Úvod
V oblasti počítačových komunikací občas dochází k různým nedorozuměním, zklamáním a nenaplněným očekáváním, která mají jednu společnou příčinu: nepochopení zákonitostí, určujících možnosti a limity datových přenosů. Tedy například nepochopení toho, jak dostupná šířka přenosového pásma souvisí se schopností přenášet data, či nedocenění rozdílu mezi nominální přenosovou rychlostí a skutečným přenosovým výkonem apod. A právě o takovýchto věcech bude dnes začínající modul.
Problematika datových přenosů je do značné míry technickou záležitostí, vyžadující nemalé znalosti různých vědních disciplín, od obecné fyziky, přes elektrotechniku, až třeba po základy teorie informace. V tomto modulu nám však půjde spíše o určitý nadhled, který třeba nedokáže poskytnout exaktní zdůvodnění určité skutečnosti či její vyčerpávající a formálně přesný popis, ale na druhé straně může poskytnout „povědomí" o tom, že určité věci vzájemně souvisí, vzájemně se ovlivňují, a když v některé z nich dojde k určité změně, projeví se to takovým a takovým způsobem na místě jiném. Při budování takovéhoto „nadhledu" nám samozřejmě půjde i o seznámení s hranicemi a limity, které ve světě datových přenosů existují. Například s tím, že když mám k dispozici běžnou komutovanou telefonní linku, mohu z ní „vyždímat" maximálně kolem 30 kilobitů za sekundu, ale více rozhodně ne. Nebo že když klasický Ethernet „běhá" na 10 megabitech za sekundu, neznamená to že například za jednu minutu dokáže přenést 60 x 10 megabitů, alias 75 megabytů užitečných dat (ale pouze o dost méně).
Také si řekneme, co doopravdy znamená digitální a analogový přenos, jaký je skutečný rozdíl mezi nimi, a proč se dnes tak mohutně přechází z „analogového" na „digitální". Pak si naznačíme i to, jaké jsou základní vlastnosti drátových i bezdrátových přenosových cest, jaké přenosové rychlosti je možné na nich dosahovat, a jaké další vlastnosti vyplývají z jejich samotné podstaty. Nejprve se ale musíme seznámit s několika velmi zásadními fakty.
Nic není dokonalé
Klíčem k pochopení mnoha důležitých skutečností je připuštění faktu, že nic není dokonalé. Platí to nejen pro lidi, ale i pro všechny přenosové cesty, které jsou k dispozici a připadají v úvahu pro přenos dat. Každá z nich totiž nějakým způsobem ovlivňuje to, co se po ní přenáší - tedy každý signál, který může být reprezentován například úrovní napětí, velikostí proudu, přítomností světla apod. Každý takovýto signál je při přenosu po přenosové cestě nějakým způsobem zkreslen, deformován či jinak změněn, a otázkou je pouze to, jaká je míra těchto změn a jak významná je výsledná deformace signálu. Ukažme si to na příkladu drátové přenosové cesty a signálu elektrické povahy, reprezentovaného například napětím (viz též obrázek):
pokud bychom na chvíli připustili, že existuje ideální přenosová cesta (která žádným způsobem neovlivňuje přenášený signál), a na její vstup přivedli signál ideálního obdélníkového průběhu, pak bychom na výstupu mohli „odebírat" signál přesně stejného průběhu („tvaru" i „velikosti") . Ve skutečnosti ale každá drátová přenosová cesta klade přenášenému el. signálu určitý odpor, který sice nedeformuje průběh (tvar) signálu, ale zmenšuje jeho amplitudu („velikost", viz prostřední část obrázku, vliv odporu R). Současně s tím se ale každá přenosová cesta chová i jako kapacita a indukčnost (v zapojení dle spodní části obrázku), a jako taková zase působí na přenášený signál jiným způsobem - možná si ještě vzpomenete na poučky ze středoškolské fyziky, že kapacita i indukčnost působí proti změnám přenášeného signálu, v tom smyslu že se snaží je „zahladit" (kompenzovat) jejich momentální účinek. To u našeho obdélníkového impulsu znamená, že kapacita a indukčnost bude zaoblovat hrany (viz spodní část obrázku), a místo ideálního obdélníkového průběhu dostaneme na výstupu signál „pozvolnější" a „kulatější".
Konkrétní míra zaoblení (zkreslení) i zmenšení amplitudy (tzv. útlumu) samozřejmě závisí na tom, jak dalece (resp. do jaké míry) se daná přenosová cesta chová jako kapacita i indukčnost, a jaký odpor klade přenášenému signálu. Obecně to samozřejmě závisí na druhu a provedení konkrétní přenosové cesty (například kroucená dvoulinka, alias twist, má jiné obvodové vlastnosti než třeba koaxiální kabel). Kromě toho ale míra útlumu a zkreslení závisí i na délce přenosové cesty, a to většinou přímo úměrně - čím delší je přenosová cesta, tím více je přenášený signál utlumen a zkreslen různým zaoblováním hran a dalšími vlivy (o kterých jsme si ještě nepovídali). Podstatný je pak i celkový účinek zkreslení - čím pomalejší budou změny přenášeného signálu, tím menší prostor ke svému „uplatnění" budou mít zdroje zkreslení. Lze to snadno dokázat i při našem značně intuitivním pohledu: bude-li snaha přenosové cesty zaoblovat hrany stále stejně silná, pak čím širší budou „obdélníky" přenášeného signálu, tím menší celkové změny vyvolá vznikající zaoblení jejich hran. Při dostatečně širokých „obdélnících" (dostatečně pomalu se měnícím signálu) může být vliv zaoblení hran zcela zanedbatelný, a naopak při hodně úzkých „obdélnících" (rychle se měnícím signálu) může být vliv zaoblení tak velký, že na straně příjemce již nebude možné s dostatečnou přesností rozpoznat, jaký byl průběh původně vyslaného signálu.
Co je šířka pásma?
Pokusme se nyní odvodit ještě jeden velmi důležitý závěr z dnešního obrázku, konkrétně z jeho nejspodnější části. Ta nám totiž dává tušit, že díky svým reálným obvodovým vlastnostem (zejména vlivu kapacity C a indukčnosti L) budou přenosové cesty „nejlépe" (s nejmenším zkreslením) přenášet takové signály, které mají co možná nejpozvolnější změny - tedy signály již samy od sebe „zaoblené", konkrétně signály sinusového či kosinusového průběhu, charakteristické svou frekvencí (resp. periodou). Takovýmto signálům se také říká „harmonické". Jak si již příště naznačíme, lze každý alespoň trochu rozumný signál (například i náš signál obdélníkového průběhu) namodelovat (sestavit) z takovýchto dílčích harmonických složek.
Lze ale i pro takovéto harmonické signály (signály harmonického průběhu) vyslovit nějaké obecné tvrzení o tom, jak dobře či špatně je přenáší jednotlivé přenosové cesty? Samozřejmě to velmi závisí na konkrétní přenosové cestě a na frekvenci harmonických signálů, ale obecně lze vyslovit následující závěr: pro každou přenosovou cestu existuje jistá minimální frekvence fmin taková, že signály s frekvencí nižší již nemá smysl skrz tuto cestu přenášet (protože jejich „poškození" vlivem útlumu, zkreslení i dalších deformací by bylo neúnosně velké). Podobně existuje i maximální frekvence fmax taková, že signály s frekvencí vyšší již také nemá smysl přenášet.
Harmonické signály, která daná přenosová cesta přenáší s přijatelnou „kvalitou", pak musí spadat do intervalu frekvencí od fmin do fmax. Rozdíl obou frekvencí fmax - fmin, chápaný jako skalární (tj. jednorozměrná) veličina a měřený v jednotkách frekvence (Hz, Hertz) se pak označuje jako šířka přenosového pásma (anglicky: bandwidth). Vyjadřuje schopnost dané přenosové cesty přenášet harmonické signály, a ve svém důsledku předurčuje i její schopnost přenášet jakýkoli signál, včetně signálu reprezentujícího nějaká binární data. Šířka pásma je tedy velmi důležitým parametrem, určujícím schopnost dané přenosové cesty přenášet data. Ovšem jaká je konkrétní (kvantitativní) závislost mezi šířkou přenosového pásma a schopností přenášet data, to už si necháme na příště.