Elektrické parametry spojů v číslicových zařízeních
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
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)
Vliv útlumu a zkreslení
Šířka přenosového pásma (bandwidth) • závislost „míry pokažení přenášeného signálu“ má většinou intervalový charakter – závislý primárně na frekvenci signálu • lze najít rozsah frekvencí (fmin až fmax), které daná přenosová cesta přenáší s ještě únosným „pokažením“ • fmax-fmin představuje tzv. šířku přenosového pásma
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
Vliv šířky pásma na přenášený signál (obecného průběhu) • pro signály harmonického • pomůcka: každý rozumný signál lze rozložit (dekomponovat) na (sinusového) průběhu je signály harmonického průběhu závislost zřejmá (dle Fouriera) – frekvence v rámci šířky – na tzv. harmonické složky, s pásma se přenesou „beze celočíselnými násobky základní frekvence změn“, ostatní vůbec ne • vliv šířky pásma na harmonické • pro signály obecného složky je zřejmý průběhu je efekt omezené – určitý počet nižších složek „projde“ šířky přenosového pásma – vyšší harmonické složky složitější „neprojdou“
? =
= + + + ........
+ STOP STOP
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
• problém: vliv omezené šířky přenosového pásma na signály obdélníkového průběhu je velký!
změna změna2000x 2000x za zasekundu sekundu
šířka šířkapásma pásma 500 500Hz Hz
1300 1300Hz Hz
4000 4000Hz Hz
Závěry • 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
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
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, ...)
Představa modulace
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
Modulační rychlost • 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
Nyquistovo kritérium • říká, že 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
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
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
Příklady: • Ethernet: – 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, 2400-3200 Bd, n=512
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
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
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
(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) – ...........
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!
Přenosové cesty • linkové (drátové) – koaxiální kabely • pro přenos v základním i přeloženém pásmu
– kroucená dvoulinka – optické vlákno • mnohovidové • jednovidové
• bezdrátové – – – – –
rádiové mikrovlnné radioreléové satelitní ......
Linkové přenosové cesty
Bezdrátové přenosové cesty
