2) Prva plast ISO modela - fizični nivo

V tem poglavju se bomo pogledali osnovne aspekte fizičnega nivoja, ki zajemajo:

• teoretične osnove prenosa podatkov in razumevanje osnovnih fizikalnih omejitev
• značilnosti osnovnih prenosnih medijev
• značilnosti telefonskega sistema

2.1) Teoretične osnove prenosa podatkov

Informacijo lahko  prenašamo  preko razdalje tako, da spreminjamo neko fizikalno lastnost prenosnega medija. Takšna sprememba se po mediju širi z neko hitrostjo in po določenem času pride do drugega konca medija, kjer kjer jo zajamemo. Na primer, če je prenosni medij kovinska žica, lahko na enem koncu žice  spreminjamo napetost. Te spremembe napetosti se bodo prenesle na drugi konec žice.

Prenosni mediji so v splošnem treh tipov:

• električni prenosni medij (žice, kabli) izkoriščamo fizikalni pojav električnega toka - energije;
• brezžični prenosni medij (radijski valovi) izkoriščamo fizikalni pojav elektromagnetnega valovanja, kombinacijo spremenljivega električnega in magnetnega polja, ki se širi v prostor in ki inducira električni tok v sprejemniku (antena)
• optični prenosni medij (LED, laser in optična vlakna): tu se koristi svetloba. To so nove tehnologije, ki so revolucionarno spremenile razvoj pri prenosu podatkov.

če si predstavljamo vrednost fizikalnega pojava kot časovno funkcijo f(t), potem lahko prenešen signal matematično preučimo.

V principu se prenos podatkov lahko pojavlja v dveh različnih oblikah: prenos analognega signala in prenos digitalnega signala

Osnovni razliki med analognim  in digitalnim signalom sta:

• prvemu se lahko vrednost zvezno spreminja in ima lahko v nekem intervalu neskončno različnih vrednosti
• drugemu se lahko vrednost diskretno spreminja med omejenim številom vrednosti (od 2 do par deset)

Seveda se moramo zavedati da so fizikalni pojavi v osnovi analogne narave. Neka fizikalna količina se ne more hipoma spremenit iz ene vrednosti  v drugo, ampak potrebuje za ta prehod določen čas. Posledično pomeni, da fizični prenosni medij pri prenosu digitalnih podatkov ne bodo le te prenesli v izvorni obliki.

Kot bomo videli v nadaljevanju je, v določenih primerih, smiselno spreminjat analogne signale v digitalne in obratno. 

 

2.1.1) Fourierjeva analiza (Harmonska analiza)

Sinusna funkcija, kot naprimer sinus ali kosinus ima nekaj paramertrov ki jo določajo:

• amplituda A (razlika med maksimalno in minimalno vrednostjo);
• perioda T (čas, v katerem se funkcija ponovi);
• frekvenca: inverzna vrednost periode f=1/T, merjena v ciklih na sekundo  (Hz).

Fourier (francoski matematik) je dokazal, da se da poljubno funkcijo g(t) definirano na intervalu T, predstavit kot vsoto neskončno dosti sinusnih funkcij:

kjer je f = 1/T osnovna frequenza,  a_n in b_n so amplitude harmoničnih nihanj, ki imajo frekvenco  n krat večjo od osnovne frekvence. Vrednosti c, a_n e b_n so izračunljivi kot integrali funkcije g(t) in t.

Torej, če povzamemo, je nek časovno spremenljiv signal enak vsoti sinusnih funkcij katere imajo vsaka svojo amplitudo in frekvenco. Signal, ki ga predstavlja g(t) in traja čas T se da na drug način predstavit z njegovim frekvenčnim spektrom. 

Katerikoli signal torej karakterizira - določa  frekvenčni interval v katerem so zajete frekvence sinusov, ki ga opisujejo. Temu intervalu pravimo tudi frekvenčni pas  (frequency band) signala.

Različni faktorji uplivajo na značilnosti frekvenčnega pasu.

• krajši kot je čas T, višja je vrednost osnovne frekvence;
• hitreje kot se spreminja signal g(t), številčnejši so harmoniki potrebni za opis funkcije

Tudi za fizične prenosne medije je značilen nek frekvenčni pas poimenovan tudi prepustni pas. Ta predstavlja frekvenčni pas signala, ki ga fizični medij lahko prenese ne da bi bistveno spremenil signal.

Glavne spremembe signalov  so dušenje in časovna zakasnitev, ki se spreminjajo glede na  frekvence signalov.

Prepustni pas je običajno odvisen od samega prenosnega medija, včasih pa tudi od prisotnosti filtrov, ki režejo frekvence nad določeno mejo (fc). Kot primer, pri telefonskih linijah je prepustni pas 3 kHz (od 0 Hz do 3.000 Hz) in ga dosežemo z nizko propustnimi filtri.

V splošnem prenosni mediji:

• dušijo signale sorazmerno z razdaljo in frekvenco signala;
• kasnijo signale sorazmerno z frekvenco signalov.

Posledica tega je, da se kateremu koli prenosnemu mediju zmanjša prepustni pas, če se le temu poveča dolžina.

Če želimo da bo signal sprejet takšen kot je bil oddan, potem je potrebno, da je prenosni pas medija enak ali večji kot frekvenčni pas samega signala. Če ne, signal izgubi nekaj svojih harmonikov (običajno tiste z višjimi frekvencami) in je moten, torej spremenjen. Če pride do sprejemnika dovolj harmonikov bo signal še vedno uporaben.

Obstajata dva osnovna teorema, ki določata meje pri prenosu informacij.

2.1.2) Nyquistov teorem

Nyquist (1924) je dokazal, da analogni signal s pasovno širino h (od 0 do h Hz) lahko v celoti rekonstruiramo če ga vzorčimo s frekvenco 2h na sekundo. Signal prenaša količino informacije, ki je predstavljena z biti in je enaka

2h*(logaritem z osnovo 2 števila možnih vrednosti signala)

vsako sekundo.

Posledica tega teorema je ta, da je maksimalni data rate (včasih poimenovan tudi hitrost prenosa) prenosnega kanala, ki ima prepustni pas od 0 Hz  do h Hz in prenaša konsistentni signal V diskretnih vrednosti:

maksimalni data rate(bit/s) = 2h log₂ V 

V praksi to pomeni da binarni (dvojiški) signal ne preseže 6 kbps na liniji, ki ima prepusni pas 3 kHz.

2.1.3) Shannonov teorem

Nyquistov teorem velja za prenosne kanale, ki naj bi bili popolnoma neobčutljivi na motnje (kar na žalost ni res). V drugih primerih velja Shannonov teorem (1948), ki velja za prenosne kanale kjer je prisoten šum.

Predno si pogledamo teorem si je potrebno razčistiti koncept razmerje signal/šum (signal to noise ratio, S/N), ki govori o razmerju moči signala in šuma. Meri se v decibelih (dB), narašča s 10log10 (S/N). Spodnja tabela prikazuje nekaj primerov.

Shannonov teorem ugotavlja, da je maksimalna podatkovna hitrost na kanalu obremenjenem s šumom, pri danem prepustnem pasu h Hz in razmerju signal/šum S/N enaka:

maksimalna hitrost (data rate v bit/sek.) = h log2 (1+S/N)

Očitno število nivojev signala V nima več vpliva na maksimalno hitrost. To je posledica šuma. Kot primer. Pri kanalu s pasovno širino 3 kHz in razmerjem signal/šum S/N = 30 dB (tipična telefonska linija) lahko dosežemo maksimalno hitrost 30.000 bps.

V splošnem:

• večja kot je število bitov/sekundo, ki jih hočemo prenesti, večjo pasovno širino kanala rabimo;
• glede na prenosni medij, krajši kot je prenosni kanal, večje je število bitov prenešenih na sekundo (dušenje in zakasnitve so v sprejemljivih mejah);
• digitalni prenos je bolj kritičen kot analogni (v splošnem višje frekvence), je pa zato bolj "obnovljiv" in se napake ne prenašajo vzdolž prenosne poti (dovolj je le nekaj različnih vrednosti za obnovitev originalnega signala, pri analognem signalu pa vsaka vmesna ojačitev signala vnaša nova popačenja v signal)

2.2) Prenosni mediji

2.2.1) Sukana parica

Je najstarejši  in najbolj razširjen medij. Sestavljen je iz para vzporednih vodnikov, sukanih med seboj. To pa zato, da se izniči medsebojni vpliv (dva ravna vodnika tvorita anteni, če sta pa sukana pa ne). Uporablja se, na primer, za povezovanje terminalov v telefonskem sistemu (od hiše do telefonske centrale).

Prepustnost kanala je odvisna od dolžine, kljub temu se lahko prenaša več Mbps na razdalji več kilometrov.

Dva tipa parice sta pomembna za prenos podatkov:

• kategorija 3: dve rahlo prepleteni izolirani žici. Kabel vsebuje štiri parice zaščitene v plastični ovoj. Uprablja se v telefoniji (lahko se poveže do štiri telefone v sobi);
• kategorija 5 (od 1988): podoben kabel kot kategorija 3 vendar ima bolj prepletene parice (več sukanj na cm) in izolacijo iz teflona. Boljša kvaliteta prenosa signalov na večje razdalje in uporaben za hitre povezave v LAN (na primer za Fast Ethernet 100 Mbps, ATM na 34 Mbps).   

Oba tipa kablov pogosto imenujemo tudi UTP (Unshielded Twisted Pair) za razliko od STP (Shielded Twisted Pair), ki je oklopljen, nudi boljše karakteristike vendar se skoraj ne uporablja več.

2.2.2) Koaksialni kabel

Je še en pogosto uporabljen medij za prenos, nudi boljše izolacijske lastnosti in omogoča večje hitrosti na večjih razdaljah.

Zgrajen je iz centralnega prevodnika obdanega z izolacijskim slojem okoli katerega je še kovinski ovoj.

Precej so ga uporabljali v telefonskih sistemih za premagovanje večjih razdalj, sedaj pa ga zamenjujejo z optičnimi vlakni. Ostaja v uporabi v TV in video tehniki.

Obstajata (sta) dva tipa koaksialnih kablov:

Debeli - Baseband coaxial cable (50 ohm) uporabljal se je za digitalni prenos podatkov. Omogočal je hitrosti od 1 do 2 Gbps na 1km. Za večje razdalje so bili potrebni ojačevalci.

 Tanki - Broadband coaxial cable (75 ohm) se uporablja za analogni prenos. Je standardni kabel v TV tehniki. Omogoča 300 MHz pasovne širine na razdaljah do 100 km. Pasovna širina se razdeli na posamezne kanale (npr. 6 MHz za posamezni TV kanal). Kanali so med seboj neodvisni. Ko na enem kanalu prenašamo TV program lahko istočasno na drugem prenašamo podatke.

2.2.3) Optična vlakna

So najbolj sodoben prenosni medij ki je povsem spremenil telekomunikacijski svet. Optično vlakno je narejeno iz steklenega vlakna (core) obdanega z zunanjim slojem stekla (cladding) z drugim lomnim količnikom in zaščitnim plastičnim slojem. Več vlaken se združi v optični kabel.

Kljub temu, da svetloba potuje premočrtno, potuje signal v optičnem vlaknu v smeri vlakna ( je ujet v vlaknu). To je mogoče zaradi dveh različnih vrst stekla z različnimi optičnimi lastnostmi (lomni količnik).

Poznamo dva tipa optičnih vlaken:

• večrodno vlakno (multimode): različni žarki lahko zadevajo površino pod različnimi koti (imenovanimi mode). Premer jedra (core) je 50 mikronov, približno kot človeški las.
• enorodno vlakno (singelmode):  vlakna so tako drobna (premer jedra je 8 -10 mikronov) da se obnašajo kot vodilo svetlobnemu žarku, ki potuje skoraj vzdolžno. So dražja in se uporabljajo za premagovanje večjih razdalj (30 km in več).

Optična vlakna imajo zavidljive lastnosti: trenutne tehnologije omogočajo prenosne hitrosti 50.000 Gbps (50 Tbps) z majhno možnostjo napake. Praktično pa so hitrosti manjše, saj nimamo še tako hitrih pretvornikov, ki bi pretvarjali električne signale v svetlobne dovolj hitro. Treutno zmorejo nekaj deset Gbps. V optičnem vlaknu je prenosni medij svetloba, če je,  predstavlja to 1 če jo ni pa 0.

Vlakna so narejena iz posebnih vrst zelo prozornega stekla (če bi imelo morje enako prozornost, bi videli dno oceanov), ki omogočajo zelo majhno slabitev svetlobnega signala. Slabitev signala je odvisna tudi od valovne dolžina svetlobe, zato se za prenos uporabljajo tri valovne dolžine, (vse v infra rdečem spektru) od 25.000 GHz do 30.000 GHz.

Optični prenosni sistem ima tri komponente:

• izvor svetlobe: lahko je LED ali laser. Spreminja električni signal v svetlobne impulze;
• prenosni medij: optično vlakno samo;
• fotodiodni sprejemnik: spremeni svetlobne impulze v električni signal. Tipični odzivni čas je 1 nano sekunda kar pomeni hitrost 1 Gbps.
  

Dve topologije  računalniških omrežij uporabljata optična vlakna: obroč in zvezda

Prednosti optičnih vlaken pred bakrenimi kabli:

• varčnost pri materjalu (dve vlakni nadomeščata 1.000 paric, 100kg/km proti 8.000 kg/km);
• poplna neobčutljivost na elektromagnetne motnje;
• otežkočeno prišluškovanje prometa na liniji

Slabosti optičnih vlaken:

• cena;
• enosmerna komunikacija (dve vlakni sta potrebni za obojestransko komunikacijo

2.2.4) Brezžični prenos

Elektromagnetni valovi, povzročeni z gibanjem elektronov, potujejo skozi prostor (tudi prazen) s svetlobno hitrostjo in lahko inducirajo električno napetost v zelo oddaljeni sprejemni anteni.

Elektromagnetni spekter, uporaben za prenos podatkov:

• radijski valovi;
• mikrovalovi;
• infrardeči žarki;
• vidna svetloba;
• ultravijolični žarki.
  

Radijske frekvence in njihov namen so določene s strani države.

Če spuščamo radijsko frekvenco se spreminjajo lastnosti:

• radijski valovi s nižjo frekvenco (daljšo valovno dolžino) prehajajo skozi stavbe in imajo večji doseg (več 1000 km, zaradi odboja v ionosferi);
• višje frekvence (valovne dolžine okoli cm ali mm) so precej usmerjene in ne prehajajo skozi zidove (motijo jih tudi dežne kaplje);
• vse frekvence so podvržene motnjam zaradi elektromagnetne interference.

Podatke lahko prenašamo tako da moduliramo:

• amplitudo
• frekvenco
• fazo