Λύσεις — Κεφάλαιο 3 · Μέσα Μετάδοσης (Ερωτήσεις, σελ. 77-78) – ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ Β’ ΕΠΑΛ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου Λύσεις — Κεφάλαιο 3 · Μέσα Μετάδοσης (Ερωτήσεις, σελ. 77-78) – ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ

Λύσεις — Κεφάλαιο 3 · Μέσα Μετάδοσης (Ερωτήσεις, σελ. 77-78)

Λύσεις των ερωτήσεων/προβλημάτων του βιβλίου για τα μέσα μετάδοσης (2 αριθμητικά.

Διαχωρισμός & ενσύρματα μέσα

Ερώτηση: 1. Ποιος είναι ο γενικός διαχωρισμός των μέσων μετάδοσης που χρησιμοποιούνται στις επικοινωνίες; 2. Ποια είναι τα βασικά ενσύρματα μέσα μετάδοσης; Περιγράψτε τα με συντομία.

Απάντηση:

Γενικός διαχωρισμός: ενσύρματα μέσα και ασύρματα μέσα (ως ασύρματο μέσο εννοείται ο αέρας, μέσω του οποίου διαδίδονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή φωτεινά σήματα).
Δισύρματα χάλκινα καλώδια: δύο μονωμένοι χάλκινοι αγωγοί (ζεύγος)· το απλούστερο και φθηνότερο μέσο, κατάλληλο για μικρές αποστάσεις (υπολογιστές, τηλέφωνα).
Ομοαξονικά καλώδια: δύο κυλινδρικοί αγωγοί με κοινό άξονα, χωρισμένοι με διηλεκτρικό· μεγαλύτερο εύρος ζώνης, μικρότερη εξασθένηση και μεγαλύτερη αναισθησία στον θόρυβο.
Οπτικές ίνες: ίνες γυαλιού που εγκλωβίζουν και οδηγούν το φως· πολύ μεγάλο εύρος ζώνης και ελάχιστη εξασθένηση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ενσύρματα και ασύρματα μέσα. Βασικά ενσύρματα: δισύρματα χάλκινα καλώδια, ομοαξονικά καλώδια, οπτικές ίνες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: οι δύο κατηγορίες + τα τρία ενσύρματα μέσα με σύντομη περιγραφή.

Εύρος ζώνης & εξασθένηση

Ερώτηση: 3. Να οριστούν οι έννοιες του εύρους ζώνης και της εξασθένησης.

Απάντηση:

Εύρος ζώνης συχνοτήτων (bandwidth): το φάσμα των συχνοτήτων που μπορούν να διαδοθούν ανεμπόδιστα μέσα από το φυσικό μέσο· ο ρυθμός μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων είναι ανάλογος με το εύρος ζώνης.
Εξασθένηση: δείχνει πόσο μειώνεται η στάθμη της ισχύος ενός σήματος κατά τη μετάδοσή του μέσα από ένα φυσικό μέσο· μετράται σε dB ανά μονάδα μήκους (π.χ. dB/km).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Εύρος ζώνης = οι συχνότητες που περνούν ανεμπόδιστα από το μέσο· εξασθένηση = η μείωση της στάθμης ισχύος του σήματος, σε dB ανά μονάδα μήκους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: σωστός ορισμός και των δύο.

Θόρυβος

Ερώτηση: 4. Τι ονομάζουμε θόρυβο; Ποια η επίδρασή του στις επικοινωνίες;

Απάντηση:

Θόρυβος: τα ανεπιθύμητα σήματα (φυσικά ή τεχνητά) που λαμβάνονται μαζί με το χρήσιμο σήμα — π.χ. από ακτινοβολία άλλων μέσων, κεραίες εκπομπής, οικιακές συσκευές· στα καλώδια δημιουργούν ρεύμα που ονομάζεται ηλεκτρονικός θόρυβος.
Επίδραση: όσο μεγαλώνει το μήκος του αγωγού, τόσο περισσότερος θόρυβος συλλέγεται, οπότε περιορίζεται η απόσταση μετάδοσης· όταν ο θόρυβος γίνει τόσο μεγάλος όσο το σήμα, ο δέκτης δεν μπορεί να αναγνωρίσει τη χρήσιμη πληροφορία.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θόρυβος = ανεπιθύμητα σήματα που λαμβάνονται μαζί με το χρήσιμο· αλλοιώνει το σήμα και περιορίζει την απόσταση, ενώ όταν πλησιάσει το μέγεθος του σήματος η πληροφορία χάνεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: ορισμός + αρνητική επίδραση.

Χάλκινα καλώδια & διαφωνία/θωράκιση

Ερώτηση: 5. Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των χάλκινων καλωδίων; Ποια τα πλεονεκτήματά τους και ποια τα μειονεκτήματά τους; 6. Γιατί χρησιμοποιούνται συνεστραμμένα ζεύγη καλωδίων; Τι είναι το φαινόμενο της διαφωνίας; 7. Γιατί τα καλώδια χρειάζονται θωράκιση;

Απάντηση:

Χαρακτηριστικά: δύο μονωμένοι χάλκινοι αγωγοί (ζεύγος)· στηρίζονται στη μικρή ωμική αντίσταση του χαλκού· μεταφέρουν αναλογικά και ψηφιακά σήματα· εύρος ζώνης έως μερικές εκατοντάδες MHz (κατηγορίες 3-7, συνηθέστερη η 5).
Πλεονεκτήματα: το απλούστερο και φθηνότερο μέσο, εύκολη χρήση — ιδανικά για μικρές αποστάσεις. Μειονεκτήματα: μεγάλη εξασθένηση με την απόσταση (ιδίως στις υψηλές συχνότητες) και μεγάλη ευαισθησία στον θόρυβο → ακατάλληλα για μεγάλες αποστάσεις.
Συνεστραμμένα ζεύγη: η συνέλιξη περιορίζει τη λήψη εξωτερικών σημάτων από το ζεύγος, άρα τη διαφωνία και τον θόρυβο (αναλογικό σήμα έως μερικά χιλιόμετρα). Διαφωνία (crosstalk): κάθε ζεύγος συμπεριφέρεται σαν κεραία, ακτινοβολεί μέρος της ενέργειας στα γειτονικά ζεύγη και λαμβάνει σήματα από αυτά.
Θωράκιση: εξωτερικό αγώγιμο προστατευτικό περίβλημα για να αυξηθεί η ανοχή στον θόρυβο· χρησιμοποιείται επίσης για προστασία από μηχανικές, περιβαλλοντικές και χημικές καταπονήσεις (π.χ. υπόγεια καλώδια).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Φθηνά και εύκολα για μικρές αποστάσεις, αλλά με μεγάλη εξασθένηση και ευαισθησία στον θόρυβο. Η συστροφή περιορίζει τη διαφωνία (λήψη σημάτων από γειτονικά ζεύγη)· η θωράκιση αυξάνει την ανοχή στον θόρυβο και προστατεύει το καλώδιο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: χαρακτηριστικά + πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα + ορισμός διαφωνίας + λόγος συστροφής και θωράκισης.

Ομοαξονικό & διηλεκτρικό

Ερώτηση: 8. Τι είναι το ομοαξονικό καλώδιο; Ποια τα βασικά του χαρακτηριστικά; Τι ονομάζουμε διηλεκτρικό υλικό;

Απάντηση:

Ομοαξονικό καλώδιο: δύο κυλινδρικοί αγωγοί με κοινό άξονα — ο εξωτερικός περιβάλλει πλήρως τον εσωτερικό — χωρισμένοι με μονωτικό υλικό και με εξωτερικό προστατευτικό περίβλημα· το σήμα διαδίδεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο διηλεκτρικό.
Χαρακτηριστικά: εύρος ζώνης τυπικά 500 MHz, υψηλός ρυθμός ψηφιακής μετάδοσης, μικρότερη εξασθένηση (μεγαλύτερη απόσταση), μεγαλύτερη αναισθησία στον θόρυβο, ασφάλεια· μειονέκτημα: είναι άκαμπτο και χρειάζεται ειδικούς συνδετήρες.
Διηλεκτρικό υλικό: το μονωτικό υλικό που διαχωρίζει τους δύο αγωγούς· αποτρέπει την αγώγιμη επαφή τους και επιτρέπει τη διάδοση του σήματος.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ομοαξονικό = δύο ομοαξονικοί κυλινδρικοί αγωγοί με διηλεκτρικό ανάμεσα· μεγάλο εύρος ζώνης, μικρή εξασθένηση, αναισθησία στον θόρυβο, ασφάλεια. Διηλεκτρικό = το μονωτικό ανάμεσα στους αγωγούς.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: δομή + χαρακτηριστικά + ορισμός διηλεκτρικού.

Οπτικές ίνες & ολική ανάκλαση

Ερώτηση: 9. Τι είναι οι οπτικές ίνες; Τι είναι η ολική ανάκλαση; 10. Ποια είναι τα βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των οπτικών ινών; 11. Ποια τα είδη των πολύτροπων οπτικών ινών;

Απάντηση:

Οπτικές ίνες: ίνες γυαλιού υψηλής καθαρότητας (πυρήνας με περίβλημα μικρότερου δείκτη διάθλασης) που εγκλωβίζουν το φως και το οδηγούν προς συγκεκριμένη κατεύθυνση.
Ολική (εσωτερική) ανάκλαση: όταν μια ακτίνα πηγαίνει από μέσο με μεγάλο δείκτη διάθλασης σε μέσο με μικρότερο, με γωνία μεγαλύτερη από την οριακή, δεν διαθλάται αλλά ανακλάται πλήρως και μένει στο πρώτο μέσο· έτσι το φως οδεύει στον πυρήνα με διαδοχικές ανακλάσεις.
Πλεονεκτήματα: πολύ μεγάλο εύρος ζώνης (υψηλοί ρυθμοί), ανεπηρέαστες από ηλεκτρικά/μαγνητικά πεδία και θόρυβο, πολύ ασφαλές μέσο, ελάχιστη εξασθένηση (πάνω από 200 km χωρίς αναμεταδότες), μικρός όγκος και βάρος, χωρίς κίνδυνο σπινθήρων, ανεπηρέαστες από την υγρασία. Μειονεκτήματα: δυσκολία σύνδεσης με άλλα εξαρτήματα και ευθυγράμμισης με τη φωτεινή πηγή (μικρές αποκλίσεις → μεγάλη απώλεια φωτός).
Είδη πολύτροπων ινών: ίνες βηματικού δείκτη διάθλασης (step index) — απότομη μεταβολή του δείκτη πυρήνα-περιβλήματος, 10-50 dB/km — και ίνες διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης (graded index) — ο δείκτης μεταβάλλεται ομαλά, οι ακτίνες φθάνουν ταυτόχρονα, 7-15 dB/km.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ίνες γυαλιού που οδηγούν το φως με ολική ανάκλαση. + εύρος ζώνης, ανοσία σε θόρυβο, ασφάλεια, μικρή εξασθένηση, μικρό βάρος· − δύσκολη σύνδεση/ευθυγράμμιση. Πολύτροπες: βηματικού και διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: ορισμοί + πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα + τα δύο είδη πολύτροπων ινών.
Μην συγχέεις τα είδη των πολύτροπων ινών (βηματικού/διαβαθμισμένου δείκτη) με τη διάκριση πολύτροπη/μονότροπη.

Ασύρματη ζεύξη & κεραία

Ερώτηση: 12. Τι ονομάζουμε ασύρματη ζεύξη; Τι ονομάζουμε κεραία; Ποιες οι βασικές ιδιότητες μιας κεραίας; 13. Ποια τα πλεονεκτήματα και ποια τα μειονεκτήματα των ασύρματων ζεύξεων; Αναφέρατε παραδείγματα όπου οι ασύρματες ζεύξεις είναι απαραίτητες. 20. Τι ονομάζουμε κεραία και ποιο ρόλο επιτελεί;

Απάντηση:

Ασύρματη ζεύξη: η ζεύξη που είναι ανεξάρτητη από υλικά μέσα (όπως τα καλώδια) και χρησιμοποιεί ως μέσο διάδοσης τον αέρα ή το κενό, με κατάλληλες κεραίες.
Κεραία (και ρόλος της): σύστημα κατάλληλου σχήματος που επιτρέπει στην ενέργεια να περάσει από το ενσύρματο μέσο (καλώδιο) στον ελεύθερο χώρο με όσο το δυνατόν καλύτερη απόδοση — η διάταξη που προσαρμόζει τη γραμμή μεταφοράς στον ελεύθερο χώρο. Η κεραία εκπομπής ακτινοβολεί ηλεκτρομαγνητικά κύματα· η κεραία λήψης τα μετατρέπει σε ηλεκτρικά σήματα.
Βασικές ιδιότητες: το σχήμα της και το σημείο τροφοδότησης· το σχήμα καθορίζει την κατεύθυνση ακτινοβολίας (εκπομπή) ή λήψης των κυμάτων.
Πλεονεκτήματα: ανεξαρτησία από υλικά μέσα — ζεύξη δύο σημείων χωρίς καλώδιο. Παραδείγματα όπου είναι απαραίτητες: επικοινωνίες μεταξύ πλοίων, πλοίου-στεριάς, εδάφους-αεροπλάνων.
Μειονεκτήματα: μεγάλη απαιτούμενη ισχύς (λόγω της εξασθένησης στην ατμόσφαιρα), μεγάλη ευαισθησία σε παρεμβολές και θόρυβο, χαμηλή ασφάλεια (εύκολη παρεμβολή ή υποκλοπή).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ασύρματη ζεύξη = χωρίς υλικό μέσο (αέρας/κενό). Κεραία = προσαρμόζει τη γραμμή μεταφοράς στον ελεύθερο χώρο (εκπομπή/λήψη ΗΜ κυμάτων)· ιδιότητες: σχήμα και σημείο τροφοδότησης. + χωρίς καλώδιο (πλοία, αεροπλάνα)· − μεγάλη ισχύς, παρεμβολές, χαμηλή ασφάλεια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: ορισμοί ζεύξης/κεραίας + σχήμα-σημείο τροφοδότησης + πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα + παραδείγματα.

ΗΜ φάσμα & μικροκύματα

Ερώτηση: 14. Τι είναι το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα; Αναφέρατε κάποιες περιοχές συχνοτήτων και τη χρήση τους. 15. Ποια είναι η περιοχή των μικροκυματικών συχνοτήτων; Ποια τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της και ποιες οι εφαρμογές της;

Απάντηση:

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα: το σύνολο των συχνοτήτων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, χωρισμένο από τους διεθνείς οργανισμούς σε περιοχές για συγκεκριμένες εφαρμογές.
Περιοχές-χρήσεις (σχ. 3.3.2): 50 Hz διανομή ηλεκτρικής ισχύος· 20 Hz-20 kHz ακουστικές συχνότητες· ράδιο και TV (από 500 kHz έως τα MHz)· μικροκύματα (ραντάρ, επικοινωνίες)· υπέρυθρες και ορατό φάσμα (400-700 nm)· ακόμη υψηλότερα υπεριώδεις, ακτίνες X και γάμα. Π.χ. οι HF (3-30 MHz) διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις αλλά μεταφέρουν λίγη πληροφορία.
Μικροκυματική περιοχή: 1-30 GHz. Χαρακτηριστικά: υψηλός ρυθμός μετάδοσης (έως 300 Mbit/s), αρκετά κατευθυντικές ζεύξεις → πιο ασφαλείς· ευαισθησία στην κακοκαιρία· απαιτούν οπτική επαφή πομπού-δέκτη (για μεγαλύτερες αποστάσεις, αναμεταδότες).
Εφαρμογές: συστήματα ραντάρ (συνήθως 2-18 GHz), μικροκυματικές ζεύξεις επικοινωνιών και δορυφορικές ζεύξεις.

Σύνοψη: (ενδεικτική) ΗΜ φάσμα = όλες οι συχνότητες ΗΜ κυμάτων, χωρισμένες σε περιοχές ανά εφαρμογή. Μικροκύματα: 1-30 GHz, υψηλοί ρυθμοί, κατευθυντικότητα/ασφάλεια, οπτική επαφή, ευαισθησία στον καιρό· ραντάρ, μικροκυματικές και δορυφορικές ζεύξεις.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: ορισμός φάσματος + περιοχές με χρήση + 1-30 GHz + χαρακτηριστικά/εφαρμογές.

Διηπειρωτικές μεταδόσεις & δορυφόροι

Ερώτηση: 16. Τι είναι οι διηπειρωτικές ζεύξεις και πού χρησιμοποιούνται; Τι μέσα μετάδοσης χρησιμοποιούνται σε αυτές; 17. Ποιες οι ιδιαιτερότητες των υποβρύχιων καλωδίων με οπτικές ίνες; Γιατί οι οπτικές ίνες έχουν κυριαρχήσει στα υποβρύχια καλώδια; 18. Τι είναι οι δορυφορικές επικοινωνίες; Πού χρησιμοποιούνται; Τι ονομάζουμε αναμεταδότη; 19. Ποια τα πλεονεκτήματα των δορυφορικών επικοινωνιών και ποιοι οι περιορισμοί τους;

Απάντηση:

(16) Διηπειρωτικές ζεύξεις: ειδική κατηγορία ζεύξεων για τις μεγάλες αποστάσεις μεταξύ ηπείρων. Χρησιμοποιούν ενσύρματα μέσα (ομοαξονικά και κυρίως οπτικές ίνες σε υποβρύχια καλώδια) και ασύρματα (κυρίως δορυφορικές ζεύξεις με μικροκύματα).
(17) Υποβρύχια οπτικά καλώδια: έχουν πολύ περισσότερες προστασίες, είναι σχετικά ογκώδη και βαριά, με λίγες ίνες (συνήθως 12), μεταλλική εξωτερική ενίσχυση ανάλογα με το βάθος, οπτικούς ενισχυτές κάθε 200 km και χάλκινους αγωγούς για την τροφοδοσία τους. Κυριάρχησαν λόγω των πλεονεκτημάτων των ινών (τεράστιο εύρος ζώνης, μικρή εξασθένηση), που επιτρέπουν να περνά τεράστιος αριθμός ζεύξεων από το ίδιο καλώδιο και μειώνουν το κόστος.
(18) Δορυφορικές επικοινωνίες: μετάδοση μέσω δορυφόρων (π.χ. γεωστατικών σε τροχιά 38.880 km, με τρεις να καλύπτουν όλη τη γη)· χρησιμοποιούνται σε διηπειρωτικές ζεύξεις και εφαρμογές με απαιτήσεις εύρους ζώνης, όπως η μετάδοση τηλεοπτικών προγραμμάτων. Αναμεταδότης: σύστημα που λαμβάνει ένα σήμα σε ενδιάμεσο σημείο της διαδρομής, το ενισχύει και το αποστέλλει ξανά προς τον δέκτη.
(19) Πλεονεκτήματα: καλύπτουν εφαρμογές με απαιτήσεις σε εύρος ζώνης· δεν επηρεάζονται από την απόσταση των επικοινωνούντων. Περιορισμοί: μεγάλος χρόνος μετάδοσης (≈0,3 s), καμία ασφάλεια (ανάγκη κρυπτογράφησης), πολύ μεγάλη εξασθένηση (και από τη βροχή) → μεγάλη ισχύς εκπομπής και ευαίσθητοι δέκτες.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ζεύξεις ηπείρων με υποβρύχιες οπτικές ίνες και δορυφόρους. Τα υποβρύχια οπτικά καλώδια είναι ενισχυμένα, με λίγες ίνες και οπτικούς ενισχυτές. Αναμεταδότης = λαμβάνει, ενισχύει και ξαναστέλνει το σήμα. Δορυφόροι: + εύρος ζώνης, ανεξαρτησία από απόσταση· − καθυστέρηση, ασφάλεια, εξασθένηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: μέσα διηπειρωτικών ζεύξεων + ιδιαιτερότητες υποβρύχιων καλωδίων + ορισμός αναμεταδότη + πλεονεκτήματα/περιορισμοί δορυφόρων.

Πρόβλημα 21 — εξασθένηση καλωδίου

Ερώτηση: Ένα χάλκινο καλώδιο μήκους ενός χιλιομέτρου μεταφέρει σήμα με ισχύ 1W. Στο τέλος του καλωδίου το ηλεκτρικό σήμα έχει ισχύ 10mW. Να υπολογιστεί η εξασθένηση του καλωδίου.

Λύση:

A = 10·log(P₂/P₁), με P₁ = 1 W στην αρχή και P₂ = 10 mW = 0,01 W στο τέλος.
A = 10·log(0,01/1) = 10·log(10⁻²) = 10·(−2) = −20 dB.
Το πρόσημο (−) δείχνει απλώς ότι η ισχύς μειώθηκε → εξασθένηση 20 dB (για το 1 km).

Απάντηση: −20 dB (εξασθένηση 20 dB/km).

Πρόσεξε: