Sířka pásma a její dělení

Při přenosu informací je jedním z rozhodujících aspektů objem dat, který je pouzívaný přenosový kanál schopen přenést za určitý čas. Obvykle se v této souvislosti mluví (spíse neformálně) o přenosové kapacitě či propustnosti přenosové cesty. Správným měřítkem je vsak pouze přenosová rychlost (v bitech za sekundu), kterou jsme se zabývali minulý týden.

Dosazitelná přenosová rychlost je ale vzdy dána souhrnem fyzikálních vlastností přenosového média (vodičů, kabelů apod.) a vlastnostmi dalsích technických prostředků, které přenosový kanál spoluvytvářejí (např. modemů, multiplexor 19519j91t 67; apod.).

Kazdý přenosový kanál je vzdy schopen přenáset jen signály o frekvenci z určitého omezeného intervalu. Přesněji: signály s jinou frekvencí přenásí tak spatně (s tak velkým útlumem, zkreslením apod.), ze není únosné jej pro přenos těchto signálů vůbec pouzívat. Například bězné telefonní okruhy jsou schopné přenáset signály s frekvencí přiblizně od 300 do 3400 Hz.

Sířka intervalu frekvencí, které je přenosový kanál schopen přenést, představuje tzv. sířku pásma - bandwidth. Jednotka sířky pásma je stejná jako jednotka frekvence, tj. 1 Hz. V případě bězných telefonních okruhů, schopných přenáset frekvence od 300 Hz do 3400 Hz, je tedy sířka pásma 3100 Hz, tj. 3,1 kHz.

Obecně platí, ze čím větsí je sířka pásma přenosového kanálu, tím větsí je přenosová rychlost, kterou na něm lze dosáhnout.

Přesnou závislost mezi dosazitelnou přenosovou rychlostí a dostupnou sířkou pásma vsak nelze jednoduse stanovit - velmi totiz zálezí na konkrétní realizaci. Existují vsak teoretické výsledky, které poskytují horní odhad této závislosti. Konkrétně stanovují maximální teoreticky dosazitelnou modulační i přenosovou rychlost při dané sířce pásma přenosového kanálu. V případě modulační rychlosti (tedy počtu změn nosného signálu za jednotku času, viz minulý týden) je vzájemná závislost velmi jednoduchá - maximální modulační rychlost je číselně dvojnásobkem sířky pásma. Také maximální dosazitelná přenosová rychlost je číselně přímo úměrná sířce pásma - konstanta úměrnosti je vsak závislá na "kvalitě" přenáseného signálu ( přesněji na odstupu uzitečného signálu od sumu). Například pro odstup signál/sum 30 dB (coz znamená, ze uzitečný signál je 1000-krát silnějsí nez sum) má konstanta úměrnosti hodnotu přiblizně 9,96. Při sířce pásma telefonního okruhu 3,1 kHz by to znamenalo maximální přenosovou rychlost přes 30000 bitů za sekundu. Tuto hodnotu je ovsem nutné chápat skutečně jen jako teoretický horní limit, který se v praxi ani zdaleka nedosahuje. Například právě na bězných telefonních okruzích se dnes s nejkvalitnějsími modemy dosahují přenosové rychlosti kolem 14400 bitů za sekundu.
Pozn.: To ovsem platilo v době psaní seriálu, v roce 1991. V roce 1996 (kdy vzniká tato HTML verze), jiz jsou zcela bězné modemy dosahující rychlosti 28,8 kbps (dle standardů V.34, ev. V.FAST), a objevují se i modemy dosahující rychlosti přes 30 kbps (konkrétně cca 34 kbps). Porusují tyto modemy Shannonův teorém, s jeho magickou hranicí 30 000 kbps? Nastěstí nikoli, protoze tyto modemy pracují s poněkud větsí sířkou pásma - dokází totiz vyuzít i takové části přenosového spektra (nad 3400 Hz a pod 300 Hz), které byly dzíve povazovány za zcela nepouzitelné pro přenos hlasu i dat (kvůli přílis vysokému zkreslení, útlumu atd.).

Vedle telefonních okruhů samozřejmě existují i jiné druhy přenosových kanálů, jejichz sířka pásma je výrazně vyssí, a vyssí je pak také přenosová rychlost, která je na nich reálně dosazitelná (v dalsích pokračováních se o nich zmíníme podrobněji). Zde pak můze být otázkou, jak celkovou přenosovou kapacitu skutečně vyuzít, potřebujeme-li například jen určitou (řádově mensí) přenosovou rychlost, zato ale pro větsí počet na sobě nezávislých uzivatelů.

Existuje technika, které se v angličtině říká multiplexing a která umozňuje rozdělit jeden přenosový kanál s velkou sířku pásma na několik (uzsích) logických subkanálů, které se ovsem jeví jako samostatné, na sobě nezávislé přenosové kanály. Technické zařízení, které takovéto logické rozdělení na několik subkanálů zajisťuje, se nazývá multiplexor - multiplexer. Existují dva základní způsoby dělení jednoho přenosového kanálu na více subkanálů. Prvním z nich je tzv. frekvenční multiplex - frequency division multiplexing (FDM).

Zde si lze představit, ze jednotlivé subkanály jsou "navrseny na sebe" v přenosovém pásmu skutečně existujícího přenosového kanálu, a kazdému z nich je přidělena taková část celkové sířky pásma, jakou potřebuje (tj. jaká je jeho sířka pásma) - viz obr. 5.1. Signál, přenásený v rámci určitého subkanálu, musí multiplexor nejprve frekvenčně "posunout" do části pásma, přidělené danému subkanálu, a na druhé straně spoje jej zase "vrátit zpět" do původní frekvenční polohy. Celý mechanismus je přitom plně transparentní, tj. uzivatelé jednotlivých kanálů si mohou myslet, ze mají k dispozici samostatné, na sobě nezávislé přenosové kanály.

Druhou základní mozností pro dělení jednoho přenosového kanálu na více subkanálů je tzv. časový multiplex - time division multiplexing (TDM).

Zde je vlastní přenosový kanál pravidelně přidělován s celou svou sířkou pásma na krátké časové intervaly jednotlivým subkanálům. Nejsnáze se tato představa ilustruje na příkladu kanálu, který přenásí přímo číslicová data. Multiplexor nejprve "vybere" například po jednom bitu od kazdého subkanálu, a ze vsech těchto bitů sestaví vícebitový znak, který přenese kanálem. Na opačné straně kanálu pak druhý multiplexor (někdy označovaný jako demultiplexor) rozebere přijatý znak na jednotlivé bity a ty předá příslusným subkanálům - viz obr. 5.2.

Při časovém i frekvenčním multiplexu samozřejmě musí platit, ze součet sířek pásma jednotlivých subkanálů musí být mensí nez celková sířka pásma existujícího přenosového kanálu. Časový multiplex je obecně účinnějsí, v tom smyslu, ze součet sířek pásma subkanálů můze být "blíze" teoretické horní hranici, tedy celkové sířce pásma existujícího kanálu.