„Analóg és digitális jel” változatai közötti eltérés

A lap 2006. december 21., 15:19-kori változata

Történeti modul

A természeti jelenségek, a fény- vagy hanghullámok folytonos, harmonikus rezgéseket, analóg jeleket hoznak létre. Az első egyenáramú villamos erőmű (1882, New York, Edison), után a Tesla-féle generátorokkal üzemeltett erőátviteli hálózatok első fogyasztóit követően ma a legszélesebb körben használják szerte a világon az egy- vagy háromfázisú szinuszos váltóáramot. A telefon felfedezésének idejében, az akkor ismert eszközökkel nem tudták kimutatni, megmérni milyen formájú és nagyságú jelek terjednek a vezetéken. A hangtani hullámformák azonban, illetve az azokat megjelenítő mechanikus műszerek ismertek voltak. Mindezekkel ellentétben a távíró jelek diszkrét impulzusok kombinációi, melyek elsőként számjegyek (angolul digit-ek) kódjait jelentették.

A XX. század elejére háromféle hálózat jött létre az erősáramú elektromos az energia, a telefon és távíró pedig az információ eljuttatására a Föld különböző pontjaira. Az információt jelentő hasznos elektromos jeleket, folytonos elektromágneses hullámokat vagy diszkrét impulzusokat a hálózat u.n. távközlési csatornáján továbbíthatjuk a két végberendezés között. A végberendezések által előállított jelek az u.n alapsávi frekvenciatartományban vannak, amely meg kell feleljen a másodpercenkénti egy impulzus átviteléhez szükséges 1-4 Hz-es sávszélességétől, az analóg televíziós videójel 6 MHz-es sávszélesség igényéig. A lokális számítógép hálózatok jelei ugyancsak az alapsávban vannak. A lokális számítógép hálózatok 10-100 Mbit/s átviteli sebességet jelentő csatornakapacitással rendelkeznek.

A telefonhálózat növekedésével, de még inkább a kábelek megjelenésével nemcsak a vezetékek ohmos ellenállása okozta veszteségek csökkentették a jel nagyságát, hanem a vezetékeknek a magasabb frekvenciákon nagyobb, frekvenciafüggő csillapítása a fő probléma. (A hosszú légvezeték aluláteresztő szűrőként viselkedik.) A Morse féle távíró egyik nagy előnye volt, hogy minden állomás regenerálta az egyenáramú jeleket. A távolsági telefonátvitelnél hasonló módon erősítőkre volt szükség. Az elektroncső felfedezésével a magasabb frekvenciájú elektromágneses rezgések, a videó-, illetve rádiófrekvencia alkalmazása megteremtette az alapját az egyes beszédcsatornák nyalábolásának a multiplexálásnak és a szélessávú átvitelnek. Bár a távíró hálózatok a telefon hálózattól függetlenek voltak, a Hughes, majd Baudot, stb. féle betűíró távírók, később a rádiótávírók, géptávírók mind az impulzus és a hang alapú távközlés párhuzamos fejlődését biztosították. A távíró vonalak számának növekedésével hamar előkerült Bell harmonikus távíró ötlete. Az érvényes CCITT ajánlás szerint a 300-3400 Hz-es telefon beszédcsatornába 420-425 Hz-től kezdve 120, illetve 170 Hz-enként modulálva a távíró csatornákat 24, illetve 17 távírócsatorna helyezhető el. Az amplitúdó modulációt frekvencia-fázis modulációra váltva a távíró csatornák száma megkétszereződik. H. Nyquist már 1924-ben megteremti az elméleti alapját a sávkorlátozott információs csatorna tervezésének. A harmincas években a televíziótechnika fejlődése, majd a rádiólokátor technika kövezik az útját a digitális áramköröknek, amely az ugyanebben az időben - 1935-1943 - kialakuló elektronikus számítógép technikával végkép elkezdi hódító útját. 1948-ra alakul ki a mai információelmélet alapja Claude Shannon nevével fémjlezve. (Egy évvel megelőzve a tranzisztor felfedezését).

Definíciós modul

Analóg jelek fogalma: az adatok valamely mennyiség változása alapján tárolódnak. A fizikai mennyiség képezi az információt. Ilyen pl. az áramerősség, fizikai feszültség.

Digitális jel fogalma: Az adatok számkódok alapján tárolódnak. Szám képezi az információt. A betűket is számkódokkal kódolják. Így a szöveg is zsámként értelmezett jelek kombinációjának összesége.

A jelátalakítás

Az átalakítás jelentősége

A fizikai réteg esetében nagyon fontos annak az eldöntése, hogy az adatok átvitele milyen módon történjen meg. Mivel villamos vezetőket használunk a kapcsolat kialakításához, ezért valamilyen villamos jellemző fogja az információt hordozni. Annak alapján, hogy ezek milyen módon képesek az információt reprezentálni, beszélhetünk analóg és digitális átvitelről. Mindkét módot használják a gyakorlatban.

A digitális adatátvitel

A digitális átvitelt elsősorban mikroszámítógépekben és a számítógépek között valósítanak meg. A digitális jelek két állapottal rendelkeznek, a kikapcsolt állapot a logikai 0, a bekapcsolt pedig a logikai 1. Annak érdekében, hogy ezek az állapotok kezelhetők legyenek, hozzájuk a gyakorlatban legtöbbször konkrét feszültségszinteket vagy feszültségszint-tartományokat rendelnek (0 szint: 0V, 1 szint: 5V). Fontos, hogy a két feszültségszint között a digitális jelek nem vehetnek fel értéket, a két szint közötti váltásnak pedig nagyon rövid idő alatt kell megtörténnie (lehetőleg nullához közeli érték alatt). Ezzel kapcsolatban még el kell mondani azt is, hogy a váltások nem történhetnek akármikor. Ennek az oka, hogy a digitális rendszerek áramkörei megadott ütemezés szerint működnek. Erre azért van szükség, hogy a megfelelő jelszinteket a vevő is megfelelő időben legyen képes értelmezni.

A digitális adatátvitel során digitális jeleket viszünk át a kialakított vonalon. Az átvitt információ legkisebb mennyisége a bit. A bit két lehetséges értéket vehet fel (0 vagy 1). Minden adat előállítható bitek sorozatából. A bitek csoportosításából nagyabb adategységek jönnek létre: 8 bit az 1 bájt, 1024 bájt az 1 kbájt (1kB) 1024 kbájt az 1Mbájt (1MB).

A jelátalakítás, átvitel, hardver eszközök

A bitek továbbítása alapvetően két különböző módon történhet. A legegyszerűbb eset, amikor a biteket sorban egymás után egy csatornán elküldjük a vevőnek. Ezt az átviteli módot nevezik soros adatátvitelnek. A másik lehetőség, hogy az adó és a vevő között annyi vonalat alakítunk ki, amennyi bitet egyszerre át szeretnénk vinni. Ebben az esetben tehát bitcsoportok átviteléről van szó. Ezt az adatátviteli módot párhuzamos adatátvitelnek nevezik. Természetesen mindkét módszernek van előnye és hátránya egyaránt. E soros átvitel kialakítása olcsó, mivel kevés számú kapcsolódásra van szükség, de ezzel együtt az átvitel sebessége a párhuzamos átvitelhez képest lényegesen kisebb. A soros kapcsolattal nagyobb távolság hidalható át, mint a párhuzamossal. Azt, hogy melyik módszert alkalmazzák, egyértelműen a feladat dönti el. Általában mikroszámítógépek belső áramköreinek az összekapcsolására párhuzamos módot választanak a kis távolságok és a nagy átviteli sebesség miatt. A külső eszközök összekapcsolása a számítógépekkel már mindkét módszer szerint történhet (például az egér soros, a nyomtató viszont párhuzamos átvitelt használ).

Nagyon fontos a digitális eszközöknél, hogy az információt akkor vegyék, amikor ténylegesen az van a csatornán (a másodikként kiadott bitet a vevő is másodikként értelmezze). Elmondható, hogy az átvitel során a bitek továbbítása legtöbbször sorban történik. Mindkét átviteli mód esetében nagyon fontos az adó és a vevő egyidejű működésének (szinkronizáció) a biztosítása. A gyakorlatban kétféle módszert használunk, az egyik a szinkron, a másik pedig az aszinkron adatátvitel.

A szinkron átvitelnél a bitek kezdete, közepe és a vége csak egy megadott alapidőtartam egész számú többszörösére helyezkedhetnek el egymástól. Ebből is látható, hogy ebben az esetben a bitek nagyon szigorúan meghatározott sorrendben követik egymást, a bitek kezdete és hosszúsága is pontosan meg van határozva. A szinkronizációt speciális bitcsoportokkal valósítják meg, amelyek a tényleges információt előzik meg. A szinkron bitcsoport általában a legtöbb átmenetet tartalmazó csoport (1010101010101010) amelynek ideje alatt a vevő képes a saját működésének az ütemezését beállítani.

Az aszinkron átvitel tipikus karakterátviteli módszer, azonban még a mai napig is használják nap, mint nap (egér). Általában ezt a módszert a soros átvitelnél használják. Az aszinkron soros átvitel nagyon elterjedt a mikroszámítógépek terén, számos speciális áramkört alakítottak ki az átvitel megvalósításának egyszerűbbé tételére. A gyakorlatban a PC-s technikában az RS-232C (CCITT V.24), az ipari környezetben pedig az RS-485 interfészt használják.

Az analóg átvitel

Az analóg jelek időben folyamatosan változnak. Általában elmondhatjuk róluk, hogy periodikusak, azaz bizonyos időközönként ismétlődnek. Nagyon fontos, hogy a nagyságuk (amplitúdó) két szélső határ között bármilyen értéket felvehetnek. Az ilyen jeleknek három tulajdonsága van, amely adatátvitelre felhasználható.

Frekvenciája, vagy periódusideje: az az időtartam, amely elteltével a jel megismétlődik.

Amplitúdója: az analóg jel nagyságát határozza meg. Az analóg jelek amplitúdója tetszőleges értéket felvehet két határérték között.

Fázisszöge: annak az időnek az értéke, amikor az analóg jel amplitúdója 0. Az analóg jelek kezelése meglehetősen bonyolult. A fenti felsorolásban látható, hogy a jellemzők meglehetősen széles tartományban mozoghatnak. Meg kell oldani, hogy az információt képesek legyenek továbbítani. A számítógépek digitális jelekkel dolgoznak, ezeket kell analóg úton továbbítani a másik számítógéphez. A megoldás az analóg jel valamely jellemzőjének a megváltoztatása a digitális információnak megfelelően. Ezt a műveletet nevezzük modulációnak. A vevő oldalon értelemszerűen vissza kell alakítani a digitális információt. Ez a folyamat a demoduláció.

A digitális jelek kódolása

Bitcsoportok kódolása

A digitális átvitel során a logikai biteket valamilyen módon ábrázolnunk kell. A legegyszerűbb ábrázolásnál a két szintnek két feszültségértéket feleltetünk meg. Ettől eltérő kódolási eljárások is ismertek.

Jelátalakítás hardver eszközei: Modem

Ajánlott irodalmak modulja

Gerencsér András: Elektronikus kommunikáció [1]

Informatikai kifejezések lexikona [2]