Základy datových komunikací

Prezentace na téma: "Základy datových komunikací"— Transkript prezentace:

1 Základy datových komunikací
J. Peterka, 1996 Počítačové sítě, v.2.0, lekce č. 5

2 Co je třeba znát z „teoretických základů“?
jak vyjádřit „schopnost přenášet data“ jak ji správně chápat jak a v čem ji měřit čím je „schopnost přenášet data“ určena na čem závisí, jaký je charakter závislosti jak ji lze zvyšovat kde jsou limity jaký je „přenosový potenciál“ nejčastěji používaných přenosových cest

3 Reálné vlastnosti přenosových cest
přenosové cesty nejsou nikdy ideální vždy nějak negativně ovlivňují přenášený signál vykazují: útlum (zeslabuje přenášený signál) zkreslení (deformuje přenášený signál) přeslech („prolínání“ signálů z jiných vedení) důsledek: každá přenosová cesta přenáší některé signály lépe, jiné hůře záleží zejména na frekvenci přenášeného signálu a na povaze jeho změn některé signály jsou již tak „pokaženy“, že nemá smysl je danou přenosovou cestou přenášet (pro jiné to ještě smysl má)

4 Vliv útlumu a zkreslení
ideální přenosová cesta vliv R R vliv C, L L C

5 Šířka přenosového pásma (bandwidth)
„pokažení“ závislost „míry pokažení přenášeného signálu“ má většinou intervalový charakter závislý primárně na frekvenci signálu ano ne ne f [Hz] lze najít rozsah frekvencí (fmin až fmax), které daná přenosová cesta přenáší s ještě únosným „pokažením“ fmax-fmin představuje tzv. šířku přenosového pásma

6 Příklady (šířky pásma)
komutovaný okruh veřejné telefonní sítě („vytáčená linka“): 3,1 kHz jde o uměle zavedené omezení (nikoli o vlastnost účastnických přípojek) kvůli tomu, aby v analogové tel. síti bylo možné „skládat“ jednotlivé tel. hovory do „širších“ přenosových kanálů, vedoucích mezi ústřednami u tzv. pevných (pronajatých) okruhů může být toto omezení odstraněno kroucená dvoulinka (twist): stovky MHz dnes jsou využívány skoro „nadoraz“ koaxiální kabely: stovky MHz ještě mají možnosti zvyšování optická vlákna: THz (?) jejich možnosti nejsou zdaleka využity, potenciál je obrovský

7 Vliv šířky pásma na přenášený signál (obecného průběhu)
pro signály harmonického (sinusového) průběhu je závislost zřejmá frekvence v rámci šířky pásma se přenesou „beze změn“, ostatní vůbec ne pro signály obecného průběhu je efekt omezené šířky přenosového pásma složitější pomůcka: každý rozumný signál lze rozložit (dekomponovat) na signály harmonického průběhu (dle Fouriera) na tzv. harmonické složky, s celočíselnými násobky základní frekvence vliv šířky pásma na harmonické složky je zřejmý určitý počet nižších složek „projde“ vyšší harmonické složky „neprojdou“

8 Představa = + STOP ?

9 Přenos v základním pásmu (baseband)
je snaha přenášet stejnosměrný signál (proud, napětí), a měnit jej (modulovat) přímo podle přenášených binárních dat typicky: přenáší se napěťové či proudové impulsy obdélníkového průběhu U [V] t 1 1 1 problém: vliv omezené šířky přenosového pásma na signály obdélníkového průběhu je velký!

10 Příklad změna 2000x za sekundu šířka pásma 500 Hz 1300 Hz 4000 Hz

11 Pozorování závěr: obecné pozorování:
čím větší je šířka pásma, tím více je přijatý signál „podobný“ tomu, který byl odeslán ... a tím lépe lze poznat, co má reprezentovat při určité rychlosti změn by deformace přijatého signálu byly již tak velké, že by se nedalo poznat, co má signál reprezentovat závěr: čím větší je šířka přenosového pásma, tím větší je „schopnost přenášet data“ platí to obecně, i pro jiné přenosy než jen v základním pásmu závislost mezi šířkou pásma a „schopností přenášet data“ je v zásadě lineární

12 Přenos v základním pásmu (baseband)
u některých přenosových cest jej není možné použít protože tyto nepřenesou tzv. stejnosměrnou složku (frekvenci 0 Hz) jde například o komutované okruhy veřejné telefonní sítě (ty mají „v cestě“ zařazeny prvky typu transformátorů, skrz které stejnosměrná složka neprojde) používá se například na koaxiálních kabelech a twistu, v sítích LAN Ethernet 10Base2, 10BaseT obecně lze tento způsob přenosu použít jen na kratší vzdálenosti kde se ještě tolik neprojevuje negativní vliv reálných obvodových vlastností přenosových cest

13 Přenos v přeloženém pásmu (broadband)
Základní myšlenka: přenášet takový signál, jaký daná přenosová cesta přenáší nejlépe to je většinou signál harmonického (sinusového) průběhu nikoli signál obdélníkového průběhu (ten bývá nejvíce „pokažen“) Problém: jak pomocí přenášeného harmonického signálu reprezentovat binární data? Modulace: podle přenášených dat se mění některé parametry harmonického signálu např. amplituda, frekvence, fáze, ...)

14 Představa modulace y = A . sin ( w.t + f ) amplitudová fázová
1 y = A . sin ( w.t + f ) frekvenční modulace (mění se w) fázová (mění se f) amplitudová (mění se A)

15 Analogový a digitální přenos
analogový přenos: zajímá mne konkrétní hodnota přenášené veličiny např. okamžitá hodnota napětí, proudu apod. digitální přenos: zajímá mne, zda hodnota přenášené veličiny spadá do jednoho intervalu či do druhého intervalu např. zda je hodnota napětí větší než 0,6V či nikoli (prakticky) každý přenos je ve své podstatě analogový přenáší se veličina, která je svým charakterem analogová o digitální či analogové povaze přenosu rozhoduje interpretace!!!! analogový přenos není nikdy ideální nedokáže přenést hodnotu s ideální přesností digitální přenos je ideální

16 Modulační rychlost měří se v Baudech [Bd]
týká se toho, jak rychle lze měnit přenášený signál při přenosech v přeloženém pásmu: jak rychle lze modulovat (měnit amplitudu, frekvenci, fázi, .... nosného signálu podle binárních dat) při přenosech v základním pásmu: jak rychle lze měnit samotný přenášený signál modulační rychlost = počet změn za sekundu měří se v Baudech [Bd] nelze ji zvyšovat donekonečna protože příjemce by nedokázal spolehlivě detekovat jednotlivé změny

17 Nyquistovo kritérium říká, že jinými slovy:
max(vmodulační)= 2*šířka_pásma pomalejší změny by nedokázaly využít veškerý potenciál dostupné šířky pásma rychlejší změny by nepřenesly žádnou informaci „navíc“ jinými slovy: aby příjemce mohl získat z přenášeného signálu veškerou užitečnou informaci, stačí mu vzorkovat jeho průběh 2x za každou periodu

18 Modulační vs. přenosová rychlost
modulační rychlost říká, jak rychle se mění přenášený signál měří se Baudech [Bd] neříká nic o přenesených datech záleží na tom, kolik „informace“ nese každá jednotlivá změna signálu přenosová rychlost vyjadřuje objem dat, přenesených za jednotku času měří se v bitech za sekundu [bps] neříká nic o rychlosti změn přeneseného signálu

19 Modulační vs. přenosová rychlost
obecně platí: vpřenosová=vmodulační * log2(n) kde n je počet možných stavů přenášeného signálu modulační a přenosová rychlost se mohou číselně rovnat pokud n=2 například u přenosů v základním pásmu v případě dvoustavové modulace

20 Příklady: Ethernet: RS-232-2, Centronics telefonní modemy
přenosová rychlost: 10 Mbps na 1 bit se „spotřebují“ 2 změny přenášeného signálu kódování Manchester modulační rychlost je dvojnásobná RS-232-2, Centronics modulační a přenosová rychlost jsou si rovny telefonní modemy modem V.22bis: 2400 bps, 600 Bd, n=16 modem V.32: 9600 bps, 2400 Bd, n=16 modem V.32bis: 14400 bps, 2400 Bd, n=64 modem V.34: 28800 bps, Bd, n=512

21 Zvyšování přenosové rychlosti
možné zdroje zvyšování: šířka přenosového pásma zvýšení znamená obvykle změnu přenosového média resp. cesty zvýšení obvykle znamená zvýšení ceny (nákladů) počet stavů přenášeného signálu (stupeň modulace) stupeň modulace nelze zvyšovat donekonečna! intuitivně: při překročení určitého stupně modulace (počtu stavů přenášeného signálu) již příjemce nebude schopen tyto stavy správně rozlišit exaktně: kde leží ona hranice na čem je závislá

22 Shannonův teorém Claude Shannon:
ona hranice je dána šířkou přenosového pásma „kvalitou“ přenosové cesty(odstupem signálu od šumu) číselně: max(vpřenosová) = šířka pásma * log2(1 + signál/šum) není to závislé na použité technologii !!! nezáleží na použité modulaci nevyskytuje se tam počet rozlišovaných stavů přenášeného signálu

23 Příklad komutované linky veřejné telefonní sítě:
šířka pásma: 3,1 kHz signál:šum = 1000:1 dle Shannonova teorému vychází maximální přenosová rychlost cca 30 kbps žádný modem pro nemůže nikdy fungovat rychleji!!! modemy 33 kbps: uměle si „roztahují“ původní šířku pásma 3,1 kHz dokáží využít i okrajové části pásma („boky“ vanové křivky) modemy 56 kbps: pro ně musí být umělé omezení šířky pásma na 3,1 kHz odstraněno úplně

24 (Efektivní) přenosový výkon
přenosová rychlost je veličina nominálního charakteru říká spíše, jak dlouho trvá přenos 1 bitu neříká zda se jednotlivé bity přenáší „souvisle“ či nikoli neříká, které bitu jsou „užitečné“ a které mají režijní charakter objem „užitečných“ dat, přenesených za jednotku času, vyjadřuje až tzv. přenosový výkon měří se v bitech za sekundu postihuje: režii přenosových mechanismů a formátů režii na zajištění spolehlivosti (opakování přenosů)

25 Přenosový výkon vs. přenosová rychlost
faktory snižující přenosový výkon oproti přenosové rychlosti: různé druhy režie faktory zvyšující ... komprese přenášených dat záleží na vzájemném poměru obou vlivů přenosový výkon může být i vyšší než než přenosová rychlost související příklad: telefonní modemy se zabudovanou on-line kompresí (až 4:1) přenosová rychlost 28,8 kbps (nominální) při max. kompresi mezi modemem a počítačem data „tečou“ 4x rychleji, tj. rychlostí 115,2 kbps u modemů 33 kbps jsou problémy i s rychlými sériovými porty!

26 Přenosové cesty linkové (drátové) bezdrátové koaxiální kabely
pro přenos v základním i přeloženém pásmu kroucená dvoulinka optické vlákno mnohovidové jednovidové bezdrátové rádiové mikrovlnné radioreléové satelitní ......

27 Linkové přenosové cesty
viditelné světlo 4 10 12 10 Hz rádio mikrovlny infračerv. UV RTG gamma optická vlákna kroucená dvoulinka koax. kabel 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 10 10 Hz kHz MHz GHz THz

28 Bezdrátové přenosové cesty
viditelné světlo 4 10 12 10 rádio mikrovlny infračerv. UV RTG gamma AM rádio FM rádio satelity laserové, optické spoje mikrovlnné spoje TV 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 10 10 Hz kHz MHz GHz THz