Definicje podstawowe

Prezentacja informacji

W telekomunikacji do transmisji danych, opartej na szeregowym przesyłaniu informacji, stosuje się ustalone słownictwo określające poszczególne elementy infrastruktury. Należą do nich w szczególności:

Sygnały analogowe

Większość występujących w przyrodzie wielkości fizycznych (ciśnienie, temperatura, zmiana kąta, oświetlenie) ma charakter ciągły, tzn. analogowy. Zgodnie z teorią informacji mogą one być opisane matematycznie za pomocą odpowiednich równań różniczkowych, a dla okresowych przebiegów ciągłych rozłożone na szereg przebiegów harmonicznych o różnej częstotliwości, amplitudzie i fazie. Jednostką miary częstotliwości sygnału sinusoidalnego jest herc (Hz), pochodzący od nazwiska fizyka Henricha Hertza, który odkrył i wytworzył (1887 r.) fale radiowe. Częstotliwość wyrażona w hercach wskazuje liczbę zmian pola elektromagnetycznego sygnału (lub zmian tego sygnału) transmitowanego w ciągu sekundy. Chociaż niektóre aplikacje działają na bardzo niskich częstotliwościach pracy, określanych pojedynczymi hercami, w telekomunikacji znalazły głównie zastosowanie fale o częstotliwości mierzonej w kHz, MHz lub GHz (ostatnio THz dla fal optycznych).

Informacja cyfrowa

Informacja cyfrowa – niezależnie od tego, czy wynika z samej natury rozpatrywanego procesu, czy jest rezultatem kwantyzacji procesu ciągłego – z wielu powodów bardziej nadaje się do transportu. W systemie dwójkowym najmniejszą jednostką informacji jest bit reprezentujący wybór między informacją o wartości umownej „0” a informacją o wartości umownej „1”. Informacja przenoszona przez kolejne bity w strumieniu transmisyjnym może być traktowana jako:

• ciąg danych generowanych przez źródło,
• informacja sterująca synchronizacją układów pośredniczących i końcowych,
• informacja kontrolna o błędach zaistniałych w systemie transmisji danych. Przykładem jest bit parzystości (nieparzystości) uzupełniający informację do odpowiedniej liczby jedynek w kontrolowanej grupie bitów.

Dla przetwarzania i procesów transmisji strumień bitów jest grupowany w:

• znaki obejmujące 5, 6, 7 lub 8 bitów informacyjnych w zależności od systemu przetwarzania i sposobów transmisji,
• bajty zawierające zawsze 8 kolejnych bitów informacyjnych (półbajt dolny i górny),
• słowa maszynowe będące sekwencją 16, 24, 32 lub 64 bitów o formacie związanym z typem urządzenia lub komputera przeznaczonego do przetwarzania.

Formaty liczbowe

Bajty lub słowa odpowiedzialne za przekaz informacji liczbowych wymagają konwersji do odpowiedniego formatu liczb całkowitych lub zmiennoprzecinkowych. Wśród formatów stałoprzecinkowych najbardziej typowym jest zapis liczb całkowitych z uzupełnieniem do dwóch, w którym najbardziej znaczący bit MSB (Most Significant Bit) niesie informację o znaku liczby. Dla liczb dodatnich dwubajtowa liczba całkowita bez znaku może przyjmować wartości od 0 do 65 535, a dla liczb ujemnych wartość w zakresie od – 32 768 do + 32 767. Liczby zmiennoprzecinkowe, zwane również rzeczywistymi, są zwykle zapisywane za pomocą 32 bitów (pojedyncza precyzja) lub 64 bitów (liczby o podwójnej precyzji). Wiele istniejących sposobów podziału bitów między mantysę i wykładnik liczby oraz stosowanie wielokrotnej precyzji umożliwiają prezentację liczb prawie o dowolnej dokładności.

Widmo częstotliwości mowy

Przesłanie sygnału głosu ludzkiego wymaga kanału zdolnego do przeniesienia określonego pasma częstotliwości. Głos ludzki zawiera wiele częstotliwości podstawowych i harmonicznych, których zestaw nadaje ton i barwę charakterystyczną dla każdego rozmówcy.

Widmo mowy obejmuje częstotliwości od 100 Hz do ponad 8 kHz, przy czym największa gęstość widmowa (energia) przypada w okolicy 500 Hz i sukcesywnie maleje ze wzrostem częstotliwości. Ucho ludzkie odbiera sygnały w znacznie szerszym zakresie częstotliwości, a graniczne wyróżnianie sygnałów zależy od cech osobniczych człowieka. Typowy zakres sygnałów rejestrowanych przez ucho ludzkie obejmuje częstotliwości od 20 Hz do 15 kHz (niekiedy 20 kHz), a największa czułość mieści się od kHz do 3 kHz.

Dla dobrego zrozumienia mowy i rozpoznania osoby mówiącej wystarczy pasmo, w którym jest zawarta główna część energii, to znaczy w zakresie od 300 Hz do 3400 Hz. Ze względów ekonomicznych zdecydowano transmitować w urządzeniach telefonicznych pasmo o szerokości 3, kHz (niekiedy 3,3 kHz w zakresie od 200 do 3500 Hz), zapewniające właściwe zrozumienie mowy. Uwzględniając bariery ochronne po obydwu stronach pasma, niezbędne przy multipleksowaniu i wydzielaniu sygnałów mowy na wyższych częstotliwościach pracy, rzeczywista szerokość pasma transmitowanego przez urządzenia telefoniczne i kanały transmisyjne wynosi 4 kHz. Do transmisji dźwięku (również tego o wysokiej jakości) przyjmuje się pasmo w zakresie częstotliwości naturalnych od 20 Hz do 16 kHz.

W systemach kablowej telefonii przewodowej zakres częstotliwości nośnych zależy od natury medium i wymagań aplikacyjnych. Na przykład typowa skrętka dwuprzewodowa przenosi częstotliwości w zakresie od 10 Hz do 1000 kHz, a w wykonaniach specjalnych nawet powyżej MHz. Kable współosiowe (koncentryczne) są przystosowane do przekazów w zakresie częstotliwości od do 100 MHz. Dla częstotliwości radiowych, aż do promieniowania widzialnego, zdefiniowano wiele pasm o różnych szerokościach i zastosowaniu.

Przekaz informacji

Transmisja cyfrowa czy analogowa?

Istnieją dwa odmienne sposoby przesyłania dowolnej informacji przez łącza telekomunikacyjne: transmisja analogowa i transmisja cyfrowa. Transmisja cyfrowa w najprostszym wydaniu oznacza, że przesyłany jest ciąg impulsów dwustanowych typu TAK/NIE, podobnie jak w komputerach. Sygnały te, zwane bitami, mogą być transmitowane przy współczesnych technologiach w szerokim zakresie szybkości, nawet powyżej kilkuset Gb/s (np. 400 Gb/s w jednym włóknie optycznym systemu WaveStar OLS 400G Lucenta). Transmisja analogowa oznacza, że są przesyłane sygnały o ciągłym widmie częstotliwości, takim jak głos, dźwięk lub światło. Większość istniejących łączy telekomunikacyjnych, po których są przesyłane dane na najniższym poziomie infrastruktury, jest przeznaczona do transmisji analogowej, a nie cyfrowej. Również łącza telefoniczne, doprowadzone bezpośrednio do mieszkań abonentów, są głównie łączami analogowymi zdolnymi do przesyłania sygnałów w ograniczonym zakresie częstotliwości. Istnieje wiele parametrów charakteryzujących przydatność łączy telekomunikacyjnych do transmisji danych.

Szerokość pasma

Przepływność torów teletransmisyjnych (do niedawna oznaczana jako przepustowość kanału i nadal jeszcze określana w ten sposób) zależy od typu łączy. Łącza do transmisji cyfrowej są projektowane na określoną szybkość przesyłania wyrażoną w bitach na sekundę (b/s). Przydatność łącza analogowego do pracy z różnymi szybkościami jest charakteryzowana szerokością pasma. Szerokością pasma jest różnica między górną a dolną częstotliwością pasma, które kanał jest zdolny przenieść z nierównomiernością nie gorszą niż 3 dB. Szerokość pasma jest wyrażona w hercach (Hz, kHz, MHz, GHz, THz), a dla linii telefonicznej wynosi około 3, kHz w naturalnym pasmie częstotliwości od 300 do 3400 Hz (od 200 do 3500 Hz w niektórych aplikacjach).

Przepływność

Przepływnością kanału (przepustowością) nazywamy zdolność kanału do przenoszenia informacji binarnej, to znaczy określenia, ile bitów danych można przesłać w ciągu sekundy przez konkretne medium transmisyjne. Przepływność binarna jest wyrażana w bitach na sekundę (b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s). Dzięki odpowiedniej modulacji sygnału przepływność kanału, wyrażona w bitach na sekundę, jest zwykle kilkakrotnie wyższa od szerokości pasma tego kanału, wyrażonej w hercach.

Maksymalna teoretyczna przepływność kanału jest ograniczona prawem Shannona, które jest fundamentalnym prawem telekomunikacji.

Prawo to w postaci: P = W*log2 (1+S/N)

określa maksymalną przepływność P kanału w zależności od szerokości pasma W oraz stosunku mocy sygnału S do mocy szumu termicznego N i nie zależy od przyjętego sposobu modulacji informacji.

Podstawiając parametry typowego kanału telefonicznego do równania, stwierdzimy, że maksymalna przepływność wynosi około 64 kb/s, ze względów technicznych tylko 56 kb/s, a w praktyce nie więcej niż 50 kb/s.

Modulacja

Modulacja stosowana w modemach jest procesem konwersji informacji cyfrowej na postać analogową, która może być transmitowana przez linie telefoniczne. W telekomunikacji proces ten zachodzi w modemach działających na zasadzie emisji ciągłej, sinusoidalnej fali nośnej, której parametry są modyfikowane odpowiednio do wartości przesyłanych danych. Modyfikacja wejściowym sygnałem cyfrowym jednego z trzech parametrów opisujących idealną sinusoidę fali nośnej: amplitudy, częstotliwości oraz fazy, umożliwia uzyskanie wielu punktów charakterystycznych sygnału nośnej, zwanych konstelacją. Przejścia pomiędzy kolejnymi stanami charakterystycznymi w konstelacji noszą nazwę momentów znamiennych, a przedział czasowy między nimi nazywany jest elementem modulacji. Jednostką miary szybkości modulacji jest bod (baud), określający maksymalną liczbę zmian momentów lub stanów charakterystycznych w czasie sekundy.

Dla sygnałów telegraficznych o dyskretnym przebiegu czasowym wyróżniane są tylko dwa stany charakterystyczne i dla takich sygnałów szybkość modulacji jest równoważna z przepływnością binarną ( bod = b/s). We współczesnych modemach jeden stan charakterystyczny w konstelacji niesie informację o większej liczbie bitów wejściowych (2, 4, a nawet 8 bitów informacji), zatem na bod przypada więcej bitów informacji, co odpowiednio zwiększa przepływność binarną kanału. Możliwość modulowania fali nośnej przebiegiem o liczbie stanów większej niż 2 nazwano modulacją wielowartościową (M-ary). Przesłanie duobitów (2 bity informacji) wymaga czterech stanów charakterystycznych fali zmodulowanej i określana jest modulacją czterowartościową. Modulacja przy użyciu trójbitów (8 kodów) nosi nazwę modulacji ośmiowartościowej, a przesłanie takich sygnałów wymaga 23 = 8 możliwych stanów charakterystycznych fali nośnej.

Istnieje wiele metod detekcji i odtwarzania informacji binarnej ze zmodulowanego sygnału. W przypadku modulacji fazy określona faza sygnału może reprezentować pojedynczy bit lub grupę bitów albo określać kombinację bitów wynikającą z korelacji między poszczególnymi stanami charakterystycznymi.

Skuteczność widmowa

Parametr skuteczności widmowej BF (Bandwidth Efficiency) wskazuje, jak wiele bitów informacji cyfrowej można zakodować (przesłać) w określonym pasmie częstotliwości. Zasadniczy wpływ na skuteczność widmową, rozumianą jako stosunek szybkości transmitowanych bitów (w b/s) do zajmowanej szerokości pasma (w Hz) w kanale transmisyjnym, ma przyjęty sposób modulacji, szczególnie istotny dla uzyskiwania wysokich przepływności w ściśle ograniczonym pasmie. Skuteczność widmowa jest wyrażana w bitach na sekundę na herc (b/s/Hz).

Na przykład: przesłanie pełnego kanału E (2048 kb/s) przy modulacji QPSK o skuteczności 1,5 b/s/Hz wymaga pasma o szerokości 1,4 MHz zamiast 2,048 MHz. Do najbardziej skutecznych zaliczają się modulacje z kodowaniem: 2B1Q (Two Binary One Quarternary), CAP (Carrierless Amplitude and Phase) i DMT (Discrete Multi-Tone). Wydajne modulacje umożliwiają nawet kilkakrotne zawężenie pasma RF (Radio Frequency), przy zadanej przepływności binarnej kanału, jednak ze względu na określony wymagany stosunek sygnału do szumu S/N w konkretnym medium transmisyjnym skuteczność widmowa nie może rosnąć nieograniczenie.

Szybkość modulacji a szybkość transmisji

Szybkość transmisji kanału jest określana liczbą przesyłanych bitów informacji binarnej w czasie sekundy przez kanał telekomunikacyjny, przy wymaganej i ustalonej stopie błędów. Dla różnych nośników informacji przewiduje się różne stopy błędów transmisji. Maksymalna teoretyczna szybkość transmisji (przepływność binarna) przez kanał telekomunikacyjny jest ograniczona szerokością pasma i zgodnie z prawem Shannona nie zależy od typu przyjętej modulacji sygnału. Zaawansowane systemy modulacji, oparte na wielowartościowym kodowaniu M-ary (do 8 bitów na jeden element modulacji), a także na wielowymiarowej interpretacji fali nośnej (do 4 wymiarów), umożliwiają nawet kilkunastokrotne zwiększenie przepływności binarnej konkretnego kanału. Wzrostu przepływności kanału nie należy wiązać z kompresją informacji wejściowej, która pomimo że podnosi efektywną szybkość przekazu, nie jest związana z parametrami fizycznymi toru przesyłowego, lecz z większym upakowaniem informacji wejściowej.

Pojemność toru transmisyjnego

Pojemność transmisyjna BL (Bitrate x Length) charakteryzuje przydatność torów światłowodowych do tworzenia gigabajtowych sieci optycznych. Pojemność BL jest wyrażona za pomocą iloczynu dwóch wzajemnie zależnych parametrów światłowodowych: przepływności binarnej B (określanej w Mb/s, Gb/s, Tb/s) i maksymalnej odległości L (w km) między regeneratorami sygnału. Pojemność transmisyjna BL we współczesnych traktach światłowodowych osiąga wartości od 200 (Gb/s)km do 360 (Tb/s)km w zależności od stosowanej technologii włókna, jego tłumienności, wzmacniaczy optycznych EDFA i jakości połączeń torów światłowodowych.

Trafik

Do określenia intensywności przepływu danych i komunikatów przez urządzenie telekomunikacyjne, złącze lub węzeł sieci stosuje się pojęcie trafiku, czyli obsługi średniego natężenia ruchu telefonicznego. Wielkość natężenia ruchu jest definiowana w stosunku do ruchu, jaki wnosi przeprowadzenie jednej rozmowy telefonicznej. Jednostką natężenia ruchu jest erlang (Erl).

Jeden erlang oznacza ruch, w którym jedno łącze (ścieżka, kanał, węzeł) jest ciągle zajęte (jednogodzinna rozmowa w ciągu godziny, jednominutowe połączenie w ciągu minuty). Natężenie ruchu wynosi 5 Erl, jeśli w ciągu godziny istnieje np. 100 połączeń 3-minutowych lub 25 rozmów 4-minutowych plus 40 rozmów 5-minutowych itp.

Typowy abonent domowy generuje ruch w zakresie od 50 do 70 mErl, natomiast abonent urzędowy i z tzw. małego biznesu od 100 do 150 mErl. Maksymalny trafik przenoszony przez nowoczesne systemy komutacji wynosi kilkadziesiąt tysięcy erlangów.

Stopa błędu

Do określenia wierności informacji transmitowanej przez tor telekomunikacyjny stosuje się pojęcie stopy błędu BER (Bit Error Rate). Wskaźnik BER definiuje prawdopodobieństwo wystąpienia przekłamania bitu informacji w strumieniu przesyłanej informacji.

Wyróżnia się dwa sposoby definiowania stopy błędu: elementowy i blokowy. W celu poprawy elementowej stopy błędu (typowa wartość 10-5 dla torów przewodowych) stosuje się korekcję charakterystyki kanału i optymalizację metod modulacji.

Dzięki stosowaniu kodów korekcyjnych (kodowanie nadmiarowe, kody cykliczne) uzyskuje się blokową stopę błędu w zakresie od 10-6 do10-10, a nawet lepszą.

Transport informacji

Przekaz analogowy i cyfrowy

Informacja może być przesyłana za pomocą sygnałów wytworzonych przez elektryczność, fale radiowe lub światło. Stosuje się dwie techniki transmisji sygnałów przez medium. Pierwsza z nich wykorzystuje analogową reprezentację sygnałów, druga - reprezentację cyfrową. Transmisja analogowa jest formą rozchodzenia się sinusoidalnej fali o określonej częstotliwości, amplitudzie i fazie. Informacje w postaci analogowej mogą być proste lub złożone. Przebiegi proste mają mocno wyróżnioną jedną częstotliwość (dźwięk jednego klawisza pianina) i niewielki lub żaden zestaw harmonicznych. Złożone przebiegi analogowe, takie jak głos człowieka czy dźwięk orkiestry, składają się z wielu częstotliwości o różnym natężeniu.

Głos, obraz, dane, a także inne rodzaje informacji mogą być bardziej efektywnie przesyłane przez przedstawienie ich w formie zbioru wartości binarnych i transmitowanie tych wartości w postaci impulsów elektrycznych. Proces zamiany przebiegów ciągłych (analogowych) na informacje cyfrowe (dyskretne), które mogą być przetwarzane komputerowo, nazywa się konwersją analogowo-cyfrową. W procesie konwersji sygnał analogowy jest próbkowany w regularnych odstępach czasu, a zmierzone wartości próbek zakodowane w postaci binarnej odpowiadają amplitudzie sygnału analogowego. Dokładność odwzorowania zależy od liczby bitów wykorzystanych do wyrażenia wartości binarnej oraz częstotliwości próbkowania.

Transmisja danych przez linie analogowe napotyka na trudności ograniczające ich użyteczność. Konieczne jest w tym przypadku przekształcenie sygnałów cyfrowych na sygnały analogowe w procesie modulacji, lecz szybkość transmisji (przepływność) jest ograniczona niewielką szerokością pasma do tej pory przeznaczonego do przekazów głosowych. Ponadto sygnał analogowy przesyłany na dalszą odległość musi być okresowo wzmacniany (wzmacniaki telekomunikacyjne), łącznie z występującymi w torze zniekształceniami. Transmisje cyfrowe cechują się większym stopniem niezawodności niż analogowe, zwłaszcza na dłuższych dystansach. Jeśli zachodzi potrzeba wzmocnienia sygnału, sygnał jest regenerowany cyfrowo bez wzmacniania zniekształceń, co jest zasadniczą zaletą przekazów cyfrowych używanych w telekomunikacji.

Rodzaje transmisji

Sygnały mogą być transmitowane szeregowo, bit po bicie przez jeden tor komunikacyjny w transmisji szeregowej, lub równolegle i jednocześnie przez wiele kanałów, podczas transmisji równoległej.

Transmisja szeregowa, ekonomicznie uzasadniona dla przekazów na średnie i duże odległości, jest powszechnie stosowana w telekomunikacji, również w komunikacji długodystansowej. Transmisja równoległa, ograniczona do kilkumetrowych połączeń (zwykle 3–6 m z niewielkimi wyjątkami, takimi jak interfejs HIPPI do łączenia urządzeń superkomputerowych – do 25 m) z uwagi na możliwość rozsynchronizowania sygnałów, służy głównie do komunikacji między modułami i urządzeniami komputerowymi stosowanymi w informatyce.

W równoległej technice transmisji kanał komunikacji może składać się z 8, 16, 32 lub nawet 64 równoległych torów służących do przesyłania informacji. Procesory 32-bitowe są wyposażone w wewnętrzną szynę danych, po której jednocześnie są przesyłane słowa 32-bitowe (niekiedy 16-bitowe).

Tryby transmisji

Podczas transmisji danych informacje są przesyłane w postaci bitowej, znakowej lub bajtowej. W transmisji bitowej informacja jest reprezentowana przez ciągły strumień bitów i zwykle ma przezroczysty charakter dla nadajnika i odbiornika, z wyjątkiem specjalnych sekwencji bitów oznaczających początek lub koniec ramki. W transmisjach znakowych, działających zwykle przez modemy, istnieją trzy następujące tryby transmisji:

• simpleks SX (simplex), jednokierunkowa transmisja, w której odbiornik nie może przesłać odpowiedzi ani potwierdzenia (transmisje rozsiewcze, radiofoniczne), a urządzenie odbiorcze nie wymaga żadnej obsługi przez użytkownika;
• półdupleks HDX (half duplex), dwukierunkowa, ale nie jednoczesna, naprzemienna transmisja - w danym momencie jest ustalony tylko jeden kierunek transmisji. Dla odwrócenia kierunku transmisji potrzebny jest system sygnalizacji, wskazujący, że urządzenie ukończyło nadawanie i możliwy jest dostęp do łącza (kabel dwuprzewodowy, jeden kanał informacyjny, skrętka);
• dupleks FDX (full duplex), jednoczesna transmisja z pełną szybkością w obydwu kierunkach. W sieciach cyfrowych potrzebne są zwykle dwie pary przewodów do utworzenia takiego połączenia. Połączenia analogowe stosujące modemy klasyczne potrzebują tylko jednej pary przewodów, szerokość pasma transmisji jest podzielona bowiem na dwie (często nierówne) części, co pozwala na jednoczesny przepływ danych w obydwu kierunkach. Formalnie istnieją trzy sposoby transmisji FDX: FDD (Frequency Division Duplex) – każdy kierunek działa na odrębnej częstotliwości nośnej, TDD (Time Division Duplex) – jeden kanał nośnej z podziałem czasu, EC (Echo Cancelling) – jeden kanał z kasowaniem echa po obydwu stronach łącza.

Formatowanie informacji

Przesyłanie informacji za pomocą długiego ciągu bitów jest nieefektywne co najmniej z dwóch powodów:

• ogranicza możliwości przełączania strumienia informacji w sieciach komutowanych,
• znacznie obniża użytkową efektywność transmisji w przypadku występowania błędów.

Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest segmentacja strumienia bitów na mniejsze odcinki, których długość jest związana ze sposobem transmisji i protokołem komunikacyjnym. Segmentacja umożliwia podział strumienia bitów na pakiety (transmisja pakietowa), ramki (synchroniczne protokoły bitowe), komórki (asynchroniczne protokoły transmisji typu ATM) i znaki stosowane w transmisjach o strukturze znakowej. Z wyjątkiem asynchronicznej transmisji znakowej bloki danych muszą mieć oznaczone początek i koniec bloku, a zwykle również identyfikację adresów wewnątrz sieci i numerację kolejności przesyłanych komórek.

Technika przeplotu

Technika przeplotu (interleaving), stosowana zwykle w nadajnikach radiowych (naziemnych i satelitarnych) i skojarzona z operacją rozplotu (deinterleaving) używaną przy odbiorze sygnału, polega na rozpraszaniu występujących blisko siebie paczek błędnych bitów w strumieniu informacji – na znacznie szerszy zakres informacji przesyłanej przez ten sam kanał. Dzięki temu uzyskuje się pojedyncze i rozproszone w czasie błędy, które mogą być identyfikowane i korygowane za pomocą kodowania nadmiarowego, eliminując wpływ zanikomów radiowych lub chwilowych spiętrzeń błędów (burst errors) wynikających z zakłóceń sygnału radiowego. Typowym kodem nadmiarowego zabezpieczenia transmisji szeregowej jest blokowy kod Hamminga.

Łącze komunikacyjne

Przez łącze transmisji danych rozumie się zespół środków technicznych służących do przesyłania binarnych szeregowych sygnałów danych między dwiema oddalonymi stacjami sieci teleinformatycznej. Podstawowym elementem łącza jest podkładowy kanał telefoniczny o standardowym pasmie zawartym między 300 a 3400 Hz i przystosowanym do transmisji sygnałów analogowych. Kanały transmisyjne są utworzone alternatywnie z:

• wydzielonych na stałe kanałów telefonicznych jednotorowych (dwuprzewodowych) lub dwutorowych (czteroprzewodowych),
• dwuprzewodowych kanałów komutowanych sieci powszechnego użytku. Ze względu na dyskretny charakter danych cyfrowych kanały telefoniczne nie są odpowiednie do bezpośredniej transmisji danych (null modem).

O szybkości transmisji danych w łączu telekomunikacyjnym decydują jakość kanału telefonicznego, sposób transmisji i typ przyłączonych modemów. Przyłączenie modemów asynchronicznych daje w wyniku zwykle łącze asynchroniczne. Przepływność binarna łącza asynchronicznego jest zmienna, jej maksymalna wartość jest określona konkretnym typem modemu.

Trasowanie łączy

Ze względu na sposób trasowania torów telekomunikacyjnych wyróżnia się łącza: stałe, dzierżawione, komutowane i wirtualne.

Łącze stałe, wykonane jako prowizoryczne lub trwałe połączenie miedziane, nie podlega żadnym modyfikacjom (linia telefoniczna, linia komputerowa, kabel podziemny).

Łącze dedykowane, stanowiące tor między komunikującymi się stronami, może mieć postać kabla fizycznego, poprowadzonego między systemami komputerowymi lub telefonicznymi, albo też funkcjonować logicznie jako łącza trwałe w obrębie komutowanego lub multipleksowanego systemu komunikacyjnego. Łącza dedykowane, używane w sieciach rozległych WAN, są dzierżawione okresowo (dni, miesiące, lata) w celu uzyskania stałego połączenia dwupunktowego o wysokiej przepływności, niezależnie od stopnia jego wykorzystania. Mogą one występować w formie linii telekomunikacyjnej przystosowanej do przesyłania głosu lub danych (z modemami po obydwu stronach linii), jak też w formie linii cyfrowej o przepływności zwykle do 2 Mb/s. Łącze dedykowane może również funkcjonować logicznie w obrębie konkretnej sieci pakietowej, takiej jak X.25 lub Frame Relay. Linie dedykowane są najlepszym rozwiązaniem sytuacji, gdy ruch odbywa się w sposób ciągły, cechuje się dużą przepływnością, a każde żądanie transmisji musi być obsłużone bezzwłocznie.

Łącze komutowane jest zestawiane przez system komutacyjny wyłącznie na czas trwania rozmowy lub usługi. Kontrolę nad zestawieniem, utrzymaniem i rozłączeniem, a także zlikwidowaniem połączenia komutacyjnego realizują centrala telefoniczna lub cyfrowy system komutacji.

Łącze wirtualne. Połączenie wirtualne to łącze między dwiema lub większą liczbą stacji końcowych działających w sieci pakietowej. Za pomocą łącza wirtualnego ustala się (automatycznie) między punktami końcowymi sesję tymczasową lub sesję dedykowaną. Zestawienie połączenia wirtualnego wymaga uprzedniego ustalenia ścieżki wiodącej przez system połączeń istniejącej sieci pakietowej. Chociaż ze względów technicznych (awarie, optymalizacja) układ połączeń fizycznych połączenia wirtualnego może ulegać zmianie również w czasie transmisji, jednakże połączenie logiczne między dwiema stacjami końcowymi zostaje zachowane. Ponadto w łączach wirtualnych jest możliwa zmienna szerokość pasma (bandwith on demand), co pozwala na dostosowanie transmisji do gwałtownie zmieniającego się natężenia ruchu, oraz wzajemne połączenia większej liczby ośrodków. W pakietowych połączeniach wirtualnych rozróżnia się dwa typy połączeń: stałe PVC (Permanent Virtual Circuit) i komutowane SVC (Switched Virtual Circuit).

Pasma w łączach

Ze względu na szerokość pasma udostępnianego w torach fizycznych wyróżnia się trzy kategorie łączy telekomunikacyjnych:

• łącze wąskopasmowe (narrowband) oznacza zwykle pojedynczy kanał o przepływności nie większej niż 64 kb/s albo kilka kanałów głosowych o łącznej przepływności nie przekraczającej 2 Mb/s (30x64 kb/s) określonej przepływnością E1. Na terenie krajów północnoamerykańskich łącze wąskopasmowe jest klasyfikowane do przepływności 1,544 Mb/s (T1), co jest związane z odmienną strukturą multipleksacji (24x64 kb/s);
• łącze średniopasmowe (wideband) jest przyjmowane dla torów o przepływności od 2 Mb/s do 34 Mb/s zgodnie z wewnętrznymi standardami europejskimi. W Ameryce Północnej przyjmuje się dla łączy średniopasmowych przepływności od 1,544 Mb/s do 45 Mb/s. Interpretacja łącza średniopasmowego nie jest stosowana powszechnie;
• łącze szerokopasmowe (broadband) jest określeniem kanałów o przepływnościach większych od 45 Mb/s w krajach anglo-amerykańskich oraz większych od 34 Mb/s w Europie. Niekiedy wszystkie łącza o szybkości równej lub większej niż 2 Mb/s są traktowane jako szerokopasmowe. Do łączy szerokopasmowych są zaliczane również międzymiastowe i regionalne cyfrowe sieci pakietowe, a także linie cyfrowe sieci ISDN z dostępem pierwotno-grupowym 2 Mb/s. W stosowanych do niedawna analogowych łączach telefonii nośnej (pasmo kilkaset kHz) uzyskiwano wiele krotności kanałów głosowych (np. 920, 1960, inne).

Tłumienność toru

Tłumienność toru charakteryzuje tor telekomunikacyjny pod względem jego przydatności do transmisji długodystansowej i zdolności do przekazywania mocy pozornej. Rozróżnia się tłumienność falową, skuteczną i wtrąceniową. Tłumienność toru jest wyrażana logarytmem stosunku dwóch mocy pozornych: doprowadzonej do toru i wydzielonej na impedancji obciążenia, wyrażona w dB. W telekomunikacji opartej głównie na przewodowych liniach przesyłowych przyjmuje się za standardową impedancję obciążenie rzeczywiste równe 600 W.

Urządzenia transmisji

Urządzenia końcowe

Urządzenia końcowe znajdujące się po obydwu stronach łącza transmisji danych mogą być dwojakiego typu: DCE i DTE. Urządzeniami pośredniczącymi w przesyłaniu danych DCE (Data Communication Equipment) są modemy, kodeki, adaptery liniowe i inne urządzenia komunikacyjne tego typu. Urządzenia DCE funkcjonują między łączami telefonicznymi z/do odległych systemów komutacji a urządzeniami typu DTE (Data Terminal Equipment), nazywanymi również końcowymi terminalami danych. Rolę urządzeń końcowych DTE pełniły pierwotnie nieinteligentne terminale i drukarki, obecnie są to komputery, mosty i routery łączące ze sobą sieci lokalne. Urządzenia pośredniczące typu DCE, oprócz podstawowej funkcji przenoszenia informacji, pełnią funkcję terminatora łączy i zapewniają synchronizację w liniach telekomunikacyjnych.

Interfejsy urządzeń DCE i DTE są zdefiniowane w warstwie fizycznej modelu OSI (Open Systems Interconnection), a najczęściej stosowanymi standardami są: RS-232-C i RS-232-D. Rzadziej występujące, ale również używane interfejsy dla urządzeń DCE/DTE opisują standardy RS-366-A, także X.20, X.2 i V.35, stosowane zwykle przy komunikacji przez linie telefoniczne z większą szybkością. Terminal informatyczny DTE, wykorzystujący do transmisji publiczną sieć telekomunikacyjną PSTN, jest najczęściej identyfikowany z komputerem klasy PC. W potocznym znaczeniu urządzenie pośredniczące DCE, łączące komputer lub terminal abonenta z kanałem komunikacyjnym lub siecią publiczną, zwykle oznacza modem, konwerter sygnałów lub adapter linii.

Adapter liniowy

Adapter liniowy jest najprostszym urządzeniem komunikacyjnym umożliwiającym współpracę komputera z łączem transmisji danych o interfejsie V.24. Podstawowym zadaniem adaptera jest konwersja danych z postaci równoległej na szeregową przy nadawaniu i odwrotnie przy odbiorze. Adapter liniowy realizuje tylko część funkcji protokołu liniowego, pozostałe funkcje są realizowane programowo przez oprogramowanie komputera. Do najważniejszych funkcji, jakie musi realizować adapter, należą: synchronizacja blokowa, detekcja błędów transmisyjnych oraz rozpoznawanie adresu stacji odbiorczej. Zarówno synchroniczne, jak i asynchroniczne adaptery są stopniowo wypierane przez modemy.

Modem

Modem wąskopasmowy

Przekaz danych cyfrowych na większą odległość przez linie telefoniczne wymaga konwersji sygnału cyfrowego do postaci analogowej, akceptowanej przez istniejące urządzenia transmisyjne w łączach komunikacyjnych - przeznaczone standardowo do przesyłania mowy w pasmie 3, kHz. Konwersji tej dokonują modemy (MOdulator–DEModulator) określane jako zespół komunikacyjny DCE, umożliwiający połączenie urządzenia o charakterze cyfrowym (komputer) z publiczną komutowaną siecią telefoniczną (PSTN). Modem po stronie abonenta wywołującego dokonuje konwersji cyfrowego sygnału komputera na sygnał analogowy, a po drugiej stronie łącza realizuje operację odwrotną – przekształca odebrany sygnał z postaci analogowej na cyfrową.

Modem szerokopasmowy

Do przesyłania sygnałów o wysokiej przepływności przez niekomutowane linie telefoniczne stosuje się modemy szerokopasmowe.

Modem szerokopasmowy typu DSL Subscriber Line), stosowany po stronie abonenta w szerokopasmowych sieciach cyfrowych DSL, przenosi dwa niesymetryczne pasma: o szybkości do 8 Mb/s w kierunku abonenta i do 2 Mb/s od użytkownika do sieci. W najprostszej, często spotykanej postaci szerokość transmitowanych pasm jest ograniczona: do 6 Mb/s (niekiedy do 2 Mb/s) w kierunku dosyłowym do abonenta i tylko 64 kb/s dla interakcji abonenta z siecią. Niezależnie od oferowanych funkcji w urządzeniach klasy DSL, dla podstawowych usług telekomunikacyjnych typu POTS zawsze istnieje dwukierunkowy kanał rozmówny.

Inną wersją modemu szerokopasmowego jest modem radiowy RF (Radio Frequency), przenoszący pasmo minimum 10 MHz, często stosowany pod nazwą modemu kablowego w sieciach współosiowych telewizji kablowej CATV.

Kodek brzegowy sieci komutowanej

Kwantyzacja sygnału analogowego na cyfrowy – oddzielnie dla każdej linii abonenckiej – przebiega w urządzeniach kodujących zwanych kodekami (koder i dekoder) i wymaga stosowania szybkich i dedykowanych procesorów sygnałowych DSP (Digital Signal Processor). Kodeki brzegowe, umieszczone w zewnętrznej otoczce systemu komutacji PSTN o charakterze cyfrowym, spełniają następujące funkcje:

• zamianę sygnału analogowego od abonenta na sygnał cyfrowy (A/C) akceptowany przez system komutacji,
• konwersję C/A w kierunku odwrotnym oraz
• rozdzielenie pojedynczej – ale dwukierunkowej – linii analogowej abonenta na dwa jednokierunkowe, lecz o przeciwnym działaniu trakty cyfrowe.

Dzięki temu cały proces komutacji i transmisji w systemach komutacji przebiega cyfrowo, z wyjątkiem końcowego odcinka linii telefonicznej znajdującego się bezpośrednio w otoczeniu abonenta. Do konwersji sygnałów szerokopasmowych prezentujących obrazy (ruchome i nieruchome) są stosowane inne typy kodeków, działające w standardzie H.320.

Efektywność transmisji

Segmentowanie informacji wejściowej przed transmisją na bloki danych wymaga dołączenia dodatkowych informacji sterujących do każdego transmitowanego bloku informacji nie przenoszących treści użytkowej. Im więcej sygnałów sterujących i synchronizacyjnych znajduje się w samodzielnym bloku informacji, tym niższa jest efektywność wykorzystania transmisji określanej jako stosunek liczby bitów informacyjnych do całkowitej liczby przesyłanych bitów. Z kolei im dłuższy jest ciąg transmitowanych informacji (pakiet, ramka, komórka, znak), tym wyższa efektywność transmisji.

Najniższą efektywnością (ok. 70%) cechuje się asynchroniczna transmisja znakowa, powszechnie stosowana w modemach. Narzut na sterowanie w protokole pakietowym VoFR (Voice over Frame Relay) wynosi dodatkowo tylko 6 bajtów na każde 64 bajty DANYCH użytkowych (efektywność 91%), natomiast dla sieci internetowych IPv4 z przekazem VoIP narzut wzrasta już do 28 bajtów (efektywność transmisji ok. 70%).

autor: (ac) strony: 006-014