Přenosová pásma

1

Přenosová pásma

• 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

2

Přenosová pásma

• 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)

3

Signál

• Periodický signál

s(t + T) = s(t)

• Signál analogový

– perioda - T

– amplituda - A

– fáze - Φ

• Signál diskrétní (digitální)

– perioda - T

– amplituda - A

4

Kódování - modulace

• Pojmy kódování, modulace – projekce dat do signálu– kódování – konverze do diskrétního 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

5

Kódování - modulace

• Množství informace v prvku signálu – nejjednodušší případ 1:1

• Úrovně signálu – nejjednodušší případ 2• 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

1 0 0 1 1 1 0 1 0B

A

perioda bitu časování

6

Kódování - modulace

• 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 = M x b

7

Počítačové sítě

• Možné konverze data signáldigitální data kódování diskrétní signál

síťová karta

digitální data modulace analogový signál

modem

analogová data kódování diskrétní signál

CODEC

analogová data modulace analogový signál

analog. telefon

8

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)

9

Kódování - modulace

Příklady kódovacích technik

digitální data diskrétní signál

NRZ - L

NRZ I

Pseudoternary

Bipolar. AMI

Diff. Manchester

Manchester

10

Kódování - modulace

Principy modulace

amplitudová

frekvenční

fázová

0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0

11

Kódování - modulace

• 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

12

Kódování - modulace

• Modulační techniky digitální data – analogový signál (modem) – víceúrovňové techniky b = 2 nebo 4:– Kvadraturní fázová modulace

– Kombinace fázové a amplitudové modulace

• Techniky pro bezdrátové přenosy – rozprostřené spektrum (spread spectrum) – zabezpečení proti odposlechům a kolizím – FHSS a DSSS (dále na semináři)

13

Modulační techniky

• QPSK – Kvadraturní fázová modulace – 4 fázové posuny přenáší 2 bity

fáze referenčního signálu

01

11 10

00

Π/2Π/4 3Π/4

Π

7Π/4

3Π/2

5Π/4

0 ~ 2Π

00…. 450

01….. 1350

10….. 2250

11….. 3150

14

Modulační techniky

• QAM – Kvadraturní amplitudová modulace (např. 256 QAM přenáší v jednom prvku signálu 8 bitů)

fáze referenčního signálu

16 úrovní amplitud

16 fá

zový

ch p

osunů00000000

00000001

00000010

00000011

…………

…………

11111110

11111111

15

Kódování - modulace• 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 125s 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

16

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.

17

Přenos signálu

• Prostředky pro obnovu signálu: zesilovače, opakovače (repeaters)

HUB HUB

Repeater

Deformovaný signál Obnovený signál

18

Přenos signálu

• 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]

19

Přenos signálu

– reálná (podle Shannona)

C = W log2 ( 1 + S/N )

S/N…poměr signál/šum PS - výkon signálu

(S/N)dB = 10 log10 PS /PN PN - výkon šumu

3 dB – 50 % ztrát 10 dB – 10 % ztrát

20 dB – 1 % ztrát 30 dB – 0,1 % ztrát

S S´

N

20

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– ……

21

Přenos signálu

• Požadavky na přenosové technologie:

– vysoká přenosová rychlost

– nulová chybovost

– dlouhé vzdálenosti bez nutnosti obnovy signálu

– nízké náklady