2 Digital informasjonsoverføring med ulike frekvenser

Erling Skaar (ikke ferdig)

Utgangspunktet for dette skrivet var en generell utilfredshet ved ikke å forstå hovedfunksjoner og hovedprinsippene i elektronisk utstyr jeg brukte til daglig. Bakgrunnen for å skrive ned det jeg lærte i det etterfølgende litteraturstudiet var at jeg har erfart at jeg lærer bedre og husker lengere det jeg selv også har prøvd å videreformidle til andre. Jeg håper videre at det jeg her har skrevet og tegnet kan være til nytte for andre. Selv opplever jeg at jeg har lært mye nyttig gjennom gratis internettsider, og disse artiklene er da ment å være mitt bidrag tilbake til det store ikke-kommersielle  internettfelleskapet som deler gjennom GNU-lisensen eller CC-lisensen.

Hensikten med denne artikelen er å gi en oversikt over ulike metoder for å for å utveksle informasjon som kan være nyttig som bakgrunn for å forstå såkalt moderne kommunikasjon. I denne sammenhengen spiller begrepet frekvens en sentral rolle og derfor har jeg valgt gi frekvens en sentral plass også i denne andre artikkelen. Frekvens er definert som antall pr tidsenhet (#/s) og det antallet det er snakk om er vanligvis såkalte bit i digital sammenhenger og bølgelengde i analog sammenheng.  Se ellers første artikkel: 1 Analog informasjonsoverføring med ulike frekvenser som er ment å bære en bakgrunn fro å forstå det som følger her.

Digital informasjonsoverføring i en datamaskin

En datamaskin er laget for å behandle ulike typer informasjon. Erfaringer har da vist at det er enklest for en maskin og behandle såkalt binær digital informasjon som da i praksis består av to signal: 1 (spenning) og 0 (ikke spenning). De ulike delene av datamaskinen er da sammenkoblet med ledninger (flere ledninger sammen kalles buss). Måten informasjonsutvekslingen foregår internt i maskinen er da at en enhet (CPU, RAM, IO-enheten, HD-driveren ol) legger en spenning (f.eks. 5V) på en leder (=sender et signal) og andre enheter vil da kunne oppdage dette via lederen (=lese signalet). I denne sammenhengen er det viktig at sender-enhet og mottaker-enhet er samkjørt i tid. Mottaker-enheten må altså vite når det er lagt et signal på en leder som den kan lese. For å synkronisere slik kommunikasjon har alle datamaskiner en klokke eller pulsgenerator som sender ut signal til alle enhetene i datamaskinen. Denne gir da signaler til senderenheter om når de kan legge ut informasjon (en ny bit hver gang de mottar en puls fra klokka) og til mottakerenhetene om når de kan hente ut informasjonen (en ny bit hver gang de mottar en puls fra klokka)

Klokkefrekvensen til en datamaskin er da i praksis frekvensen på de pulsene som CPU'n (kjernen i datamaskinen) arbeider etter når den flytter rundt på data. En klokkefrekvens på f.eks. 1GHz betyr da at prosessoren i teorien kan sende 1 000 000 000 bit på et sekund på en leder. I praksis er det vel snakk om halvdelen siden andre enheter må få tid til å lese det som legges på databussen. Til vanlig består et tegn av 8 bit (8 bit = 1 byte) og det betyr da at CPU'n kan sende ca 2 000 000 byte eller tegn pr sekund på en linje.   I  praksis er det uhensiktsmessig å sende bit som hører sammen i en byte etterhverandre på denne måten internt i en datamaskin. I de første datamaskinen sendte man da data på 8 parallelle ledere og det betydde at man kunne sende et tegn (byte) 8 ganger fortere enn om man sendte tegnet på en leder. Siden har man økt antall parallelle ledere i vanlige databusser til 16, 32 og 64 (ulik bredde ulike steder i en datamaskin) og det betyr at man på en buss med 32 ledere kan sende 32 ganger så mange bit pr sekund i forhold til om man hadde en leder. Generelt kan man da si at en datamaskin kan få økt hastighet både ved å øke klokkefrekvensen og ved å øke antall ledere i de lokale databussene.

Her er det den eksterne dataoverføringen mellom PC-er eller annet utstyr som er hovedtema og derfor vil vi ikke bruke mye tid på intern kommunikasjon i en PC. Det er imidlertid verd å merke seg at interne overføringshastigheter mellom de ulike delene i datamaskinen må være betraktelig større enn overrføringshastighetene til og fra den samme datamaskinen. Hovedårsaken er da at det å kontrollere data og behandle data er mer krevende enn å bare overføre data. Om datamaskinen ikke klarer å ferdigbehandle og lagre dataene fortere enn den får data inn, så vil man få en såkalt overflow hvor data går tapt. Til vanlig er det da dataoverføringen mellom datamaskiner og ikke databehandlingene i datamaskinene som er flaskehalsen. Årsaken til dette er da at denne overføringen til vanlig skjer på en leder (egentlig to ledninger hvorav vi kan kalle den ene for jord). Skal man f.eks. sende informasjon mellom datamaskiner som er plassert på ulike steder , bruker man til vanlig det linjenettet som televerket har bygget opp, og i dette er det da snakk om to ledninger pr bruker. Dette gjelder da også for såkalt breband (ADSL og TV-kabelsystemer). I noen tilfeller vil mange PC-er del de samme to ledningene, og i noen tilfeller vil de ha to ledninger for seg selv, men i alle tilfellene så må datamaskinen modulere og demodulere signaler som da må sendes i serie på en linje. Her vil vi bare understreke at en slik demodulering og modulering krever interne hastigheter i de aktuelle kortene og i datamaskinen som langt overskrider de hastighetene som data overføres mellom datamaskinene. Om så noen lurer på hvordan en datamaskin klarer å styre et  nettverkskort eller modem og behandle data fra disse samtidig som den gjør mye annet, så er da den viktigste forklaringen at datamaskinen jobber mye raskere enn nettverkskortet. Den får kanskje tid til å gjøre ti andre ting mellom hver gang den trenger å kontakte nettverkskortet for å hente ut eller legge inn en byte til dette.

Paralellkommunikasjon via skriverporten
Som nevnt ovenfor vil kommunikasjonen internt i datamaskinen skje på flere parallelle ledere. Dette kalles parallell-kommunikasjon. På datamaskiner finnes det vanligvis en såkalt parallellport eller skriverport. Denne virker da etter samme prinsippet. I en skriverkabel er det da 8 ledere som overfører data i tillegg til diverse ledere som sender ulike kontrollsignal. Et av disse kontrollsignalene er da nettopp et klokkesignal fra datamaskinen som sier fra når en ny byte (tegn) er lagt på kabelen og kan leses av skriveren. Denne formenn for kommunikasjon går relativt fort, men siden det er dyrt med kabel med mange ledere og siden slike raske svingninger i spenning som disse signalene representerer, ikke har så lang rekkevidde, så er paralellporten lite brukt i dag (bortsett fra utskrift til skriver) . Det er da selve utskriftprosessen som er flaskehalsen når det gjelder skriving til papir, og derfor kan man like gjerne bruke en vanlig serieport eller en USB-port for dataoverføring til skriveren.

Seriekomunikasjon via de andre portene 
Om ulike datamaskiner og annet utstyr skal kommunisere med hverandre er man i praksis henvist til å bruke seriekommunikasjon og her vil vi da først gi en generell innføring i hva slags prinsipp som gjelder for slik kommunikasjon. Informasjonen er da henvist til en linje (to ledere) og det er da vanligvis ikke mulige å sende med noen klokkepulser som forteller mottakeren når sendere legger ut dataene. Det betyr i praksis at både sender og mottaker må ha hver sin klokke som blir synkronisert i starten av hver datapakke slik at  mottaketen henter hver bit fra linja like fort som senderen legger dem inn.  

Den meste av informasjonen som går ut og inn av en datamaskin er en eller annen form for seriekommunikasjon. Det vil da si at de ulike bit-ene som signalet er oppbygd av kommer etter hverandre på en leder. Når det f.eks. gjelder tastatur og mus så er det også snakk om seriekommunikasjon selv om det ikke er snakk om to likeverdige parter som i eksemplet til høyre. Eksempelet til høyre passer da best som illustrasjon for den kommunikasjonen som foregår via serieporten (til modem ol.) eller via nettverkskort til andre datamaskiner.

For å få en følelse med hvor fort den aktuelle kommunikasjonen skjer, kan vi tenke oss vanlig tekst med skrifttype som på denne siden. En side med bare tekst vil da oppta ca 5kB (B=byte=8 bit) eller 5 100 tegn. De første modemene hadde en hastighet på 300baud=300bps (bit pr sekund) som gir ca 30 tegn i sekundet (Merk at vi her bruker stor B om byte og liten b om bit). Det er omtrent så fort som vi klarer å lese en tekst og det betyr da at det var mulig å lese tekst like fort som den ble skrevet ut på skjerm eller skriver. Det betyr at modemet ville trenge ca 3 sekund på å skrive ut en linje.

(figur)De raskeste modemene man har i dag er på 56kbps og det svarer da til ca 5600 byte/tegn pr sekund. Det vil med andre ord si at et slikt modem kan overføre ca 1 tekstside pr sekund.

I dag er det vanlig med nettverkskort som har en frekvens på 100MHz og om vi antar at disse kan sende 100 M bit pr sekund, så svarer dette til ca 10 MB pr sekund. Om en tekstside svarer til 5kB så betyr det at et eternett i teorien kan overføre  10 000/5 = 2000 sider på ett sekund. I praksis vil maksimal hastighet være mye mindre, men disse tallene forteller da noe om hvor rask seriekommunikasjonen kan være i ulike tilfeller.

Toveis-kommunikasjon
Når det gjelder kommunikasjon mellom ulike datamaskiner er det vanligvis et ønske om å kunne kommunisere to veier, og i de fleste tilfellene må dette skje på samme linje. Unntaket her er da seriekommunikasjon mellom serieporten på en datamaskin og f.eks. et  modem, samt mellom nettverkskortet i en datamaskin og noen koblingsbokser for eternett. I disse tilfellene er det da en linje ut og en linje inn i datamaskinen, men i begge tilfellene må den aktuelle informasjonen før eller senere in i et medium hvor det er snakk om å kommunisere to eller flere veger. Derfor er det da nødvendig med rutiner som sikrer at ikke de ulike datamaskinen "prater i munnen på hverandre". Dette skjer da ved hjelp av bestemte signal og regler som alle som er koblet til nettet må følge. Vi skal komme tilbake til hvordan såkalte protokoller kan styre datatrafikken på ulike linjer. Her vil vi da bare først si at det alltid er snakk om å dele informasjonen opp i pakker. I eksempelet ovenfor består hver pakke av 10 bit (en startbit, og en stoppbit i tillegg til en byte). Generelt er det nødvendig å sende noe informasjon om selve pakken  i selve pakken. I praksis har det da vist seg at det er hensiktsmessig å operere med større pakker enn det som er  vist i animasjonen ovenfor i nettverk som ikke er avhengig av modem. I stedet for at en pakke består av ca ett tegn slik som vist ovenfor, så vil den i et vanlig eternett kanskje bestå av 1000 tegn (1kB) i tillegg til diverse kontrollonformasjon. Nå man på denne måten samler informasjon i større pakker vil kommunikasjonen gå raskere enn om man sendte ett og ett tegn. Det vil da bli små eller store pauser mellom de ulike pakkene og det er da i denne pausetiden at maskinene skifter på å sende og motta informasjon.

Hvordan overføre digitale signal over vanlige telefonkabler?

Telefonlinjene våre var opprinnelig tiltenkt å overføre analoge signal med frekvenser mellom 300Hz og 3400 Hz og dette er da nok til å overføre vanlig tale på en forståelig måte. Båndbredden (bandwidth) for analoge signal er da avstanden mellom høyeste og laveste frekvens og vi sier da at båndbredden til en vanlig telefon er 3kHz. Til sammenlikning vil Hi-Fi frekvenser variere mellom 50Hz og 15000Hz og ha en båndbredde på 15kHz (ECSp6). Et TV-bilder  på sin side har da en båndbredde omkring 5MHz. Disse tallene forteller da at det ikke er mulig å overføre hverken musikk med Hi-Fi-lyd eller TV bilder direkte på en telefonlinje. Likevel er det mulig å overføre både lyd og bilder med høy kvalitet på dagens telefonlinjer via modem, ISDN og bredband(ADSL). I praksis overføre man i dag musikk og radioprogram via modem og ISDN, mens vi også kan overføre videobilder via ADSL i sanntid. Vi kan med andre ord høre eller se informasjon tilnærmet samtidig som det sendes via en de to telefinledningene som knytter mange husstander til televerket. Hvordan er så dette mulig? I prinsippet er det to teknikker som ligger bak. Disse er digitalisering og digital komprimering.

Før vi går videre med å se på ulike teknikker som brukes i forbindelse med omdanning av signaler mellom analog og digital form, kan det være nyttig å se på noen eksempler som viser hva som skjer man blander dem på en telefonlinje. Nederst på figuren til venstre vises tre toner som alle kan overføres på en vanlig telefonlinje. Figuren gir da rett størrelsforhold mellom bølgelengdene og figuren viser da at bølgelengden til de mørkeste tonene (300Hz) er i størrelsorden 10 ganger lenger enn de lyseste tonene (3000Hz). Det betyr samtidig at de lyseste tonene svinger 10 ganger så hurtig som de mørkeste tonene.

Om vi så blander to eller flere toner vil vi få en sum som skissert på samme figuren lenger oppe. De vanlige lydene vi omgir oss med er da ikke rene harmoniske toner slik som de tre nederste, men sammensatte lyder som likner mer på den øverste kurven. Både ørene våre og ulik elektronikk vil da kunne skille de ulike frekvenesene i det øverste tilfellet fra hverandre. Det å kunne isolere ut bestemte frekvenser fra et sammensatt analogt signal er da en av de egenskapene som finnes i et modem.

Hvordan virker et modem?

Men før vi ser nærmere på moderne overføringer av digitale signaler via telenettet, så vil vi se litt nærmere på en annen metode for å øke bandbredden på en telefonkabel, nemlig ved bruk av modem. Selve ordet modem er sammensatt av modulering og demodulering og det er da i denne sammenhengen underforstått at man starter med digitale signal på serieform som omdannes eller moduleres til analoge signal på telefonlinjen og så tilbake til et digitalt signal i andre enden. Et digitalt signal består vanligvis av 1 og 0 (spenning og ikke-spenning) og når vi skal omforme disse til analoge strømsignal som kan forflytte seg via en telefonlinje, så har man i prinsippet 3 ulike måter å gjøre det på. Disse er frekvensmodulasjon, amplitudemodulasjon og fasemodulasjon.

Frekvensmodulasjon:
De første modemene som ble solgt til vanlige husstander i Norge ble kalt "folkemodemet". Disse var frekvensmodulert slik som figuren til høyre antyder. Modemet kunne da sende og motta to ulike frekvenser hvor frekvensen 1270 betydde 1 og 1070 betydde 0. Om man så stilte klokkene i datamaskinene slik at det ble sendt 300bit pr sekund og lest fra linja med tilsvarende frekvens fikk man en overføringshastighet på 300bps. Modemet ved sendermaskinen omformet da 1 til en frekvens på 1270Hz og 0 til en frekvens på 1070Hz som så ble sendt ut på linja. Modemet i andre enden av telefonlinjen omformet så disse to frekvensene til 1 og 0 som så ble overført til mottakermaskinen.

Siden en vanlig telefonlinje kan overføre mer enn to frekvenser, fant man raskt ut at det var mulig å øke overføringshastigheten ved å slå sammen bit i grupper av 2 eller 3 slik som vist lenger nede på samme figuren. Om man f.eks. slår sammen 2 bit så vil man få 4 ulike muligheter og dermed trenger man 4 ulike frekvenser. Om man fortsatt skiftet til neste signal 300 ganger pr sekund, så betydde det at man fikk en overføringshastighet på 600bps. Det er med andre ord mulig å øke antall bps ved å øke antall ulike frekvenser, men det er da grenser for hvor mange frekvenser modemer kan skille mellom på en linje med båndbredde 3000Hz.

Amplitudemodulasjon.:
I tillegg til å endre frekvensen til et analogt signal, er det også mulig å ender amplituden slik som figuren til venstre viser. På figuren vises det da to ulike amplituder som da betyr henholdsvis 1 og 0. Her som i forrige tilfellet er det da også mulig å slå flere bit sammen og da operere med flere amplituder. Om man f.eks. slår sammen 3 bit så betyr det at modemene må kunne skille mellom 8 ulike amplituder. Om vi så fortsatt skifter frekvens 300 ganger pr sekund betyr det at vi kan få en overføringshastighet på 300·2·2=1200bps ved å skille mellom 8 ulike amplituder.

Fasemodulasjon:
Den tredje modulasjonstypen kalles fasemodulasjon og den er vist på figuren til høyre. Siden en vanlig bølge (sinusbølge) gjentar seg selv etter en viss tid (en periode) er det vanlig å sammenlikne bølgen med en sirkelbevegelse hvor det også er snakk om at ting gjentar seg. I en sirkelbevegelse er en periode lik en runde.  En sirkel er sammensatt av 360 grader og om vi bruker den samme betegnelsen på en bølge vil en bølgelengde svare til 360 grader. Fasemodulasjon innebærer da at sendermodemet gjør plutselige "fasehopp". På den øverste figuren vises da hva som skjer ved et hopp på 180 grader. Alternativet er da at det ikke skjer noe fasehopp og om vi fortsatt tenker oss at en lesefrekvens på 300 Hz, så betyr det at mottakermodemet enten kan obserbvere en faseendring fra forrige lesing (tolkes som 1) eller ikke en faseendring fra forrige lesing (tolkes som 0). I praktiske modem er det mer vanlig å operere med 4 mulige "fasehopp", nemlig 0 grader, 90 grader, 180 grader og 270 grader slik figuren under antyder. Det betyr at hvert fasehopp gir 2 bit.  

Siden amplitude,  frekvens og fase i prinsippet er uavhengige størrelser er det mulig å kombinere disse parametrene og overføre ulike bit ved hjelp av disse tre modulasjonsmetodene samtidig. Dagens modem med hastigheter på 14,4kbs, 28,8kbs og 33,6kbs er da basert på en kombinasjon av fasemodulering og amplitudemodulering. Denne modulasjonstypen kalles QAM (= Quadrature Amplitude Modulation). Generelt er det grense for hvor mye man kan overføre på en vanlig telefonlinje om den øvre frekvensgrensen er 3400Hz. En analog frekvensgrense omkring 3kHz betyr at man maksimalt ville kunne få overført i størrelsorden 4000bps (=2·2000Hz) om vi prøvde å kjøre digitale signal direkte ut på telefonlinjen. Figuren til venstre viser at man trenger en frekvens på 3000 for å kunne overføre tilnærmede firkantsignal med en frekvens omkring 2000 Hz. Siden en bølgelengde svarer til 2 bit vil bitraten da bli 4000bps.  Om man i stedet omdanner de digitale signalene til ulike typer analoge signal hvor man kombinerer ulike modulasjonsteknikker så har man da klart å øke overføringshastigheten med en faktor omkring 10. Om man hadde villet hadde det nok vært mulig å øke overføringshastigheten ytterligere ved hjelp av de modulasjonsteknikkene som er nevnt her. Når man ikke har gjort det, så er nok hovedårsaken at det finnes andre teknikker som kan gi mye høyere overføringshastigheter enn det som er mulig ved hjelp av vanlige analoge teknikker. Vi skal komme tilbake til disse, men først vil vi nevne de såklate 56k-modemene.

56kModem
Etter at televerket har digitalisert sentralene sine er det bare linjen mellom brukeren og nærmeste sentral som overfører analoge signaler. Det betyr i praksis at det på den nærmeste sentralen finnes en omformer som omformer analoge signal fra den analoge telefonen/eller modemet til digitale signal (sampling) og en omformer som overfører digitale signal (fra telenettet) til analoge signal som den analoge telefonen eller modemet kan forstå.

For å kunne sample de analoge signalene som går gjennom telefonlinjen og kunne gjenskape dem på en akseptabel måte i andre enden, så må man da ha en samplingsfrekvens som er ca dobbelt av båndbredden(CSACp322). Televerket har i denne sammenhengen valgt en samplingsfrekvens på 8kHz (8000 samplinger pr sekund). Dette er da noe mer enn det dobbelte av 3kHz. De aktuelle verdiene lagres så i byte på 8 bit. Det vil si 256 ulike nivå. For å gi et visuelt bilde av hva en slik sampling innebærer og hva antall nivå betyr, har vi vist tre like kurver til høyre. Disse kurvene kan f.eks. være en del av en lydbølge som overføres via telefonen. Hvert rødt punkt på kurven svare da til en sampling og pilene peker da på tilhørende digitale verdiene. I det første tilfellet lagres hver sampling i en bit og det gir bare to ulike nivå. Dette er uaktuelt når det gjelder lyd, men det er mulig å lager bildepunkt på den måten. Et bilde hvor hvert punkt er lagret i en bit er da vist under. Om man derimot lagre hver sampling i 4 bit vil man få 16 ulike nivå som bilde eller lyd skal gjenskapes fra. Bildet under viser da et bilde som er oppbygd av 14 gråtoner + sort og hvitt. I det siste eksemplet er hver sampling lagret i en byte (8 bit) og det gir da jevne og fine overganger i bildet og også bra lyd.   

Så tilbake til 56k modem. Om det er snakk om gode forhold på den aktuelle telefonlinjen, er det i prinsippet mulig for den digitale telefonsentralen å legge 256 ulike spenninger ut på telefonlinja og på den andre sidene skulle det i prinsippet være mulig for modemet å lese av de samme 256 ulike verdier (8 bit). I praksis har man valgt å redusere antall ulike verdier til 128 (7 bit). Siden det bare er i retningen fra telefonsentralen til modemet at man har behov for en overføringshastighet på 56kbps så betyr det i praksis at telefonsentralen 8000 ganger pr sekund legger ut en av 128 ulike mulige spenninger på linjen (svarer til 7 bit) og modemet vil da "plukke" disse spenningene opp igjen i den andre enden og omgjøre dem til digitale verdier (8k pr sekund·7bit=56kbps). Denne modulasjonsmetoden kalles PCM (=PulseCodeModulation). Om det er snakk om en dårlig telefonlinje  vil da et slikt modem velge en annen modulasjonsmetode med lavere overføringshastighet. Ellers vil alltid overføringshastigheten den andre vegen være av en type med lavere overføringshastighet.  

Hvilke frekvensgrenser finnes egentlig på ei telefonlinje?

Som nevnt tidligere er øvre frekvensgrensen for vanlige signaloverføring på en telefonline ca 3kHz. De aktuelle signalene som sendes over denne linjen består da av vekselstrømmer gjennom lederne, og generelt kan vi si at det er en slags treghet (impedans) i ledninger og tilkoblet utstyr som setter disse grensene. Men denne grensen gjelder da ikke om man utnytter ledningen på en anne måte. I stedet for at man sender strøm gjennom ledningene så er det mulig å variere spenningene mellom ledningene. I dette tilfellet settes det opp et elektrisk felt mellom lederne som i hovedsak befinner seg mellom lederne og de aktuelle endringene vil da bevege seg som elektromagnetiske bølger langs lederne i lengderetningen. Ofte sier man at lederne er en "waveguide" som kan overføre et vidt spektrum av ulike frekvenser. I praksis betyr det at også firkantpulser eller digitale signal kan overføres. Det er da ikke en øvre frekvens som er den viktigste begrensningen, men dempningen eller tapet i lederne samt reflekser som oppstår på steder hvor det finnes brå forandringer i kabelens beskaffenhet (bøyer eller andre skader).

Hvordan virker ISDN?

ISDN betyr Integrated Services Digital Network

Hvordan virker ADSL (Bredband)

 ADSL betyr Asymmetric Digital Subscriber line

Hvordan virker eternet

 (mer planlagt)