schopnost přenášet data:

   na čem závisí?  šířka pásma, modulace

   jak ji zvyšovat, kde jsou její limity? Nyquistův teorém, Shannonovo kritérium

   jak se vyjadřuje  a v čem se měří? modulační a přenosová rychlost

vlastnosti reálných přenosových médí:

  přenosový potenciál různých přenosových médií: kroucená dvoulinka, koaxiální kabely, optické kabely

optické přenosy:

  čistě optické přenosy

techniky přenosu dat, používané na fyzické vrstvě:

  modulovaný a nemodulovaný přenos: modulace a kódování

  arytmický, asynchronní asynchronní přenos

  analogový a digitální přenos

  digitalizace analogových signálů

  techniky multiplexu: FDM, TDM, STDM, OFDM, CDMA,..

  izochronní přenos, bitstream, ….

  bezdrátové přenosy: spread spectrum, frequency hopping,...


vlastnosti reálných přenosových médí:

  vedení, náhradní obvod RLC, rezonance,

homogenní vedení se rozumí takové vedení, u kterého jsou jeho parametry rozděleny podél
celé délky rovnoměrně. Každé dvouvodičové vedení je charakterizováno čtyřmi parametry:

• podélným odporem na vedení na jednotku délky R[Ω]
• podélnou indukčností na jednotku délky L[H/m]
• příčnou vodivostí vedení na jednotku délky G[S/m] způsobenou neideálním dielektrikem
• příčnou kapacitou vedení na jednotku délky C[F/m] představující kapacitní vlastnosti
dvojice vodičů
ideální stav:

útlum (attenuation) – zeslabuje přenášený signál

zkreslení (distortion) – deformuje přenášený signál

přeslech (crosstalk) – „prolínání“ signálů z přenosů po jiných vedeních

rušení (interference) – „prolínání“ dalších rušivých signálů

souběžně vedené vodiče se vždy chovají jako anténa, přenosová cesta přenáší některé signály lépe, jiné hůře, záleží na frekvenci přenášeného signálu a na povaze jeho změn

reálné přenosové cesty vždy přenáší nějakou analogovou veličinu:

metalické: přenáší elektrický signál  

  lze měřit velikost napětí, velikost proudu, sledovat průběh v čase (změny ….)

optické: přenáší světlo

  lze měřit intenzitu světla, sledovat průběh v čase …..

bezdrátové (rádiové): přenáší elektromagnetické vlnění

 lze měřit kmitočet (frekvenci), intenzitu, fázi, ……..


o analogovém nebo digitálním přenosu, rozhoduje dohoda:

 analogový přenos: přímá hodnota analogové veličiny

 analogový přenos není ideální, vždy změní přenášenou informaci, míru lze snižovat, ale nikdy ne zcela odstranit


digitální přenos: zajímá nás, zda hodnota analogové veličiny spadá do určitého intervalu, např. TTL logika

 digitální přenos může být "ideální", dokáže zachovat přenášenou informaci bez jakékoli změny, řetězení není problém, signál lze vždy obnovit, je efektivnější než analogový (dosahuje vyšších přenosových kapacit než analog)


modulovaný a nemodulovaný přenos:

přenosové cesty nejsou nikdy ideální: některé signály jsou přenášeny lépe, jiné hůře, zejména pokud jde o míru jejich zkreslení ,nejvíce vadí „ostré změny“ (zlomy, hrany)

modulovaný přenos: snaha přenášet takový signál, který danou přenosovou cestou projde nejlépe ,což je signál, který má nejvíce pozvolné změny ! tzv. harmonický signál – signál sinusového průběhu

tento signál lze přenášet na větší vzdálenosti i vyššími rychlostmi, ale samotný harmonický signál v sobě nenese žádnou užitečnou informaci

nemodulovaný přenos (přenos v základním pásmu, baseband): přenáší se i takový signál, který přenosovou cestou prochází hůře,což je signál, který může mít i ostré hrany. Tyto ostré hrany (nebo úrovně signálu) přímo reprezentují přenášená data, je to jednodušší na realizaci, ale kvůli zkreslení lze využít jen na krátké vzdálenosti

unipolární:

vysoká (High,1 ) a nízká (Low,0) úroveň napětí

bipolární:

kladná a záporná úroveň, NRZ (Non Return to Zero)


s návratem k nule, RZ (Return to Zero)

po každém bitu se úroveň signálu vrací k 0 (zero)


změna úrovně - kódování Manchester:

Pro vyjádření hodnoty bitu se do poloviny bitového intervalu původního signálu vloží hrana – změna signálu. Pokud signál v této hraně přechází z vysoké úrovně na nízkou úroveň, pak vyjadřuje hrana hodnotu bitu 0. Pokud signál přechází z nízké úrovně na vysokou úroveň, hodnota bitu bude 1.

Protože se hrana vždy nachází uprostřed každého bitového intervalu, může snadno sloužit k synchronizaci.


synchronizace:

přenos jednotlivého bitu trvá určitou dobu –  bitový interval, musíme rozpoznat  začátek a konec bitového intervalu, jinak hrozí ztráta synchronizace a příjemce přijímá jiné bity, než jaké by měl správně přijímat.

příjemce i odesilatel mají své "hodinky", podle kterých odměřují začátky a konce bitových intervalů. Požadavek na synchronizaci je pak požadavkem na to, aby se tyto hodinky „moc nerozešly“.

(plně)synchronní přenos – s trvalým udržováním synchronizace, po celou dobu přenosu, má samostatné časování a kromě dat se přenáší i samostatný synchronizační signál („CLK“), náročné na režii

časování je vloženo (zakódováno) přímo do datového signálu – např. Manchester, kde je v každém bitovém intervalu vždy alespoň jedna změna  představující „tik“ hodin.  Časování se odvozuje z dat, změny signálu reprezentují jednotlivé „tiky“.  Delší posloupnost beze změny signálu může způsobit ztrátu synchronizaci. Prevencí je technika bit stuffing: za určitým počtem bitů „beze změny“ (ještě než příjemce ztratí synchronizaci) se vloží uměle vytvořená změna.

asynchronní přenos:

bez synchronizace, tj. nepotřebuje žádnou (další) synchronizaci. Začátek a konec každého bitového intervalu je signalizován samostatně a je k tomu nutná 3 stavová logika. Signál má (nejméně) 3 stavy, jednotlivé bitové intervaly nemusí být stejně dlouhé.  V praxi se (příliš) nepoužívá.


arytmický přenos:

data jsou přenášena po znacích. Znak je skupina bitů pevné velikosti – např. 7 bitů (obvykle 5 až 8 bitů). Prodlevy mezi znaky mohou být libovolně dlouhé – na začátku každého znaku  je start bit,  podle kterého se příjemce zasynchronizuje a tato synchronizace vydrží po  dobu přenosu celého znaku. Na začátku přenosu dalšího znaku dojde k nové synchronizaci (odeslání nového start bitu)


modem a kodek

modulaci nosného signálu má na starosti modem: MOdulátor/DEModulátor. Zajišťuje současně demodulaci: „sejmutí“ užitečné informace z modulovaného signálu. Slouží pro přenos digitálních dat po analogové přenosové cestě. Např. telefonní modem (analogová linka), po místní smyčce (ADSL modem, VDSL modem, DSLAM, rychlosti v řádu Mbit/s), po kabelové přípojce TV (kabelový modem (DOCSIS),...

pokud máme digitální přenosovou cestu, potřebujeme po ní přenášet analogová data, potřebujeme zařízení zvané kodek (KODér/DEKodér). Zajišťuje digitalizaci analogového signálu (kódování) a zpětný převod (dekódování).


modulační rychlost (baud rate)

je rychlost, s jakou se mění modulace nosného signálu. Modulační rychlost je počet změn signálu za sekundu a měří se v jednotkách zvaných BAUD [Bd]  podle francouzského inženýra Jean-Maurice-Émile Baudota (1845-1903). Sestrojil "tisknoucí rychlotelegraf" a vynalezl časový multiplex (TDM) - možnost, aby více telegrafů komunikovalo po jedné lince. Dále vynalezl telegrafní kód (1870). Změna signálu je přechodem mezi 2 různými stavy signálu (též: symboly) – symbol = stav (modulovaného) signálu. Místo pojmu "modulační rychlost" se někdy používá také pojem "symbolová rychlost" (anglicky: baud rate). Modulační rychlost neříká kolik dat se přenáší.

vícestavová modulace: nosný signál nemusí přecházet (díky modulaci) jen mezi 2 různými stavy (symboly), ale může nabývat většího počtu různých stavů, tj. jde o vícestavovou modulaci. Pro znázornění k bitů potřebujeme 2krůzných stavů, pomocí n stavů lze znázornit log2(n) bitů. např.

2 stavová modulace, 2 různé stavy znázorní 1 bit

4 stavová modulace, 4 různé stavy znázorní 2 bity

8 stavová modulace • atd.

 ale i obráceně: – na 1 bit se spotřebují 2 změny stavu, např. kódování Manchester (Ethernet)

Počet stavů/symbolů však nelze libovolně zvyšovat, protože příjemce by je už nebyl schopen dostatečně spolehlivě rozlišit. Existuje hranice, za kterou již nemá smysl zvyšovat počet stavů/symbolů a tato hranice je dána šířkou přenosového pásma.

kombinovaná modulace: kombinuje 3 základní varianty modulace (amplitudová, frekvenční a fázová), kde každá z nich je jinak „efektivní“ ve smyslu možnosti spolehlivé detekce změny stavu. Nejefektivnější je modulace fázová, která vyvolává „ostré“ změny, které se nejlépe detekují. Reálně se pro zvýšení počtu rozlišitelných stavů základní varianty modulací kombinují. Například modulace QAM (kvadraturní amplitudová modulace)  má více variant:

QAM 16 – rozlišováno je 16 stavů – každá změna reprezentuje 4 bity

vzniká součtem 2 nosných signálů  posunutých o 90°, proto „kvadraturní“, jedna nosná: amplitudová modulace, 3 stavy, druhá nosná: fázová modulace,  12 stavů. Výsledkem je 36 kombinací (12x3), z nichž je skutečně využíváno jen 16 a to ty, které jsou „nejdále od sebe“.

QAM 64 – 64 stavů, 6 bitů na 1 změnu

QAM 256 – 256 stavů, 8 bitů na 1 změnu


zvyšování přenosové rychlosti

Jak zvýšit přenosovou rychlost? Platí: vpřenosová = vmodulační * log2(n).

Máme možnost zvyšovat vmodulační, jde o "extenzivní přístup"  využívání více zdrojů (konkrétně tzv. šířky pásma), což je to drahé ale lze to dělat libovolně dlouho, ovšem s rostoucí spotřebou šířky pásma a tedy s vyššími náklady.

dále lze zvyšovat n (počet stavů), jde o "intenzivní přístup" Zlepšování technologie nejde do nekonečna při pevně dané modulační rychlosti. Při překročení určitého stupně modulace (počtu stavů přenášeného signálu) již příjemce nebude schopen tyto stavy správně a spolehlivě rozlišit.

Hranice přenosové rychlosti závisí pouze na šířce pásma a na kvalitě linky, nezávisí na použité technologii.


šířka pásma (bandwidth):


 průběh útlumu pásmové propusti s nejčastěji používaným údajem o šířce pásma pro pokles o 3 dB (na 0,707 napěťové úrovně, nebo 0,5 výkonu). Frekvence na vodorovné ose může být v lineárním nebo logaritmickém měřítku.



je rozdíl mezi nejvyšší a nejnižší frekvencí přenášeného signálu:

B = f H − f L {\displaystyle B=f_{H}-f_{L}}

Vyjadřuje se v hertzech (Hz).

Relativní šířka pásma je podíl nejvyšší a nejnižší frekvence přenášeného signálu:

B = f H f L {\displaystyle B={\frac {f_{H}}{f_{L}}}}

Někdy se používá procentní sířka pásma jako podíl absolutní šířky pásma a střední (někdy též nejnižší nebo nejvyšší) frekvence:

% B = f H − f L f 0 = 2 f H − f L f H + f L {\displaystyle \%B={\frac {f_{H}-f_{L}}{f_{0}}}=2{\frac {f_{H}-f_{L}}{f_{H}+f_{L}}}}

U signálu v základním pásmu je šířka pásma rovna nejvyšší frekvenci, relativní šířka pásma je nekonečná (nebo velmi velká).

V angličtině se šířka pásma (bandwidth) používá v informatice ve smyslu přenosová rychlost.