Transmission; analogt og digitalt

Indledning

Dette dokument indeholder oplysninger om den grundlæggende teknik for transmission. Det vil sige overførsel af signaler fra et sted til et andet. Her gennemgås både den analoge og den digitale transmissions-forbindelse.

Note: Alle forbindelser er transmissionsstrækninger!

For at skærpe læserens nysgerrighed, så vil jeg gøre opmærksom på at:
Alle elektriske forbindelser er transmissionsstrækninger!

Det gælder uanset om signalet skal overføres over en kort eller en lang afstand. En kort afstand kan f.eks. være en forbindelse på et printkort i et apparat, mens en lang afstand kan være igennem en dataforbindelse i et kabelnet.

Analog transmissions-forbindelse

I de senere år er transmission, ved hjælp af digital teknologi, blevet meget udbredt. For at forstå fordelene ved at benytte digitale signaler, så skal vi kende til de parametre, der påvirker en analog transmission.

Analog transmissions-forbindelse, påvirkende faktorer

Når signaler skal overføres igennem en forbindelse, så er transmissionen underlagt betingelserne fra nogle fysiske faktorer, som man ikke kan undgå.

Det er i princippet ikke afgørende om det er over en lang strækning eller en kort strækning. Det er de samme principper, der gælder, men jo længere strækningen er, desto mere påvirkes transmissionen af forbindelsens faktorer.

Tegningen herunder viser de enkelte dele i en analog transmissionsforbindelse, samt hvilke faktorer signalet påvirkes af under transmissionen:

Signalet bliver påvirket af mange forskellige analoge faktorer, som tilsammen kan oplistes som:

Signaldæmpning
Spændingsniveau-tab; høje frekvenser dæmpes mere end lave.
Tidsforsinkelse (absolut)
Elektriske signaler har (ligesom lys) en udbredelseshastighed eller om man vil: En vandringshastighed. Signalet er altså et stykke tid om at nå fra senderen til modtageren; høje frekvenser ankommer hurtigere end lave. Dette giver også en relativ tidsforskydning imellem høje og lave frekvenser.
Støjindkobling
Elektrisk støj, der optages på langs af forbindelsen.

Jo længere transmissionsstrækningen er, desto mere påvirkes signalet af ovenstående faktorer.

Forbindelsen har begrænset længde

Det er ikke muligt at lave "uendeligt lange" analoge transmissionsforbindelser.

Når signalet ankommer til modtageren er detaljer gået tabt. Jo længere transmissionsstrækningen er, desto mere påvirkes signalet. Signalet bliver mere og mere forvrænget, og der tilføjes flere og flere uønskede signaler i form af støj. Hvis man forstærker det svage signal op til samme niveau som ved afsenderen, så vil man samtidigt forstærke alle skaderne på signalet. Man vil med andre ord ikke være i stand til at genskabe det oprindelige signal.

Transmissionsforbindelsen kan altså blive så lang, at der ikke længere vil være et rimeligt forhold imellem den uønskede støj og nyttesignalet. Støjen vil være så kraftig, at det ikke længere vil være muligt at udrede nyttesignalet.

Digital transmissions-forbindelse

Hvis vi vil undgå nogle af ulemperne ved analog transmission, så må vi benytte digital teknologi. Det ser vi nærmere på her.

Digital transmissions-forbindelse, påvirkende faktorer

Når vi undersøger delene i en digital transmissions-forbindelseser nærmere, så vil vi opdage, at den egentlige transmission er analog: En digital transmissionsforbindelse består af en analog transmissionsstrækning, som er udstyret med et digitalt interface i begge ender, der tilpasser signalerne til det udstyr, som skal benytte forbindelsen.

Tegningen herunder viser de enkelte dele i en digital transmissionsforbindelse, samt hvilke faktorer signalet påvirkes af under transmissionen:

Signalet bliver påvirket af mange forskellige analoge faktorer, som tilsammen kan oplistes som (det er de samme som for en analog forbindelse):

Signaldæmpning
Spændingsniveau-tab; høje frekvenser dæmpes mere end lave.
Tidsforsinkelse (absolut)
Elektriske signaler har (ligesom lys) en udbredelseshastighed eller om man vil: En vandringshastighed; høje frekvenser ankommer hurtigere end lave. Dette giver også en relativ tidsforskydning imellem høje og lave frekvenser.
Støjindkobling
Elektrisk støj, der optages på langs af forbindelsen.

Når signalet ankommer til modtageren er det forvrænget, og der er tilføjet ekstra signaler i form af støj. Hvis man blot forstærker dette svage signal op til samme niveau som ved afsenderen, så vil man samtidigt forstærke alle skaderne på signalet. Derfor benyttes der en anden metode en blot forstærkning af signalet. Ved at benytte "Digital transmissions-teknologi", kan man gendanne det oprindelige signal og tilmed lave "uendeligt lange" transmissionsforbindelser (det gennemgår vi i næste afsnit).

Transmission har altid analoge betingelser

Jeg vil for en sikkerheds skyld fastslå: Digital transmission findes ikke; enhver form for transmission er analog transmission! Alle afsendte og modtagne signaler er og bliver analoge. Det der er digitalt, er den teknologi, der benyttes for at afsende og modtage signalerne.

Digital transmissions-teknologi

Her ser vi på hvordan den (fantastiske) digitale transmissionsteknologi fungerer.

Fakta om det digitale signal

Et digitalt signal:

indeholder analoge dele.
påvirkes af de samme faktorer som et analogt signal.
har nogle fordele frem for et analogt signal.

Det kommer der en forklaring på nedenfor:

Det digitale signal er også analogt

Hvis vi undersøger et simpelt digitalt signal lidt nærmere, så vil vi opdage, at når det skifter fra ingen spænding (logisk 0) til fuld spænding (logisk 1), så tager det faktisk lidt tid at skifte tilstanden. Signalet er altså ikke "rent" digitalt. Den tid som et digitalt signal er om at skifte fra 0 til 1 kaldes "stigetiden". Den kan f.eks. være 2 ns ved en frekvens på 1 MHz.

Tegningen herunder viser et eksempel på stigetiden for et digitalt signal.

Stigetiden skal være så lille, set i forholdet til pulstiden, at den ikke misformer det digitale signal væsentligt. Det digitale signal er altså også analogt, og det påvirkes af de samme faktorer som det analoge signal.

Perfekte digitale signaler findes ikke, men tilnærmelsesvis digitale signaler, - de findes, og det kan vi udnytte i en digital transmissions-forbindelse.

Forskellen på et analogt og et digitalt signal

Et analogt signal (f.eks. tale) indeholder mange forskellige frekvenser, som bevirker at signalet er sammensat af mange niveauskift med mange forskellige stigetider. Disse blandede signal-dele vil dæmpes og forvrænges på hver sin måde, når de transmitteres igennem en forbindelse; nogle detaljer vil være helt væk, når signalet ankommer til modtageren. Ydermere kan der opstå uønskede spændinger fra elektrisk støj langs forbindelsen, som det ikke vil være muligt at skelne fra nyttesignalet. Det vil ikke være muligt at genskabe det oprindelige signal. Derimod er det digitale signal af en helt anden natur.

Det digitale signal er kendetegnet ved følgende, som er det stik modsatte af et analogt signal:

Signalets systematik vil være bevaret, selv om signalets kurveform er væsentligt forvrænget.

Dette skyldes at et digitalt signal indeholder:

fastlagte spændingsniveauer (0 og 1).
fastlagt kurveform (tid/spænding er fastlagt).
niveauskift med ens stigetider. Det bevirker at niveauskiftene udsættes for samme relative forvrængning igennem strækningen.
støj-spændinger uden betydning: Spændingsniveauer, som ikke passer til de fastlagte spændingsniveauer, kan betragtes som støj, og skal altså blot kasseres.

Med ovenstående viden kan vi, ved hjælp af en digital modtager, gendanne det oprindelige digitale signal.

Den digitale modtager

Med digital teknologi kan vi gendanne det oprindelige digitale signal.

Når vi ved hvordan signalet skal være udformet ved senderen, så kan vi ved modtageren aftaste det ved hjælp af digitale grænseværdier.

For at få gendannet det digitale signal ved modtageren fastsættes 2 grænseværdier: én for hvad vi vil godtage som et modtaget "0" og én for hvad vi vil godtage som et modtaget "1". Imellem disse to grænseværdier er der "ingenmandsland". Området imellem grænseværdierne kaldes hysteresen. På den måde kan man eliminere tab og forvrængning, samt elektrisk støj i en digital transmissionsforbindelse.

Tegningen herunder viser, hvordan digitale signaler gendannes.

Forvrængning og tab i en transmissionsforbindelse forøges med længden af forbindelsen. For at kunne udnytte det digitale signal, er det altså nødvendigt at begrænse længden af transmissionslinien. Hvis man skal bruge en meget lang forbindelse, vil der til sidst ikke være noget signal tilbage, men fortvivl ikke; det er der råd for: Vi skal blot bruge en eller flere regeneratorer.

Regeneratoren

Ved flere gange at gendanne det oprindelige digitale signal, inden det er forvrænget til ukendelighed, kan man overføre digitale signaler over meget store afstande uden at der opstår tab af det digitale signal. Det gøres ved at benytte en række af sendere og modtagere, som sættes sammen i én lang kæde.

Billedet herunder viser hvordan digitale signaler kan regenereres for at kunne transporteres over store afstande.

Med et passende antal regeneratorer er det altså muligt at lave "uendeligt lange" digitale transmissionsforbindelser.

Efterskrift

De grundlæggende forhold, der omtales i dette dokument, er af ret omfattende betydning, og principielt gælder de uanset om transmissionen foregår over metalliske elektriske forbindelser, via radiobølger eller lysledere. Lyslederen er dog den, der frigør sig mest af de grundlæggende forhold for transmission, idet den ikke er følsom for udefra kommende elektrisk "støj".

Uanset den meget avancerede transmissionsteknologi, der benyttes i dag og i fremtiden, så kan man ikke komme ud over disse grundlæggende fysiske forhold, men vi bliver stadig bedre til at udnytte teknikken helt ud til den fysiske grænse.