ZÁKLADY DATOVÝCH KOMUNIKACÍ Komunikační kanál (přenosová cesta) vždy negativně ovlivňuje přenášený signál (elektrický, světelný, rádiový). Nejčastěji způsobuje: útlum zeslabení, tedy zmenšení amplitudy přenášeného signálu, zkreslení deformace, tedy mění se tvar přenášeného signálu, přeslech dochází k prolínání signálů ze sousedních vedení. Čím delší je přenosová cesta, tím větší je útlum a zkreslení přenášeného signálu. Optická vlákna mají v porovnání s elektrickými vodiči lepší vlastnosti. U rádiového signálu (elektromagnetického vlnění) platí, že čím vyšší je jeho frekvence, tím více je tlumen překážkami (kratší komunikační vzdálenost). Samotné elektrické vedení může navíc ovlivnit přenos informací po jiném vedení, neboť dva souběžně vedené vodiče se chovají jako anténa. Časově proměnný elektrický proud způsobí vyzařování elektromagnetického pole do okolí. Každá přenosová cesta přenáší určité signály lépe a jiné hůře. Záleží především na: zdroj: Jiří Peterka: Počítačové sítě I. druhu signálu (elektrický, světelný, rádiový), frekvenci a povaze změn signálu, délce přenosové trasy, materiálu vodičů (u optických vláken např. POF/GOF), stínění vodičů či celého kabelu (pouze elektrická vedení), atd.
Vliv druhu signálu na kvalitu přenosu informace U analogového přenosu nás zajímá přímá hodnota analogové (spojité) veličiny, např. hodnota napětí. Jakékoliv změny v úrovni signálu pak znamenají změnu (zkreslení) přenášené informace. Analogový signál je tedy velmi málo odolný vůči rušení, přeslechům či útlumu signálu vlivem parametrů vedení. U digitálního přenosu nás zajímá, zda hodnota (úroveň, velikost) přenášeného signálu spadá do určitého intervalu, který odpovídá log. 0 (Low) nebo log. 1 (High). Například úroveň napětí 0 1 V odpovídá log. 0, úroveň 3 5 V odpovídá log. 1. Interval 1 3 V pak představuje tzv. zakázané pásmo, nepatří žádné logické hodnotě. Digitální signál je tedy daleko odolnější vůči rušení, přeslechům či útlumu signálu vlivem parametrů vedení. Dokáže zachovat přenášenou informaci i při horších vlastnostech přenosového média. Navíc lze dosáhnout vyšší přenosové kapacity (viz např. analogový vs. digitální přenos TV signálu). 1. Přenos v základním pásmu BaseBand = nemodulovaný přenos dat Jde o takový druh přenosu, při kterém je signál přímo přenášen komunikačním kanálem, tedy spojovacím vedením (bez použití modulace). Používá se především pro přenos dat na kratší vzdálenosti (např. LAN). Příkladem může být dvouhodnotový, tedy digitální napěťový signál, jehož úroveň napětí HIGH (H) reprezentuje log. 1 a úroveň napětí LOW (L) pak log. 0. Přenáší se tedy rovnou data. V přenosovém kanále může probíhat pouze jeden přenos. Při vysílání více stanic (koncových síťových zařízení, např. počítačů) dochází ke kolizi.
Přenos v základním pásmu může být také kódovaný jeden datový bit je zakódován jako více změn přenášeného signálu. Snáze se pak odhalují chyby při přenosu dat a lépe se rozlišují jednotlivé bity v případě delší sekvence stejných bitů přenášených po sobě (tzn. delší sekvence několika log. 0 nebo 1). 1.1 Unipolární kódování V signálu přenášejícím jednotlivé bity nedochází ke změně polarity. 1.1.1 Unipolární NRZ Hodnota log. 1 je reprezentována kladným napětím, hodnota log. 0 je reprezentována napětím blízkým nule (obecně nižším napětím). NRZ znamená Non Return to Zero, tedy bez návratu k nulové hodnotě. Hodnoty log. 1 a log. 0 jsou reprezentovány pomocí dvou vzájemně odlišných úrovní signálu. Žádné další hodnoty se ve výsledném signálu nevyskytují, neexistuje zde třetí, neutrální hodnota (například nulové napětí). 1.2 (Bi)polární kódování V signálu přenášející jednotlivé bity dochází ke změně polarity. 1.2.1 NRZ-L Hodnota log. 1 je reprezentována zápornou polaritou, hodnota log. 0 kladnou polaritou signálu.
1.2.2 NRZ-I Mark Mark = log. 1 Hodnota log. 1 je reprezentována změnou polarity, u hodnoty log. 0 se polarita signálu nemění. 1.2.3 NRZ-I Space Space = log. 0 Hodnota log. 0 je reprezentována změnou polarity, u hodnoty log. 1 se polarita signálu nemění. 1.2.4 Bipolární RZ RZ znamená Return to Zero, kdy jsou log. 0 a 1 v nejjednodušším případě reprezentovány kladnými a zápornými pulsy s tím, že po každém pulsu dochází k návratu do neutrální hodnotu (např. nulové napětí). Neutrální hodnota nemusí nutně znamenat nulové napětí nebo nulovou hodnotu některé veličiny. Díky těmto návratům je možná synchronizace odesílatele a příjemce, není nutné používat samostatný hodinový signál. Toto kódování však vyžaduje větší šířku přenosového pásma.
1.2.5 Manchester Kódování Manchester se používá například u síťového standardu Ethernet (IEEE 802.3) pro přenos informací v LAN prostřednictvím kroucené dvojlinky (TP kabel). Pro přenos jednoho bitu se používá dvou změn signálu: Log. 0: změna z HIGH na LOW úroveň Log. 1: změna z LOW na HIGH úroveň I při dlouhé sekvenci stejných bitů jsou od sebe jednotlivé bity snadno rozlišitelné. Není tedy nutné spolu s datovým signálem přenášet navíc hodinový signál pro synchronizaci odesílatele a příjemce dat. 2. Přenos v přeloženém pásmu BroadBand = modulovaný přenos dat Pro přenos dat na větší vzdálenosti (např. telefonní sítě) nebo pro bezdrátové přenosy se používá modulovaný harmonický (sinusový) vysokofrekvenční signál, který obvykle velmi dobře prochází přenosovým kanálem. Vysokofrekvenční sinusový signál představuje pouze nosný signál, samotný nenese žádnou informaci. Modulace = proces, při kterém se pomocí modulátoru nanese na nosný sinusový signál informace podle informačního (modulačního) signálu. Tato informace je zaznamenána obvykle jako: změna amplitudy nosného signálu podle amplitudy informačního signálu (amplitudová modulace) změna frekvence nosného signálu podle amplitudy informačního signálu (frekvenční modulace) změna fáze nosného signálu podle amplitudy informačního signálu (fázová modulace)
Je-li modulačním signálem digitální (dvouhodnotový) signál, hovoříme o tzv. klíčování (angl. keying), neboli digitální modulaci. Mezi základní digitální modulace řadíme: ASK (Amplitude Shift Keying) Amplitudová digitální modulace (amplitudové klíčování) FSK (Frequency Shift Keying) Frekvenční digitální modulace (frekvenční klíčování) PSK (Phase Shift Keying) Fázová digitální modulace (fázové klíčování) V praxi se velmi často používají složená modulace, které kombinují dvě základní modulace. Mezi nejpoužívanější v praxi patří QAM (Quadrature Amplitude Modulation kvadraturní amplitudová modulace), která kombinuje amplitudové a fázové klíčování (ASK + PSK). Využívá se dvou nosných signálů vzájemně posunutých o 90º. QAM modulace bývá v praxi obvykle vícestavová. Vícestavová modulace znamená, že jeden stav modulovaného nosného signálu přenáší více bitů zároveň. Tím se zvyšuje přenosová rychlost. Vztah mezi počtem stavů modulovaného signálu a počtem přenášených bitů: (počet bitů) počet stavů=2 2 stavová modulace: 2 různé stavy, každý představuje 1 bit (0, 1) 4 stavová modulace: 4 různé stavy, každý představuje 2 bity (00, 01, 10, 11) 8 stavová modulace: 8 různých stavů, každý představuje 3 bity 16 stavová modulace: 16 různých stavů, každý představuje 4 bity 64 stavová modulace: 64 různých stavů, každý představuje 6 bity 256 stavová modulace: 256 různých stavů, každý představuje 8 bity Příklad vícestavové modulace 8-QAM: V praxi se často používá vícestavová modulace 16-QAM, 64-QAM a 256-QAM
Modulační rychlost (Baud Rate) Rychlost, s jakou se mění modulace nosného signálu, tedy počet změn modulovaného nosného signálu za 1 sekundu. Jednotkou modulační rychlosti je Baud (Bd). Modulační rychlost nevypovídá o objemu přenášených dat! Záleží na tom, kolik bitů reprezentuje jedna změna stavu nosného signálu. Přenosová rychlost (Bit Rate) Udává, kolik se přenese bitů za 1 sekundu (b/s, resp. bps bits per second). Příklad výpočtu přenosové rychlosti z modulační rychlosti u telefonních modemů: Příklad: Modem standardu V.90, V.92 Modulační rychlost: 8000 Bd 1 změně signálu odpovídá 7 bitů 8000 Bd 7 bitů = 56000 b/s Pro přenos dat například veřejnou telefonní sítí používáme MODEM (MOdulátor / DEModulátor). Jeho úkolem je při vysílání dat modulovat nosný signál podle digitálního informačního signálu a při příjmu naopak zajistit demodulaci, tedy oddělení informačního signálu z nosného signálu. Na přenosovou i modulační rychlost má velký vliv šířka přenosového pásma (bandwidth) komunikačního kanálu. Odpovídá rozsahu frekvencí, které lze využít k přenosu signálu komunikačním kanálem. Šířka pásma určuje, jak kvalitně bude signál přenesen, neboli, jak moc se změní jeho amplituda a tvar (zkreslení). Každý (obecný) signál lze rozložit na řadu tzv. harmonických složek. Každá harmonická složka odpovídá sinusovému signálu o určité frekvenci. Frekvence jednotlivých harmonických složek jsou vždy celistvým násobkem frekvence původního signálu. Pro dokonalou rekonstrukci původního signálu je potřeba teoreticky nekonečného množství harmonických složek.
Pokud frekvence harmonické složky spadá do frekvenčního pásma komunikačního signálu, je přenesena, v opačném případě je utlumena a nedojde k jejímu přenosu. Obecný (např. obdélníkový) signál se po přenosu komunikačním kanálem skládá již jen z těch harmonických složek, které byly přeneseny komunikačním kanálem. To má vliv na jeho amplitudu a tvar. Čím větší je tedy šířka pásma komunikačního kanálu, tím více je přijatý signál podobný tomu, který byl odesílán. Při určitém (mezním) počtu změn signálu za sekundu by zkreslení přijatého signálu bylo již tak velké, že by nebylo možné rozpoznat přenášenou informaci. Čím větší je šířka pásma přenosového kanálu, tím větší může být modulační i přenosová rychlost. Nejvyšší šířku pásma a tedy přenosovou rychlost nabízí optické přenosové trasy, které se používají například pro budování páteřních datových spojů.