Det fysiske laget

[ Referansemodeller ] [ Det fysiske laget ] [ Datalinje-laget ]

Computer-nettverk

2. Det fysiske laget

2.1 En kanals maksimale data-rate

2.1.1 Nyquists teorem

Hvis et signal sendes gjennom et filter med båndbredden H, kan det filtrerte signalet bli fullstendig rekonstruert ved å sample nøyaktig 2H ganger i sekundet. Hvis signalet består av V diskrete nivåer er
maksimal data-rate = 2H log(2) V bits / sec
(For en kjapp oppfriskning av logaritmer, se Algoritmer og datastrukturer 1.4.)

2.1.2 Shannons informasjonsteori

Shannon utvidet arbeidet til Nyquist med det tilfellet der kanalen er påvirket av tilfeldig (termodynamisk) støy. Forholdet mellom signal og støy kalles "signal-to-noise ratio", S / N. Vanligvis er det ikke selve forholdet som blir oppgitt, men:
10 log(10) S / N, som måles i decibel (dB).
S / N = 10 gir 10 dB
S / N = 100 gir 20 dB
S / N = 1000 gir 30 dB, osv ...
maksimal data-rate = H log(2) (1 + S/N) bits / sec

(Shannons papirer har blitt trykket opp igjen av IEEE.)

2.2 Muliplexing

2.2.1 Time Division Multiplexing

Brukes kun for digitale data (i motsetning til Frequency Division Multiplexing og Wavelength Division Multiplexing).

2.2.1.1 Konvertering fra analog- til digitallyd: Pulse Code Modulation (PCM)

Analoge signaler blir konvertert av en codec (coder-decoder), som i telefonsystemet tar 8000 samples i sekundet (125 mikrosekund / sample), fordi Nyquists teorem sier at dette er tilstrekkelig for å få med seg all informasjon som er i 4 kHz.

2.2.1.1.1 Differensiell PCM

Diferensiell PCM er en metode for å redusere antall bits som trengs per kanal. DPCM sender ikke ut den digitaliserte amplityden, men forskjellen mellom den nåværende verdien og den forrige. Dette er mulig fordi man kan gå utifra at signalet forandrer seg forholdsvis sakte, og at mye av den informajonen som overføres i vanlig PCM (7-8 bits) defor er redundant (overflødig). Hvis signalet av og til hopper villt, kan det kreves flere sampling-perioder før logikken klarer å få signalet tilbake på sporet. For tale kan dette ignoreres.

En variant av DPCM kalles Delta Modulation. Bare 1 bit blir overført, og denne forteller om samplen er under eller over den forrige. Ved å ekstrapolere de forrige verdiene kan man forbedre delta modulation. På denne måten kan man prøve å forutsi den neste verdien og så sende forskjellen mellom den beregnede verdien og den faktiske. Dette krever selvfølgelig at sender og mottaker må ha samme algoritme for å forutsi verdier.

Adaptive Delta Modulation ble utviklet ved Dolby-laboratoriene. ADM overkommer problemer med raske skifter i input-strømmen ved å tilpasse størrelsen på stegene (variable step size and variable pre-emphasis. -McCormac). Ved encoderen blir signalet hele tiden overvåket, slik at man kan velge best mulig step size og pre-emphasis. Forenklet diagram og forklaring.