Download - 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