Základní způsoby přenosu signálu, modulace

1. Základní způsoby přenosu signálu, modulace 16. MO - Tomáš Chyba

2. Modulace • Harmonický signál sám o sobe nenese žádnou užitečnou informaci. Tuto informaci na něj musíme nejprve „naložit“ (namodulovat) a tomuto způsobu „naložení“ říkáme modulace. • Na straně příjemce zase potřebujeme tato namodulované data „sejmout“ a tomuto úkonu říkáme demodulace. Zajištění takového modulovaného přenosu dat je úkolem zařízení označovaného jako modem (z anglického „modulator – demodulator“). Modem z jedné strany přijímá data nemodulovaná přenášená v základním pásmu a z druhé strany je vysílá v modulované podobě, „naložené“ na vhodný harmonický signál, tomuto se říká přenos v přeloženém pásmu. Jeho protějšek (modem na druhé straně přenosového vedení) zajišťuje opačný převod (tzv. demodulaci) přijímaných dat.

3. Při modulaci dochází ke změně některého z parametru přenášeného signálu. Měnit můžeme buď frekvenci, amplitudu nebo fázi. • Mluvíme pak o modulaci: • Frekvenční – měníme kmitočet, resp. úhlovou rychlost (FM – tedy i na rádiu) • Amplitudové - měníme rozkmit (AM – rádio) • Fázové - měníme fázový posun • V praxi je asi nejlépe využitelná fázová modulace, a to díky tomu, že se změny fáze nejlépe detekují.

4. Bity za sekundu vs. Baudy • Po telefonních linkách se šíří analogový signál, ale jeho průběh se mění tak, aby tyto změny reprezentovaly přenášená číslicová data. Počet změn přenášeného analogového signálu za jednotku času (sekundu) se označuje jako 30 modulační rychlost, a měří se v baudech (Bd). Modulační rychlost ale nic nevypovídá o tom, co tyto změny představují, či spíše: „kolik“ toho představují. Naopak přenosové rychlosti (data signaling rate) udávají objem informace, přenesené za jednotku času, a vyjadřuje se v bitech za sekundu (bits per second, resp. bps).

5. Přenos dat mezi stanicemi Přenos dat mezi stanicemi muže probíhat dvěma hlavními způsoby: • Simplexní přenos • Duplexní přenos

6. Simplexní přenos Data jsou přenášena pouze v jednom směru. Typickým představitelem takového přenosu jsou: • televizní a rozhlasová vysílání (analogové, digitální) • interaktivní služby v digitálním vysílání – „externí přenosový kanál“ Zvláštní případ simplexního přenosu je semiduplexní přenos. Tento přenos funguje oběma směry, ale pres dvě přenosové cesty schéma

7. Duplexní přenos Přenos dat u duplexního přenosu probíhá obousměrně. Duplexní přenos můžeme rozdělit na: • Poloduplexní přenos (half duplex): komunikace v obou směrech neprobíhá současně • Plný duplex (full duplex): data se přenáší oběma směry současně (dvojkolejná trať) Plně duplexní přenosovou cestou lze použít i pro poloduplexní přenosy. Avšak realizovat plně duplexní přenosy nad poloduplexní (simplexní) přenosovou cestou není možné. schéma

8. Při synchronním přenosu jsou obvykle přenášeny celé bloky znaků. Datové bity jednotlivých znaků přitom následují těsně po sobě, bez jakýchkoli časových odstupů, a nejsou prokládány žádnými start- či stop-bity. Začátek bloku je indikován jedním nebo několika speciálními synchronizačními znaky, jejichž hlavním smyslem je zajistit potřebnou časovou synchronizaci odesilatele i příjemce - tzn. pomoci příjemci přesně stanovit časové okamžiky, ve kterých má vyhodnocovat jednotlivé datové bity. Blok znaků je pak opět zakončen synchronizačními znaky, které mohou být nepřetržitě vysílány až do začátku následujícího datového bloku. Synchronní přenos je obecně rychlejší než asynchronní, neboť není zatížen režií připadající na start- a stop-bity. Jeho technická a programová realizace však bývá poněkud složitější než u přenosu asynchronního.

9. Základní formy přenosů • Základní funkcí každé počítačové sítě je přenos datových signálů od jednoho počítače ke druhému. V počítačových sítích se můžeme setkat s nejrůznějšími formami přenosu signálů, které mohou být navíc různým způsobem modulovány a kódovány. K přenosu se mohou používat přenosové kanály různých vlastností a charakteristik. Začněme tedy právě možnými formami přenosu signálů

10. Paralelní přenos • Při paralelním přenosu jsou data přenášena po více bitech najednou, typicky po celých bytech. K tomu je ovšem zapotřebí příslušný počet souběžných (paralelních) vodičů, což je únosné jen na krátké vzdálenosti (typicky 20 metrů). S paralelním přenosem se můžeme setkat nejčastěji při komunikaci mezi počítačem a tiskárnou vybavenou tzv. paralelním rozhraním (standardní případ); v oblasti počítačových sítí pak jen zcela výjimečně u některých experimentálních lokálních sítí.

11. Sériový přenos • Při sériovém přenosu jsou data přenášena postupně bit po bitu, nejnižším (přesněji nejméně významným) počínaje. V drtivé většině sítí je přenos dat sériový. Nejmenší položka dat přenášená sériově je označována jako znak (character) a má obvykle rozsah 7 nebo 8 bitů. Znak vyjádřený přímo ve formě posloupnosti dvojkových bitů, které se skutečně přenášejí, se pak označuje jako značka.

12. Sériový asynchroní přenos • Při asynchronním sériovém přenosu mohou být jednotlivé značky přenášeny s libovolnými časovými odstupy mezi sebou. Příjemce pak ovšem nemůže předem vědět, kdy začíná další znak, a proto musí být schopen jeho příchod podle vhodného příznaku rozpoznat. Tímto příznakem je tzv. start-bit, kterým začíná každý asynchronně přenášený znak. Příchod start-bitu je pro příjemce současně i možností správně si nastavit svou časovou základnu. To je nutné proto, aby příjemce správně určil časové okamžiky, kdy má vyhodnocovat stav jednotlivých datových bitů, které po start-bitu následují. Za vlastními datovými bity může následovat jeden tzv. paritní bit a konečně tzv. stop-bit, jehož délka obvykle odpovídá délce jednoho nebo dvou datových bitů. Stop-bit nenese žádnou informaci; jeho smyslem je pouze zajistit určitý minimální odstup mezi jednotlivými znaky - vyslání následujícího znaku může začít nejdříve po odvysílání celého předchozího znaku, tedy včetně jeho stop-bitu.

13. Parita (parity). • Při sériovém i paralelním přenosu dat může docházet k chybám, jejichž důsledkem je přijetí opačné hodnoty jednoho či několika bitů, než jaké byly původně vyslány. Nejjednodušším, ale současně také nejméně účinným způsobem zabezpečení znaku je doplnění datových bitů jedním dalším bitem tak, aby celkový počet jedniček ve znaku byl při odesílání lichý (lichá parita), nebo naopak sudý (sudá parita). Příjemce musí vědět, zda mu odesilatel posílá znaky se sudou, nebo lichou paritou. Pokud počet jedničkových bitů nesouhlasí s očekávanou paritou, může si příjemce dovodit, že došlo k chybě při přenosu jednoho (obecně lichého počtu) bitů. Má-li přijatý znak očekávanou paritu, není to ještě stoprocentní zárukou jeho bezchybnosti - pomocí jediného paritního bitu nelze rozpoznat chyby v sudém počtu bitů. Zabezpečení pomocí jednoho paritního bitu je tedy vhodné používat jen tam, kde je pravděpodobnost výskytu chyb v jednotlivých bitech malá a pravděpodobnost výskytu chyb ve více bitech současně zanedbatelná.

14. Drátové přenosy • Koaxiální kabel • Kroucená dvoulinka

15. Koaxiální kabel • Tento typ přenosového média byl hojně používaný před kroucenými dvoulinkami. Je tvořen vnitřním vodičem, kolem něhož je plastová izolace. Izolační vrstva je opletena vodivým opletením, které slouží jako stínění, obvykle kovová fólie. Toto vodivé opletení výrazně zmenšuje vyzařování směrem dovnitř i ven. Nejčastěji se používá pro dvoubodové spoje a pro typolog. sběrnice. schéma

16. Koaxiální kabel Tlustý koaxiální kabel, nazývaný také tlustý ethernet: • Dnes používaný již velmi málo. Byl poměrně tlustý, což způsobovalo problémy při montáži (špatná ohebnost). Pro připojení stanic se navíc musel použít speciální odbočovací prvek, tzv. transciver, který bylo možno namontovat pouze na předem vyznačená místa. Vlastnosti: • Průměr 10 mm s impedancí 50 ohmu. • čtyrnásobné pletení vykazuje dobré elektronické vlastnosti. • Délka až 500 m, délka odbočovacího kabelu až 50m.

17. Koaxiální kabel Tenký koaxiální kabel, nazývaný též tenký ethernet: • Dokud ho nenahradila dnes nejčasteji používaná kroucená dvoulinka, byl tenký koaxiální kabel nejpoužívanějším přenosovým médiem. Má horší elektronické vlastnosti, ale snadnější instalaci. Kabel musí být na obou koncích zakončen zakončovacím odporem, takzvaným terminátorem jinak by docházelo k odrazu el. signálu od konce a docházelo by k utlumení dalších signálu. Odbočky se vytvářejí pomocí T-konektoru, z něhož je vyveden kabel k sítovému zařízení. Pro připojení kabelu k sítové kartě se používá BNC konektor. Vlastnosti: • Průměr 4,9 mm s impendancí 50 ohmu. • Pouze dvojité opletení • Délka do 185 m.

18. Koaxiální kabel • Klady a zápory koaxiálního kabelu • Velká šířka pásma (okolo 500MHz) • Dobrá odolnost proti elektromagnetickému rušení • Dlouhá životnost • Horší odolnost proti magnetickému rušení • Poměrně vysoký útlum pri vysokých frekvencích • Casté poruchy vznikající špatným nakonektorováním koncovek

19. Kroucenádvoulinka(twisted pair) • Vodič odvozený z vodiče používaného pro telefonní vedení. V dnešní době nejpoužívanější přenosové médium v sítích LAN. Je tvořena dvojicemi vzájemně skroucených vodičů. Díky tomuto skroucení nedochází k vzájemnému rušení. Kabel obsahuje dva nebo čtyři páry vodičů. schéma

20. Kroucená dvojlinka • Konektor RJ-45

21. Kroucenádvoulinka - UTP • Nestínená kroucená dvojlinka • Jednotlivé kroucené páry jsou vloženy do vnejší izolace • Nemá žádné zvláštní stínení • Nejpoužívanejší vodic v sítích LAN

22. Kroucenádvoulinka - STP • Stínená kroucená dvojlinka • Má samostatné stínení každého páru v kabelu

23. Kroucenádvoulinka - typy Kategorie 1 • Určena pro telefonní komunikaci, tato kategorie není určena pro datové přenosy. Kategorie 2 • Určena pro přenos dat, s maximální šířkou pásma 1,5MHz, určeno pro digitální přenos • zvuku Propustnost 4Mb/s. Kategorie 3 • Určena pro přenos dat a hlasu, s maximální propustností v sítích Ethernet 10Mb/s, • pracuje s šířkou pásma 16MHz. Kategorie 4 • Určena pro přenos dat v sítí token ring, s šířkou pásma 20MHz, tzn. 16Mb/s. Kategorie 5 • Šířka pásma 100MHz, maximální propustnost 100Mbps 40 Kategorie 6 • Standard pro Gigabit Ethernet. Zpetne kompatibilní s Kategorii 5, 5e a 3. Maximální šířka pásma je 250MHz. Propustnost 10Gbps. Kategorie 6a • Maximální šírka pásma je 500MHz, propustnost 10Gbps. Kategorie 7 • Zpětně kompatibilní s Kategorií 5, 6 a 6a, maximální šířka pásma 600MHz, • propustnost 10 Gbps. Používá se kabel STP. • Pro upevnění konektoru RJ-45 na vodič se používají krimpovací kleště

24. Optický kabel • Používají se pro přenos dat namodulovaných na světelném paprsku. K vedení tohoto paprsku optickým vláknem se využívá základních poznatku z fyziky (Schnelluv zákonu lomu). Optická vlákna jsou v kabelu vždy nejméne dvě – pro každý směr jednou.

25. Optický kabel - složení • Optického vlákna – slouží pro přenos • Primární ochrana vlákna - ochrana proti vlhkosti (akrylátová vrstva) • Sekundární ochrany – plastová ochrana zabraňující mikroohybům kabelu • Tahové prvky - slouží pro zvýšení pevnosti kabelu (kevlarová vlákna, ocelové lanko) • Vnějšího pláště – plastový kryt všech vrstev (PVC)

26. Přenos pomocí optického vlákna Vzhledem k tomu, že výstup dat ze sítové karty je ve formě elektrických impulzu a optické vlákno přenáší data pomocí světelného paprsku, je třeba na každé straně kabelu převodník. Tento převodník bude převádět elektrický impulz na světelný a zpět. Pro realizaci optického přenosu dat tedy potřebujeme: • Zdroj světla – LED dioda, laserová dioda • Přijímač světla - fotodioda • Přenosové médium – optický kabel Zařízení, které slouží pro převod elektrického impulzu na světelný signál a naopak se nazývá konvertor. Používá se např. k napojení optického kabelu na například kroucenou dvoulinku.

27. Bezdrátové přenosy Bezdrátové přenosy nacházejí využití hlavně v místech, kde by bylo značně obtížné natáhnout kabeláž, např. z budovy na jedné straně silnice na druhou stranu, apod. Bezdrátové přenosy můžeme rozdělit: • Rádiové přenosy • Mikrovlnné přenosy • Satelitní přenosy • Infračervené) přenosy • Optické spoje (laserové, svetelné prenosy) V sítích LAN a MAN se nejčasteji používá přenos mikrovlnný, zřídka ještě optické spoje. Ostatní přenosy našly uplatnění jinde (infračervené přenosy - bezdrátové myši, mobily,…)

28. Rádiové přenosy • Pro přenos dat využívá elektromagnetické vlnění v rádiové části spektra. Tedy radiové vlny, s nízkým kmitočtem, které jsou schopny do jisté míry obcházet překážky. Jedná se o vlny s kmitočtem od 30MHz do 1 GHz. Toto vysílání má relativně velký dosah, proto jsou vysílací frekvence přidělovány a kontrolovány státem.

29. Rádiové přenosy - použití • FM rádia • DVB-T ( pozemní televizní vysílání) • DECT (bezdrátové telefony)

30. Infračervené přenosy Přenos probíhá pomocí vln v infračervené části spektra (300GHz – 200 THz). Neprostupují skrz překážky a jejich dosah je omezen na krátký souvislý prostor. Použití: • Komunikace mezi mobilními telefony, notebooky • Komunikace mezi osobními organizéry

31. Světelné přenosy • Přenos probíhá ve viditelné části spektra (400 – 800 THz) pomocí úzkého světelného paprsku. Pro komunikace se používají dva protisměrné paprsky. Nevýhodou je velká závislost na atmosférických podmínkách a vysoký požadavek na přesnost směrování.

32. Mikrovlnné přenosy Jedná se o rádiové přenosy na frekvenci vyšší než 1 GHz a nižší než 40 GHz. Takovéto přenosy lez pomerně snadno směrovat na cíl. čím vyšší je však frekvence přenosu tím je lepší průnik skrz překážky nacházející se cestou k cíli. O vysílání v mikrovlnném přenosu se stará český telekomunikační úřad (CTU). Tento úřad dělí mikrovlnné vysílaní do dvou skupin: • vysílání v licenčním pásmu • Vysílání v bezlicenčním pásmu

33. Wi-Fi • Wi-Fi je standard pro lokální bezdrátové sítě a vychází ze specifikace IEEE 802.11. • Původním cílem Wi-Fi sítí bylo zajišťovat vzájemné bezdrátové propojení přenosných zařízení a dále jejich připojování na lokalní sítě LAN. S postupem času začala být využívána i k bezdrátovému připojení do sítě Internet v rámci rozsáhlejších lokalit a tzv. hotspotů. Wi-Fi zařízení jsou dnes prakticky ve všech přenosných počítačích a i v některých mobilních telefonech. Úspěch Wi-Fi přineslo využívání bezlicenčního pásma, což má negativní důsledky ve formě silného zarušení příslušného frekvenčního spektra a dále častých bezpečnostních incidentů.

34. Licenční pásmo český telekomunikační úřad dohlíží, na využívání frekvencí, které již jsou v používání a rozhoduje o tom, jak a komu přidělit frekvence, které jsou volné. Hlavní výhodou vysílání v licencovaném pásmu, je jistota, že vám přidělený signál nebude nikým rušen. Využití licenčních pásem: • Mobilní sítě GSM • Spolehlivé vysokorychlostní připojení do Internetu • Poskytování hlasových služeb

35. Bezlicenční pásmo • V ČR se jedná o pásmo 2,4 GHz s šířkou pásma 83 MHz. Maximální výkonový limit vysílání je +20 dBm. Ačkoliv se jedná o nelicencované pásmo, kde není potřeba žádné povolení, je nutné v případe podnikání a poskytování služeb v tomto pásmu potřeba CTU dle zákona c. 127/2005 Sb. O elektronických komunikacích předem písemně tuto činnost ohlásit. Jednou • z největších nevýhod tohoto pásma je jeho velké vytížení a tím pádem vzájemné rušení jeho uživatelů. Roku 2005 CTU povolil provoz v pásmu 5 GHz s tím, že pásmo 5,15 - 5,35 GHz lze využít pouze uvnitř budov, pásma 5,470 - 5,725 GHz a 5,725 - 5,875 GHz i ve venkovním prostředí.