Počítačové sítě • 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 • pro TV přenosy 6 MHz 1
Počítačové sítě
• Šířka přenosového pásma - propustnost komunikačního kanálu – přenosová rychlost • 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) 2
Počítačové sítě • Periodický signál s(t + T) = s(t) • Signál analogový – perioda - T – amplituda - A – fáze - Φ • Signál diskrétní (digitální) – perioda - T – amplituda - A
3
Počítačové sítě
• Pojmy kódování, modulace – projekce dat do signálu – kódování – konverze do digitálního signálu – modulace – konverze 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 4
Počítačové sítě
• Množství informace v prvku signálu – nejjednodušší případ 1:1 • Úrovně signálu – nejjednodušší případ 2 • Příklad jednofázového kódování B
1
0
0
1
1
1
0
1
0
A perioda bitu
časování
• Bi-fázové kódování - perioda bitu je rozdělena na dvě „fáze“, časování probíhá v každé fázi, tzn. perioda bitu je dvojnásobek periody prvku signálu 5
Počítačové sítě
• Data se konvertují 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=Mxb 6
Počítačové sítě
• Možné konverze data
signál
digitální data
kódování síťová karta
diskrétní signál
digitální data
modulace modem
analogový signál
analogová data
kódování CODEC
diskrétní signál
analogová data
modulace analog. telefon
analogový signál 7
Počítačové sítě
• Důvody pro modulaci a kódování – technické - vysílání signálu musí být technologicky proveditelné – zvýšení účinnosti a využitelnosti spoje – zvýšení odolnosti přenosu – menší bitová chybovost (BER – Bit Error Ratio) – možnost detekce chyb – možnost synchronizace přenosu – zvýšení bezpečnosti přenosu – znemožnění odposlechu (zvláště u bezdrátových přenosů) 8
Počítačové sítě Příklady kódovacích technik digitální data diskrétní signál
NRZ - L NRZ I Bipolar. AMI Pseudoternary
Manchester Diff. Manchester
9
Počítačové sítě Principy modulace 0
0 1 1 0 1
0 0 0 1 0 amplitudová
frekvenční
fázová 10
Počítačové sítě
• Modulace – digitálními nebo analogovými daty se mění (moduluje) nosný signál s nosnou frekvencí fc . „ Nosná“ určuje umístění signálu v rámci elektromagnetického spektra. Modulace – změna charakteristiky signálu • Vlastnosti modulačních technik (u elektrických vodičů): – aplitudová – 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 11
Počítačové sítě
• Modulační techniky digitální data – analogový signál (modem) – víceúrovňové techniky b = 2 nebo 4: – Kvadraturní fázová modulace – Kombinace fázové a amplitudové modulace
• Modulační techniky pro bezdrátové přenosy – rozprostřené spektrum (spread spectrum) – zabezpečení proti odposlechům a kolizím – FHSS a DSSS (dále na semináři)
12
Modulační techniky • QPSK – Kvadraturní fázová modulace – 4 00…. 450 fázové posuny přenáší 2 bity Π/2 Π/4
01….. 1350
3Π/4
10….. 2250 01
00
11….. 3150 Π
0 ~ 2Π
fáze referenčního signálu
11
10 5Π/4
7Π/4 3Π/2
13
Modulační techniky • QAM – Kvadraturní amplitudová modulace (např. 256 QAM přenáší v jednom prvku signálu 8 bitů) 00000000 00000001 00000010 00000011 …………
16
ch ý ov z fá
nů u s po
ú 16
r
ní v o
litu p am
d
fáze referenčního signálu
………… 11111110 11111111
14
Počítačové sítě
• 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 125µs 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 15
Počítačové sítě
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. 16
Počítačové sítě
• Prostředky pro obnovu signálu: zesilovače, opakovače (repeaters)
HUB
HUB Repeater
Deformovaný signál
Obnovený signál
17
Počítačové sítě • Kapacita přenosového kanálu – maximální přenosová rychlost v bitech za vteřinu [b/s] nebo [bps]
– ideální (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]
– reálná (podle Shannona) C = W log2 ( 1 + S/N ) S
S´
N S/N…poměr signál/šum (S/N)dB = 10 log výkon signálu / výkon šumu 18
Počítačové sítě
• 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 …… 19
Počítačové sítě
• Požadavky na přenosové technologie:
– vysoká přenosová rychlost – nulová chybovost – dlouhé vzdálenosti bez nutnosti obnovy signálu – nízké náklady
20
