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δίοδος: ανόρθωση του λαμβανόμενου ρεύματος (ηλεκτρόνια μόνο κάθοδος→άνοδος). Τρίοδος: ενίσχυση, παραγωγή εναλλασσόμενων σημάτων, άθροιση σημάτων, κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: μονόδρομη κίνηση ηλεκτρονίων/ανόρθωση + οι λειτουργίες της τριόδου όπως στο βιβλίο.

Ασύρματη μετάδοση ομιλίας

Ερώτηση: 14. Με ποιον τρόπο μεταδίδεται ασύρματα ένα σήμα ομιλίας;

Απάντηση:

Η φωνή είναι αναλογικό σήμα (μεταβάλλεται συνεχώς)· δεν μπορεί να μεταδοθεί με κύματα μικρής/μεγάλης διάρκειας όπως τελείες-παύλες.
Χρησιμοποιείται η διαμόρφωση πλάτους: ο πομπός παράγει εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας (φέρον), του οποίου το πλάτος μεταβάλλεται ανάλογα με το ρεύμα ομιλίας. Το διαμορφωμένο κύμα εκπέμπεται από την κεραία και ο δέκτης ανακτά από αυτό το σήμα ομιλίας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με διαμόρφωση: το ρεύμα ομιλίας μεταβάλλει το πλάτος ενός φέροντος υψηλής συχνότητας και το διαμορφωμένο κύμα εκπέμπεται από την κεραία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: φέρον υψηλής συχνότητας + διαμόρφωση πλάτους από το σήμα ομιλίας.

Τηλεφωτογραφία

Ερώτηση: 15. Ποια είναι η αρχή λειτουργίας της τηλεφωτογραφίας;

Απάντηση:

Η φωτογραφία στερεώνεται σε κύλινδρο που περιστρέφεται και μετατοπίζεται· φωτεινή πηγή με φακό φωτίζει ένα σημείο και το ανακλώμενο φως συλλέγεται από φωτοκύτταρο (λευκό → μεγάλο ρεύμα, μαύρο → ελάχιστο).
Το ρεύμα του φωτοκύτταρου ρυθμίζει τη συχνότητα μιας γεννήτριας (φωτεινό σημείο → υψηλή συχνότητα), που στέλνεται από την τηλεφωνική γραμμή.
Στη λήψη η συχνότητα μετατρέπεται σε τάση και φωτεινή δέσμη που φωτίζει φωτογραφικό χαρτί σε όμοιο κύλινδρο· οι δύο κύλινδροι περιστρέφονται συγχρονισμένα με την ίδια σταθερή ταχύτητα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σάρωση της εικόνας σημείο προς σημείο με φωτοκύτταρο, μετατροπή της φωτεινότητας σε συχνότητες για την τηλεφωνική γραμμή και αντίστροφη μετατροπή σε συγχρονισμένο κύλινδρο λήψης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: φωτοκύτταρο/σάρωση + μετατροπή φωτεινότητας σε συχνότητα + συγχρονισμός κυλίνδρων.

Υπολογιστής με λυχνίες (ENIAC)

Ερώτηση: 16. Ποια ήταν τα μειονεκτήματα του πρώτου ηλεκτρονικού υπολογιστή με λυχνίες;

Απάντηση:

Ο ENIAC χρησιμοποιούσε χιλιάδες λυχνίες που καταλάμβαναν όγκο αρκετών δωματίων.
Χρειαζόταν ισχύ αντίστοιχη με αυτή που καταναλώνουν 20 σπίτια· λόγω της θέρμανσης των καθόδων το περιβάλλον ήταν αποπνικτικό.
Η λειτουργία του ήταν αναξιόπιστη, γιατί κατά διαστήματα καιγόταν κάποια λυχνία (γενικά οι λυχνίες είχαν μεγάλο όγκο, υψηλό κόστος, μεγάλη κατανάλωση, αναμονή θέρμανσης και περιορισμένο χρόνο ζωής).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τεράστιος όγκος, πολύ μεγάλη κατανάλωση ισχύος, υπερθέρμανση και αναξιόπιστη λειτουργία λόγω συχνών βλαβών των λυχνιών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: όγκος + κατανάλωση + θερμότητα + αναξιοπιστία.

Μικροηλεκτρονική: ημιαγωγοί & IC

Ερώτηση: 17. Πώς και πότε ξεκίνησε η εποχή της μικροηλεκτρονικής; 18. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα των ημιαγωγών; 19. Τι είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip);

Απάντηση:

Μικροηλεκτρονική: ξεκίνησε με την ανακάλυψη του τρανζίστορ (κρυσταλλοτρίοδου) το 1948 από τους Μπαρντήν, Μπρατέην και Σόκλεϋ, οι οποίοι τοποθέτησαν ένα ενδιάμεσο κομμάτι ημιαγωγού ανάμεσα σε δύο άλλους για να ελέγχουν το ρεύμα.
Πλεονεκτήματα ημιαγωγών (τρανζίστορ): χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος κατασκευής, υψηλή αξιοπιστία, έλλειψη προβλημάτων υπερθέρμανσης· επίσης είναι κατάλληλα για γρήγορη παλμική (ψηφιακή) λειτουργία.
Ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip): σύστημα που περιλαμβάνει ενεργά στοιχεία (τρανζίστορ) και παθητικά στοιχεία (αντιστάσεις, πυκνωτές, διόδους) ως ενιαίο σύνολο, συνδεδεμένα μεταξύ τους (πρώτο: Κίλμπυ, 1958).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μικροηλεκτρονική: με το τρανζίστορ (1948). Ημιαγωγοί: χαμηλή κατανάλωση, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία, χωρίς υπερθέρμανση. IC: ενεργά + παθητικά στοιχεία σε ενιαίο σύνολο (Κίλμπυ 1958).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: τρανζίστορ 1948 + λίστα πλεονεκτημάτων + ορισμός IC.

Ψηφιακό vs αναλογικό

Ερώτηση: 20. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής σε σχέση με την αναλογική μετάδοση;

Απάντηση:

Αναισθησία στον θόρυβο: το ψηφιακό σήμα μετά από μετάδοση σε μεγάλη απόσταση μπορεί να αναγεννηθεί, δηλαδή να γίνει ακριβώς όπως ήταν αρχικά — η ποιότητά του μένει αμετάβλητη.
Αντίθετα, το αναλογικό σήμα όταν ενισχύεται συνοδεύεται πάντα από θόρυβο, που ενισχύεται μαζί του → συνεχής ποιοτική υποβάθμιση με την απόσταση.
Επιπλέον, οι υπολογιστές και τα σύγχρονα τηλεφωνικά κέντρα επεξεργάζονται και μεταφέρουν ψηφιακά δεδομένα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κυρίως η αναισθησία στον θόρυβο: το ψηφιακό σήμα αναγεννάται χωρίς υποβάθμιση, ενώ το αναλογικό υποβαθμίζεται συνεχώς.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: αναγέννηση/αναισθησία στον θόρυβο έναντι σώρευσης θορύβου στο αναλογικό.

Οπτικές ίνες

Ερώτηση: 21. Γιατί το φως επιτρέπει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων; 22. Από τι εξαρτάται η εξασθένηση των οπτικών ινών; 23. Σε ποια μήκη κύματος οι ίνες παρουσιάζουν την ελάχιστη εξασθένηση;

Απάντηση:

(21) Όσο μεγαλύτερη συχνότητα έχει το κύμα, τόσο περισσότερη πληροφορία μπορεί να μεταφέρει· το φως έχει πάρα πολύ υψηλή συχνότητα (π.χ. λ = 0,001 mm → f = c/λ = 300.000 GHz), πολύ μεγαλύτερη από τα 300 kHz των πομπών του Μαρκόνι.
(22) Η εξασθένηση σχετίζεται άμεσα με την καθαρότητα του γυαλιού: όσο πιο καθαρό είναι το γυαλί, τόσο μικρότερη είναι η εξασθένηση (εξαρτάται επίσης από το μήκος κύματος του φωτός).
(23) Η ελάχιστη εξασθένηση εμφανίζεται στο τηλεπικοινωνιακό παράθυρο με μήκος κύματος από 1,5 έως 1,6 μm (π.χ. 0,2 dB/km στα 1,55 μm).

Σύνοψη: (ενδεικτική) (21) Λόγω της πολύ υψηλής συχνότητας του φωτός. (22) Από την καθαρότητα του γυαλιού. (23) Στα 1,5-1,6 μm (τηλεπικοινωνιακό παράθυρο).

Κριτήρια αξιολόγησης: