Počítačové sítě Přenos signálu Základní pojmy Informace - něco, čemu „rozumí“ agent/příjemce zprávy Zpráva – formalizovaná informace – formát dohodnutý mezi komunikujícími stranami (seskupení datových jednotek – datový paket) Datové pakety (data) – jednotky přenášející informace (informace textová, grafická, zvuková, video, ..) Data z fyzikální podstaty data digitální – binární „1“ a „0“ – datový element „bit“ data analogová – zvuk Data v komunikačním procesu Vstupní /výstupní Uložená/přenášená Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Signál - časová funkce fyzikální veličiny - generovaná vysílačem a přijímaná přijímačem Signál periodický (opakovaný průběh v časové periodě) signál analogový signál diskrétní Signál neperiodický Médium – fyzikální prostředí umožňující vedení signálu (vodiče) šíření signálů (volný prostor)  Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu ICT: „Informace je význam přidělený přenášeným datům uspořádaným do zpráv“ Claude Shannon: „Informace je míra množství neurčitosti nebo nejistoty o nějakém náhodném ději, odstraněná realizací tohoto děje Norbert Wiener: „Informace je název pro obsah toho, co se vymění s vnějším světem, když se mu přizpůsobujeme a působíme na něj svým přizpůsobováním Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Přenos informace Musí platit: vstupní zpráva ~ výstupní zpráva ( m = m´ ) Tedy platí: g(t) ~ g´(t) Ale může platit: s(t) = r(t) i s(t)  r(t) Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Signál – fyzikální prostředek (fyzikální hodnota proměnná v čase) umožňující přenos dat. Přenosové médium – prostředí pro šíření signálu (fyzicky vymezené – vodič, fyzicky nevymezené, prostupné) Fyzikální podstata signálu – elektromagnetické vlny Způsob šíření signálu „point-to-point“, dvoubodové - unicast všesměrové - broadcast skupinové (do specifikovaných cílů) – multicast do nejbližšího nebo „nejlepšího“ člena skupiny – anycast Dvoubodový přenos – jednosměrný - simplex obousměrný současný – full duplex obousměrný střídavý – half duplex Pojmy uplink a downlink Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Signál se šíří přenosovým médiem prostřednictvím elektromagnetických vln Rychlost šíření prostorem: c = 300 000 000 m/s (rychlost světla) Perioda vlny: T [s] Vlnová délka:  [m] Platí: c = /T Frekvence: f [Hz] Platí: f = 1/T Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Šíření elektromagnetických vln prostorem Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Elektromagnetické spektrum Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě - Přenos signálu Koaxiální kabel Optický vodič Kroucený dvoudrát 10 Mb 100 Mb 1Gb 10Gb 1Tb Počítačové sítě - Přenos signálu Ethernet Pásma pro bezdrátové přenosy

Počítačové sítě Přenos signálu Šířka pásma (rozdíl mezi nejvyšší a nejnižší frekvencí, které je možno přenášet) udává se v jednotkách Hz (.. MHz, GHz, …) Základní pásmo (1 frekvence) – baseband (typické pro LAN) Úzké pásmo – narrowband (3 kHz) Široké pásmo (min. 20 kHz, v současnosti stovky MHz až GHz) – broadband (typické pro WAN) http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetick%C3%A9_spektrum Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Periodický signál s(t + T) = s(t) Signál analogový perioda - T amplituda - A fáze - Φ Signál diskrétní (digitální) A T Φ Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Každý signál (diskrétní i analogový) vyžaduje pro přenos určitou šířku pásma: základní pásmo baseband – pro přenos signálu s jednou frekvencí (není transponován do jiné frekvence) – typicky LAN úzké pásmo narrowband – pro hlasové přenosy 50 – 64 kbps – typicky telefonní sítě široké pásmo broadband – pro multiplexované přenosové kanály (frekvenčně sdílené) – typicky WAN a přístupové sítě Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Šířka přenosového pásma (propustnost komunikačního kanálu) vs. přenosová rychlost (rychlost přenosu dat) Čím kvalitnější přenosové médium, tím má větší šířku pásma Dostatečná šířka pásma (měřená v Hz) – předpoklad vysoké přenosové rychlosti (měřené v b/s) Přenosová rychlost je úměrná modulační rychlosti (měřené v jednotkách „Baud“ – Bd) Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Signál – fyzikální veličina sloužící k přenosu dat Modulace - projekce dat do signálu Pojmy kódování (diskrétní modulace), modulace (analogová modulace) kódování – konverze dat do diskrétního signálu modulace – konverze dat do analogového signálu Kódovací/modulační techniky prvek dat (např. bit) prvek signálu prvek signálu – taková část signálu, která zabere nejkratší interval signálového kódu diskrétní – napěťový puls konstantní amplitudy analogový – puls konstantní frekvence, fáze a amplitudy Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Princip modulace Sekvence bitů Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Množství informace (dat) v prvku signálu – nejjednodušší případ 1:1 Úrovně signálu – nejjednodušší případ 2 úrovně Příklad jednofázového kódování Bi-fázové kódování - perioda bitu je rozdělena na dvě „fáze“, časování probíhá v každé fázi, tzn. perioda bitu je dvojnásobek periody prvku signálu Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Důvody pro modulaci a kódování technické - vysílání signálu musí být technologicky proveditelné zvýšení účinnosti a využitelnosti spoje zvýšení odolnosti přenosu – menší bitová chybovost možnost detekce chyb možnost synchronizace přenosu zvýšení bezpečnosti přenosu – znemožnění odposlechu (zvláště u bezdrátových přenosů) BER (Bit Error Ratio) poměr chybně přenesených bitů k počtu celkově přenesených bitů Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu

C = M x b Kódování - modulace Počítačové sítě Přenos signálu Kódování - modulace Data se vkládají do prvků signálu bit po bitu po oktetech Pořadí bitů v signálu je specifikováno danou přenosovou technologií big-endian nebo little-endian např. technologie Ethernet používá „little-endian“ Měření charakteristiky přenosového kanálu přenosová rychlost C [bps] modulační rychlost M [baud] počet bitů v prvku signálu b (např. bi-fázový kód Manchester   b = ½ ) C = M x b Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Příklady kódovacích technik Digitální data - Diskrétní signál Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Modulační techniku Manchester používá nevýznamnější technologie LAN - IEEE 802.3 (Ethernet) Počítačové sítě - Přenos signálu

Principy modulačních technik Počítačové sítě Přenos signálu Principy modulačních technik Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Modulace – digitálními nebo analogovými daty se mění (moduluje) nosný signál s nosnou frekvencí fc . Nosná frekvence určuje rychlost přenosu. Modulace – změna charakteristiky signálu Vlastnosti modulačních technik (u elektrických vodičů): amplitudová – málo odolná proti vnějšímu rušení kmitočtová – vhodná pro nižší rychlosti fázová – nejodolnější, vhodná i pro vyšší rychlosti Modulace se používá v bezdrátových technologiích v přenosech optickými vlákny v přenosech metalickými vodiči Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Modulační techniky (digitální data -> analogový signál) Víceúrovňové techniky (implementace – modem) b = 2 nebo b = 4 (b – počet bitů v prvku signálu): Kvadraturní fázová modulace Kombinace fázové a amplitudové modulace Techniky pro bezdrátové přenosy Rozprostřené spektrum (Spread Spectrum)– zabezpečení proti odposlechům a kolizím: FHSS DSSS Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Fázorový diagram Fázor je grafické znázornění jedné sinusové veličiny. Je to orientovaná úsečka, délka odpovídá efektivní hodnotě (amplitudě) a úhel který svírá s vodorovnou osou x vyjadřuje fázový posun vůči počátku souřadnic. Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu QPSK – Kvadraturní fázová modulace – 4 fázové posuny přenáší 2 bity 00…. 450 01….. 1350 10….. 2250 11….. 3150 Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu QAM – Kvadraturní amplitudová modulace (např. 256 QAM přenáší v jednom prvku signálu 8 bitů) 00000000 00000001 00000010 00000011 ………… 11111110 11111111 Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Modulace analogová data digitální signál Multimediální data, přenosy hlasu – CODEC Modulační technika PCM (Pulse Code Modulation) – princip „vzorkování“ – snímání amplitudy signálu v pevných časových periodách, vyhodnocení vzorků hodnotou (určitý počet úrovní). Např. : 16 úrovní …. 4 bity 256 úrovní …..8 bitů Pro přenos hlasu je postačující vzorkování v periodě 125s s rozlišením 256 úrovní (8 bitová informace), tj. přenosová rychlost 64 kbps (šířka pásma 4 kHz) Alternativa PCM – DM (Delta Modulation) – diferenciální impulsní kódová modulace Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Problémy při přenosech signálu zkreslení útlum zpoždění rušení – parazitní signál – šum Řešení – přenosové technologie specifikace elektrických a světelných charakteristik přenosových médií specifikace maximálních délek segmentů vodičů volba vhodného typu modulace nebo kódování atd. Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Prostředky pro obnovu signálu v optických a bezdrátových spojích : zesilovače, opakovače (repeaters) Satelitní spoje – retranslátory Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Kapacita přenosového kanálu – maximální přenosová rychlost v bitech za vteřinu [b/s] nebo [bps] Ideální kapacita(podle Nyquista) C = 2 W log2 M C …… přenosová rychlost [bps] W……. šířka přenosového pásma [Hz] M……. modulační rychlost - počet diskrétních pulsů nebo napěťových úrovní za sec [Bd] Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Reálná kapacita (podle Shannona) C = W log2 ( 1 + S/N ) S/N…poměr signál/šum S/N - SNR (Signal-to-Noise Ratio) (SNR)dB = 10 log (PS /PN) PS - výkon signálu AS - amplituda signálu SNR = PS /PN = (AS /AN )2 PN - výkon šumu An - amplituda šumu 3 dB – 50 % ztrát 10 dB – 10 % ztrát 20 dB – 1 % ztrát 30 dB – 0,1 % ztrát Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Přenosový kanál – soubor prostředků mezi dvěma uzly sítě umožňující přenos signálu (vysílací rozhraní, přenosové médium, přijímací rozhraní) Přenosový kanál vytvářejí přenosové technologie, které specifikují rychlost přenosu pořadí bitů little endian – bit s nejmenší váhou v oktetu je vyslán první big endian – bit s největší váhou v oktetu je vyslán první přenosové médium (typ, max. a min. délku…) koncovky (typy konektorů, označení pinů…) fyzikální charakteristiky signálu zařízení pro regeneraci signálů …… Počítačové sítě - Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu

Počítačové sítě Přenos signálu Požadavky na přenosové technologie: vysoká přenosová rychlost nulová chybovost dlouhé vzdálenosti bez ztráty kvality signálu nízké provozní náklady Počítačové sítě - Přenos signálu