Fyzick rove vod do potaovch st Lekce 03

Fyzická úroveň Úvod do počítačových sítí Lekce 03 Ing. Jiří ledvina, CSc. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí

Teoretický základ datových komunikací • • • 3. 10. 2008 Fourierova analýza Signály limitované šířkou pásma Maximální přenosová rychlost kanálem Úvod do počítačévých sítí 2

Fourierova analýza 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 3

Signály limitované šířkou pásma (a) Binární signál a druhá odmocnina součtu kvadrátů amplitud násobků základní frekvence. (b) – (c) následné aproximace originálního signálu. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 4

Signály limitované šířkou pásma (2) (d) – (e) další aproximace originálního signálu. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 5

Signály limitované šířkou pásma (3) Vztah mezi rychlostí přenosu dat a harmonickými. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 6

Nyquistovo kritérium l C = 2 W log 2 V [b/s; Hz, -] l l C – kapacita komunikačního kanálu W – šířka pásma V – počet úrovní signálu Přenosová rychlost l l 3. 10. 2008 Počet bitů za sekundu [b/s nebo bps] Počet změn za sekundu [Baud] Úvod do počítačévých sítí 7

Shannonovo kritérium (Shannon – Hartley) l C = W log 2(1+S/N) [b/s; Hz, -] l l C – kapacita přenosového kanálu S – úroveň signálu N – úroveň šumu Na přenos působí l l l 3. 10. 2008 Zesílení Omezené pásmo Šum l Impulzní (spínače, … l Tepelný (pohyb elektronů) Úvod do počítačévých sítí 8

Zesílení a decibely Zesílení = l Zesílení = 10 Log 10 l Zesílení = 20 Log 10 l Příklad: Pin = 10 m. W, Pout=5 m. W zesílení = 10 log 10 (10/5) = 10 log 10 2 = 3 d. B Příklad: S/N = 30 d. B => 10 Log 10 S/N = 30, or, S/N = 103 Log 10 S/N = 3, S/N = 103 l 3. 10. 2008 Log 10 Pin Pout Pin Vout l [Bel] [deci. Bel] protože P=V 2/R Úvod do počítačévých sítí 9

Typy přenosů l Přenos l l l l Sériový paralelní Synchronní Asynchronní Arytmický Přenos l l 3. 10. 2008 Dvouúrovňový Víceúrovňový Úvod do počítačévých sítí 10

Typy spojení l Spoje l l l Vedení l l l Dvoubodové l Jeden vysílač, jeden přijímač Mnohabodové l Jeden vysílač, více přijímačů l Více vysílačů, více přijímačů Nesymetrická Symetrická Přizpůsobení l l 3. 10. 2008 Impedančně nepřizpůsobené Impedančně přizpůsobené Úvod do počítačévých sítí 11

Příklady rozhraní na fyzické úrovni l l CCITT (ITU), EIA V. 24, V. 28 (EIA RS 232 C) – analogové modemy l l l X. 21, V. 10/X. 27 (RS 423 -A) nebo V. 11/X. 26 (RS 422 -A) – číslicové modemy l l l Signálové úrovně V. 28 Definice okruhů V. 24 Signálové úrovně V. 10, V. 11 Definice okruhů X. 21 EIA RS 232 C – nesymetrické, 20 kb/s, 20 m, 15 V/3 V EIA RS 423 – nesymetrické, 1000 m, 1: 10, 6 V/0. 2 V EIA RS 422 – symetrické, 1000 m, 1: 10, 6 V/0. 2 V EIA RS 485 – symetrické, 1000 m, 12: 32, 6 V/0. 2 V 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 12

Modulace, klíčování l Amplitudová l Frekvenční l Fázová 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 13

Kódování 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 14

Kódování l l Bez návratu k nule - úroveň (NRZ-L) 0= vysoká úroveň 1= nízká úroveň Bez návratu k nule - invertované (NRZI, nebo NRZ-M) 0= bez přechodu na začátku bitového intervalu 1= přechod na začátku bitového intervalu Manchester 0= přechod z vyšší úrovně na nižší uprostřed bit. intervalu 1= přechod z nižší úrovně na vyšší uprostřed bit. intervalu Diferenciální Manchester změna uprostřed intervalu vždy 0= změna úrovně na začátku bitového intervalu 1= beze změny na začátku bitového intervalu 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 15

Přenos dat vedením l l l Kroucená dvojlinka Koaxiální kabel Optická vlákna 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 16

Kroucená dvojlinka (a) kategorie 3 UTP. (b) kategorie 5 UTP. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 17

Kroucená dvojlinka Název Typ Mb/s použití CAT 1 UTP 1 modem CAT 2 UTP 4 Token Ring 4 CAT 3 UTP 10 10 Base-T Ethernet CAT 4 STP 16 Token Ring 16 CAT 5 UTP 100 Base-T Ethernet CAT 5 STP 100 Base-T Ethernet CAT 5 e UTP 1000 Base-T Ethernet CAT 6 UTP 200 1000 Base-T Ethernet CAT 7 STP 600 1000 Base-T Ethernet 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 18

Koaxiální kabel. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 19

Vláknová optika (a) Příklady odrazu a lomu světelného paprsku na rozhraní skla a vzduchu. (b) Šíření světla úplným odrazem. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 20

Přenos světla optickým vláknem Útlum světla při průchodu optickým vláknem v oblasti infračerveného záření. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 21

Optické kabely (a) Struktura jednoho vlákna optického kabelu. (b) Optický kabel se třemi vlákny. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 22

Optické kabely (2) Porovnání zdrojů infračerveného záření – polovodičový laser a LED. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 23

Optické sítě Struktura optické sítě ve tvaru kruhu s aktivními opakovači. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 24

Optické sítě (2) Propojení optických vláken pasivním optickým rozbočovačem ve tvaru hvězdy. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 25

Bezdrátový přenos • • • 3. 10. 2008 Elektromagnetické spektrum Radiový přenos Mikrovlnné přenosy Přenos v infračerveném spektru a v mikrovlnném spektru Přenos ve viditelném spektru Úvod do počítačévých sítí 26

Elektromagnetické spektrum a jeho využití pro komunikace. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 27

Radiový přenos l l Na velmi dlouhých, dlouhých a středních vlnách kopírují radiové vlny povrch Země. Na krátkých vlnách dochází k odrazům od ionosféry. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 28

Rozdělení elektromagnetického spektra Vyšší frekvenční pásma v USA. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 29

Světelný přenos Tepelné proudění vzduchu může ovlivnit laserový komunikační systém. Obrázek představuje obousměrný komunikační systém se dvěma lasery. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 30

Komunikační satelity • • 3. 10. 2008 Geostacionární satelity Satelity na střední oběžné dráze Satelity na nízké oběžné dráze Porovnání satelitů a optických vláken Úvod do počítačévých sítí 31

Komunikační satelity a některé jejich vlastnosti, včetně vzdálenosti od Země, doby odezvy a počtu satelitů nutných pro úplné pokrytí. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 32

Komunikační satelity (2) Základní satelitní pásma. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 33

Komunikační satelity (3) VSATs (Very Small Aperture Terminal) s použitím Hubu. Velmi malé stanice, běžně menší než 2. 4 m, používané pro satelitní komunikaci. Přenosová rychlost až 2 MB/s oběma směry. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 34

Satelity na nízké oběžné dráze projekt Iridium l l Rozmístění satelitů Iridia kolem Země. 1628 pohyblivých buněk zahalí celou Zem. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 35

Globalstar (a) Přepínání ve vesmíru. (b) Přepínání na Zemi Satelitní telefony, SMS, fax 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 36

Veřejné přepínané telefonní systémy • • • Struktura telefonního systému Rozdělení telefonů Lokální smyčka: modemy, ASDL a bezdrátové spoje Tranzitní propojení (Trunk) a multiplexování Přepínání 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 37

Struktura telefonního systému (a) Úplně propojená síť. (b) Centralizovaný přepínač. (c) Dvouúrovňová hierarchie. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 38

Struktura telefonního systému (2) Typická okruh pro volání na střední vzdálenosti. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 39

Hlavní komponenty telefonního systému • Lokální smyčky § Analogové přenosy kroucenou dvojlinkou • Dálková vedení (Trunks) § Digitální přenosy vláknovou optikou propojující digitální ústředny • Ústředny § Propojení jednotlivých dálkových vedení 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 40

Lokální smyčky: modemy, ASDL, bezdrátové spoje (wireless) Použití analogových i digitálních přenosů propojení počítačů. Převody jsou realizovány modemy a kodeky (codec). 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 41

Modemy (a) binární signál (b) amplitudová modulace 3. 10. 2008 (c) Frekvenční modulace (d) Fázová modulace Úvod do počítačévých sítí 42

Modemy (2) Příklady amplitudo – fázové modulace (a) QPSK. (b) QAM-16. (c) QAM-64. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 43

Modemy (3) (a) (b) (a) V. 32 pro 9600 b/s. (b) V 32 bis pro 14, 400 b/s. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 44

Úvod do počítačových sítí Fyzická úroveň (druhá část) 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí

Digitální účastnické linky (Digital Subscriber Lines - DSL) Závislost šířky pásma na vzdálenosti pro přenos DSL kroucenou dvojlinkou (UTP) kategorie 3 (telefonní vedení). 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 46

Digitální účastnické linky (2) Provoz ADSL s použitím diskrétní vícetónové modulace. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 47

Digitální účastnické linky (3) Typická konfigurace ASDL. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 48

Bezdrátové lokální smyčky Architektura LMDS (Local Multipoint Distribution Service), 28 & 31 GHz, šířka pásma ve dvou blocích (A a B) 1150 MHz (850+1150) a 150 MHz (75+75). 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 49

Frekvenční multiplexování (a) Originální pásmo. (b) Posunuté pásmo. (c) Multiplexovaný kanál. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 50

Multiplexování podle délky vlny (Wavelength Division Multiplexing) Multiplexování podle délky vlny. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 51

Časové multiplexování - (Time Division Multiplexing) Přenosový systém T 1 (1. 544 Mbps). 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 52

Časové multiplexování (2) Delta modulace. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 53

Časové multiplexování (3) Multiplexování T 1 do vyšších přenosových systémů (T 2, T 3, T 4). 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 54

Časové multiplexování (4) SONET Synchronous Optical NETwork) rámce. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 55

Časové multiplexování (5) Rychlosti multiplexování SONET and SDH (Synchronous Digital Hierarchy). 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 56

Přepínání okruhů 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 57

Přepínání zpráv (a) Přepínání okruhů (b) přepínání zpráv (c) přepínání paketů 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 58

Přepínání paketů Porovnání sítí s přepínáním paketů a přepínáním okruhů. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 59

Mobilní telefonní systém • • • 3. 10. 2008 První generace mobilních telefonů: analogové přenosy hlasu Druhá generace mobilních telefonů: digitální přenosy hlasu Třetí generace mobilních telefonů: digitální přenosy hlasu i dat Úvod do počítačévých sítí 60

Zdokonalený mobilní telefonní systém (a) V sousedních buňkách se nemohou použít stejné frekvence. (b) Použití menších buňek dovoluje zvýšit počet uživatelů. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 61

Kategorie kanálů 832 kanálů rozděleno do 4 kategorií: • Řízení (základna do mobilu) pro řízení systému • Paging (základna do mobilu) upozornění uživatelů na volání • Přístup (obousměrný) pro vytváření spojení a přidělení kanálu • Data (obousměrný) pro hlas, fax a data 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 62

D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) Zdokonalený systém mobilních telefonů (a) D-AMPS kanál se třemi uživateli. (b) D-AMPS kanál se šesti uživateli. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 63

Globální systém pro mobilní komunikace GSM používá 124 frekvenčních kanálů, každý z nich používá 8 časových slotů systému časového multiplexu (TDM) 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 64

GSM (2) Část struktury rámce GSM. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 65

Třetí generace mobilních telefonů: digitální zvuk a data Základní služby sítě International Mobile Communications - 2000 (IMT-2000) zahrnují • • Přenos zvuku s velmi vysokou kvalitou Posílání zpráv (náhrada e-mail, fax, SMS, chat, atd. ) Multimédia (hudba, video, film, TV, atd. ) Přístup k Internetu (surfování, multimédia) 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 66

Kabelová televize • • • 3. 10. 2008 Společná televizní anténa Přístup k Internetu prostřednictvím účastnického kabelu Rozdělení přenosového spektra Kabelové modemy ADSL kontra kabelové přenosy Úvod do počítačévých sítí 67

Skupinová televizní anténa Původní systémy kabelové televize. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 68

Kabelový Internet Kabelová televize 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 69

Kabelový Internet (2) Fixní telefonní systém. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 70

Rozdělení spektra v typickém TV kabelovém systému s možností přístupu k Internetu. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 71

Kabelové modemy Upstream a downstream kabelové televize. 3. 10. 2008 Úvod do počítačévých sítí 72