ROZDZIAŁ 4

4.1 Podstawy

elektryczności

4.1.1 Atom helu

Cała materia jest zbudowana z atomów. Układ okresowy pierwiastków zawiera wszystkie
znane typy atomów i ich właściwości. Nazwy poszczególnych części atomu to:

•

jądro atomu – centralna część atomu, złożona z protonów i neutronów

•

protony – cząsteczki o dodatnim ładunku elektrycznym, razem z neutronami tworzące
jądro atomu

•

neurony – cząsteczki obojętne elektrycznie, razem z protonami tworzące jądro atomu

•

elektrony – cząsteczki o ujemnym ładunku elektrycznym, krążące wokół jądra atomu

Żeby lepiej zrozumieć elektryczną własność cząsteczek (materiałów), trzeba znaleźć hel w
układzie okresowym. Ma on liczbę atomową równą 2, co znaczy, że ma dwa protony i dwa
elektrony. Ma ono też wagę atomową równą 4. Przez odejmowanie liczby atomu (2)

od wagi

atomu (4) można się dowiedzieć, że hel ma dwa neurony.
Przykład:
Liczba atomowa helu = 2
2

protony

+

2

elektrony

2 = liczba atomowa

2 = neurony

Duński fizyk Niels Bohr zbudował prosty model żeby zilustrować budowę atomu. Ilustracja
pokazuje model atomu helu. Zauważcie skalę poszczególnych części. Jeżeli protony i neurony
tego atomu miałyby rozmiar piłki nożnej pośrodku boiska, to jedyną rzeczą mniejszą od piłki
byłyby elektrony. Byłyby one rozmiaru wiśni i krążyłyby po najdalej położonych trybunach.
Jedyną rzeczą większą byłaby przestrzeń wewnątrz atomu, która byłaby rozmiaru boiska.

4.1.2 Tworzenie stabilnych atomów

Jedno z praw natury, nazywane Prawem Siły Elektrycznej Coulomba (Coulomb’s Electric
Force Law) stwierdza, że przeciwne ładunki przyciągają się, a podobne ładunki odpychają się.
Występująca tu siła jest pchająca lub ciągnąca. W przypadku przeciwnych oraz podobnych
ładunków, siła ta zwiększa się wraz ze zmniejszaniem odległości między nimi.
Zbadajmy model atomu helu Bohra. Jeżeli prawo Coulomba jest prawdziwe i jeżeli model
Bohra opisuje atomy helu jako stabilne wtedy muszą być inne prawa natury w pracy. Jak
mogą być one oba prawdziwe?

1. Prawo Coulomba – przeciwne ładunki przyciągają się.
2. Model Bohra – protony są dodatnimi ładunkami a elektrony ujemnymi ładunkami.

Pytanie 1: Dlaczego elektrony nie lecą w kierunku protonów?

1. Prawo Coulomba – Podobne ładunki odpychają się.

2. Model Bohra – Protony są dodatnimi ładunkami. W jądrze atomu jest więcej niż
jeden proton.

Pytanie 2: Dlaczego protony nie odlecą od siebie nawzajem?
Odpowiedź na to pytanie jest taka, że inne prawa natury muszą być rozważone. Są to
następujące odpowiedzi na powyższe pytania.
Odpowiedź 1: Elektrony zostają na orbicie, nawet wtedy kiedy są przyciągane przez protony.
Mają one wystarczającą szybkość żeby kontynuować orbitowanie, podobnie jak Księżyc
krążący wokół Ziemi, i same nie pozwalają się wciągnąć do jądra atomu.
Odpowiedź 2: Protony nie odlatują od siebie z powodu siły atomowej związanej z neuronami.
Siła jądra atomu jest tak niewiarygodnie silna, że działa jak coś w rodzaju kleju trzymającego
protony razem.
Protony i neurony są związane ze sobą przez potężną siłę; jednak elektrony są przywiązane do
swoich orbit wokół jądra przez słabszą siłę. Elektrony w pewnych atomach mogą się odrywać
od atomu i przepływać.
To jest elektryczność – „wolny przepływ elektronów”.

4.1.3 Elektryczność statyczna

Swobodne elektrony zostające w jednym miejscu bez ruchu i z ujemnym ładunkiem są
nazywane ładunkiem elektrostatycznym. Jeżeli te statyczne elektrony mają możliwość
przeskoczyć na przewodnik, może to prowadzić do wyładowania elektrostatycznego (ESD,
electrostatic discharge). Elektrostatyczne wyładowanie, zazwyczaj jest nieszkodliwe dla ludzi,
może tworzyć poważne problemy dla wrażliwego sprzętu elektrycznego chyba, że ze
stosownym układem.
Jeżeli idziesz w poprzek dywanu w zimnym i suchym pokoju iskra może przeskoczyć w
twojego koniuszka palca do następnego obiektu, którego dotkniesz. To może spowodować, że
poczujesz mały elektryczny szok. Wiesz z doświadczenia, że wyładowanie elektrostatyczne
może być niewygodne, ale jest całkiem nieszkodliwe. Jednak kiedy komputer doświadczy
wyładowania elektrostatycznego rezultat może być katastrofalny. Statyczne wyładowanie
może przypadkowo uszkodzić układy elektroniczne komputera lub zgromadzone w nim dane.

4.1.4 Prąd elektryczny, oraz izolatory, przewodniki i półprzewodniki

Atomy lub grupy atomów nazywane cząsteczkami, mogą być też nazywane materiałami.
Materiały należą do jednej z trzech grup, w zależności od tego jak łatwo elektryczność (czyli
wolne elektrony) przez nie przepływa.

Elektryczne izolatory
Elektryczne izolatory lub izolatory są materiałami, które pozwalają na przepływ między nimi
z wielką trudnością lub wcale. Przykładami elektrycznych izolatorów są: plastik, szkło,
powietrze, suche drewno, papier, guma i hel. Te materiały mają bardzo stabilną chemiczną
strukturę z krążącymi elektronami mocno związanymi w atomach.

Elektryczne przewodniki
Elektryczne przewodniki lub przewodniki są materiałami, które pozwalają elektronom
przepływać między nimi z wielką łatwością. Przepływają one prościej, ponieważ zewnętrzne
elektrony są luźno związane z jądrem i są łatwo uwalniane. W pokojowej temperaturze
materiały te mają większą liczbę wolnych elektronów, które mogą zapewnić przewodnictwo.

Wprowadzenie napięcia powoduje, że wolne elektrony poruszają się powodując przepływ
prądu.
Układ okresowy pierwiastków klasyfikuje niektóre grupy atomów przez wykaz w formie
kolumn. Atomy w kolumnach należą do poszczególnych rodzin chemicznych. Mimo, że
mogą one mieć różne liczby protonów, neuronów i elektronów, ich zewnętrzne elektrony
mają podobne orbity i zachowują się podobnie w reakcjach z innymi atomami i cząsteczkami.
Najlepszymi przewodnikami są metale, takie jak: miedź (Cu), srebro (Ag) i złoto (Au).
Wszystkie z tych metali są umieszczone w jednej kolumnie układu okresowego i mają
swobodne elektrony, które powodują, że ich cząsteczki przenoszą prąd.
Inne przewodniki to m.in. mieszanina ołowiu (Pb) i cyny (Sn) oraz woda z jonami. Jon jest
atomem, który ma więcej elektronów (lub mniej) niż neutralny atom. Ciało człowieka składa
się z około 70% wody z jonami, co znaczy że jest ono również przewodnikiem.

Elektryczne półprzewodniki
Półprzewodniki są materiałami gdzie ilość przewodzonego prądu może być dokładnie
kontrolowana. Materiały te są razem wymieniane w układzie okresowym. Przykłady to węgiel
(C), german (Ge) i stop – arsenek galu (GeAs). Najważniejszym półprzewodnikiem, z którego
zbudowane są mikroskopijnych rozmiarów układy elektroniczne, jest krzem (Si).
Krzem jest bardzo powszechny i może być znaleziony w piasku, szkle i wielu innych typach
skał. Rejon w okolicy San Jose w Kalifornii jest znany jako Dolina Krzemowa ze względu na
to, że przemysł komputerowy, który jest zależny od krzemowych układów, został
zapoczątkowany w tym rejonie.
To, czy materiały są klasyfikowane jako izolatory, przewodniki lub półprzewodniki, zależy
od wiedzy jak każdy z nich kontroluje przepływ elektronów, i jak one współpracują ze sobą w
różnych kombinacjach.

4.1.5 Terminy pomiaru elektrycznego

Są to określenia, które opisują media sieciowe.

Napięcie
Napięcie, czasem nazywane siłą elektromotoryczną (EMF), jest elektryczną siłą lub
ciśnieniem, które ma miejsce elektrony i protony są oddzielone. Siła ta jest tworzona przez
popychanie do dodatnich ładunków i z dala od ujemnych ładunków. Ten proces ma miejsce w
baterii (akumulator) gdzie chemiczne działanie powoduje, że elektrony uwalniają się z
ujemnej końcówki baterii (akumulatora) i porusza się do przeciwnej, dodatniej końcówki.
Oddzielone ładunki powodują powstawanie napięcia. Napięcie może więc być tworzone przez
tarcie (stała elektryczność), przez magnetyzm (elektryczny generator) lub przez światło
(słoneczne ogniwo).
Napięcie reprezentowane przez literę „V” a czasem przez literę „E” dla elektromotorycznej
siły. Jednostką pomiaru dla napięcia jest volt (V) i jest definiowane jako ilość z pracy na
jednostkę ładunku potrzebnej do oddzielenia ładunków.

Prąd
Prąd elektryczny albo prąd jest strumieniem ładunków, który jest tworzony kiedy elektrony
poruszają się. W obwodzie elektrycznym prąd jest spowodowany przepływem wolnych
elektronów. Kiedy napięcie (elektryczne ciśnienie) jest przyłożone i jest wolna droga dla
prądu, elektrony przechodzą z ujemnej końcówki (która odpycha je) wzdłuż drogi do
dodatniej końcówki (która przyciąga je).

Prąd jest reprezentowany przez literę „I”. Jednostką pomiaru prądu jest amper (A) i
definiowane jako liczba ładunków na sekundę, które przechodzą przez punkt wzdłuż drogi.

Oporność
Materiały, przez które przepływa prąd posiadają różną oporność na ruch elektronów.
Materiały, które oferują bardzo małą albo żadną oporność są nazywane przewodnikami.
Takie, które nie pozwalają przepływać prądowi lub znacząco ograniczają ten przepływ, są
nazywane izolatorami. Ilość oporności zależy od składu chemicznego materiałów.
Oporność jest reprezentowana przez literę „R”. Jednostką pomiaru oporności jest om (Ω).
Symbol pochodzi z greckiej wielkiej litery „Ω” – omega.

Prąd przemienny (AC)
Jest to jeden z dwóch sposobów przepływania prądu. Prąd przemienny i jego napięcie
zmieniają w czasie swoją polaryzację, czyli kierunek. Prąd przemienny płynie w jednym
kierunku, potem zmienia kierunek i powtarza proces. Napięcie prądu przemiennego jest
dodatnie na końcówce i ujemne na przeciwnej wtedy powtarza się polaryzacja, więc kiedy
dodatnia końcówka otrzymuje ujemne napięcie to ujemna końcówka otrzymuje dodatnie
napięcie. Ten proces powtarza się ciągle.

Prąd stały (DC)
To jest drugi ze sposobów przepływania prądu. Prąd stały przepływa zawsze w tym samym
kierunku i napięcie prądu stałego zawsze ma tę samą polaryzację. Jedna końcówka jest
zawsze dodatnia a druga zawsze ujemna. Nigdy się nie zamieniają lub odwracają.

Oporność materiału
Oporność materiału jest całkowitym oporem materiału stawianym przepływowi prądu
(przemiennego i stałego). Jest ona pojęciem ogólnym i jest miarą tego jak przepływ
elektronów jest spowalniany.

Oporność materiału jest reprezentowana przez literę „Z”. Jej jednostką pomiaru jest om (

Ω

).

Związki między napięciem, prądem i opornością
Prąd przepływa tylko w zamkniętych pętlach zwanych obwodami. Obwody te muszą być
zbudowane z materiałów przewodzących i muszą mieć źródła napięcia. Napięcie powoduje,
że prąd przepływa, a oporność jest mu przeciwna (stawia opór). Znając te fakty, pozwala to
kontrolować ludziom przepływ prądu.

Uziemienie
Termin uziemienie może być trudny do zrozumienia, ponieważ ludzie używają tego terminu
do wielu różnych celów.

•

Uziemienie może odnosić się do miejsca na ziemi dotykającego twojego domu
(prawdopodobnie przez rury prowadzące wodę), które ostatecznie tworzy pośrednie
połączenie z domowymi gniazdami elektrycznymi. Kiedy używasz urządzenia
elektrycznego to ma wtyczkę z trzema bolcami, trzeci bolec jest właśnie uziemieniem. To
daje elektronom dodatkową ścieżkę przewodzenia, prowadzącą do ziemi zamiast
bezpośrednio przez twoje ciało.

•

Poziom zerowego napięcia

1

oznacza punkt odniesienia, czyli poziom 0 wolt, przy

pomiarach elektrycznych. Napięcie jest tworzone poprzez rozdzielanie ładunków, co
oznacza, że pomiary napięcia mogą być wykonywane pomiędzy dwoma punktami.
Multimetr (mierzący napięcie, prąd i oporność) ma z tego powodu dwa przewody. Czarny
przewód nazywany jest poziomem zerowym, czyli punktem odniesienia. Ujemny styk na
baterii również nazywany jest poziomem 0 wolt.

Zapamiętaj: Multimetr jest urządzeniem testującym, używanym do pomiaru napięcia, prądu,
oporności, oraz innych elektrycznych wartości i wyświetlania ich w formie numerycznej.

4.1.6 Analogia dla napięcia, oporności i prądu

Analogia wody pomaga w wytłumaczeniu pojęcia elektryczności. Im wyższy poziom wody i
większe ciśnienie, tym więcej wody będzie przepływać. Prąd wody zależy od tego jak bardzo
kran (zawór) będzie otwarty. Podobnie, im wyższe napięcie i większe ciśnienie elektryczne,
tym więcej będzie wytworzonego prądu. Następnie prąd elektryczny napotyka oporność,
która podobnie jak kran z wodą zmniejsza przepływ. Jeżeli jest to obwód prądu przemiennego
(AC), wtedy ilość prądu będzie zależała od tego duża oporność będzie w danym momencie.
Pompa jest jak akumulator. Zapewnia ciśnienie poruszające przepływ wody.

4.1.7 Wykres napięcia prądu przemiennego i prądu stałego

Oscyloskop jest ważnym i skomplikowanym elektronicznym urządzeniem używanym do
badania elektrycznych sygnałów. Ponieważ jest możliwe dokładne kontrolowanie
elektryczności, można tworzyć specjalne wzorce elektryczne zwane falami. Oscyloskop
wykreśla elektryczne fale, impulsy i wzory. Ma on oś x, która reprezentuje czas i oś y, która
reprezentuje napięcie. Oscyloskop ma zwykle dwa wejścia na napięcie wykreślane na osi y,
co pozwala na równoczesną obserwację i mierzenie dwóch fal.
Elektryczność jest przenoszona do naszego domu, szkoły i biura przez linie elektryczne. Linie
elektryczne przenoszą prąd w formie prądu przemiennego (AC – alternating current). Inny
typ prądu, zwany prądem stałym (DC – direct current), może być znaleziony w bateriach do
latarek, akumulatorach samochodowych i zasilaniu układów scalonych w płycie głównej
komputera. Jest ważne żeby zrozumieć różnicę pomiędzy tymi dwoma typami prądu.

4.1.8 Konstruowanie prostego szeregowego układu elektrycznego

Elektrony przepływają tylko w obwodach, które są zamkniętymi pętlami. Diagram na
głównym rysunku pokazuje prosty obwód typowy dla latarek. Proces chemiczny w baterii
powoduje, że ładunki są oddzielane, co dostarcza napięcia, czyli elektrycznego ciśnienia,
umożliwiającego przepływ elektronów przez różne urządzenia. Linie oznaczają przewodnik,
którym zazwyczaj są przewody miedziane.
Przełączniki można sobie wyobrazić jako dwa końce pojedynczego przewodu, które mogą
być otwierane, a następnie zamykane, żeby uniemożliwić albo pozwolić przepływać
elektronom. Ostatecznie żarówka dostarcza oporność przepływającym elektronom, która
powoduje, że elektrony uwalniają energię w formie światła. Obwody używane w sieciach
wykorzystują takie same zasady jak ten bardzo prosty obwód, z tym że są dużo bardziej
złożone.

1

W języku polskim nie występuje problem z rozróżnieniem pojęć uziemienia i poziomu zerowego napięcia, co

może sprawiać problem w angielskim, gdyż opisuje je to samo słowo – ground. (przyp. tłum.)

4.1.9 Celowość uziemiania osprzętu sieciowego

W systemach elektrycznych działających tak na prąd stały, jak i zmienny, przepływ
elektronów zawsze kieruje się od negatywnie naładowanego końca do pozytywnie
naładowanego końca. Ponieważ metale takie jak miedź mają małą oporność, są one często
używane jako przewodniki dla prądu elektrycznego. Odwrotnie jest z materiałami takimi jak
szkło, guma i plastik, mają dostarczają większą oporność. Dlatego nie są dobrymi
przewodnikami elektrycznymi. Zamiast tego materiały te są często używane jako izolatory. Są
one używane z przewodnikami żeby zapobiec porażeniu prądem, ogniowi i spięciom.
Prąd elektryczny jest zazwyczaj dostarczana do transformatora na słupie. Transformator
zmniejsza wysokie napięcie, używane w przesyłaniu, do napięcia 120 lub 240 wolt
używanego przez typowe urządzenia elektryczne.
Rys. (1) pokazuje dobrze znany przedmiot, jakim jest gniazdo elektryczne używane w USA
(inne kraje mają różne konfiguracje gniazd elektrycznych). Dwa górne wtyki dostarczają
prąd. Okrągły, dolny wtyk chroni urządzania i ludzi od porażeń i spięć. Wtyk ten nazywany
jest uziemieniem zabezpieczającym. W sprzęcie elektrycznym, w którym jest on
wykorzystany, łączy się on z każdą wystającą metalową częścią. Płyty główne i obwody w
sprzęcie komputerowym są elektrycznie połączone z obudową. Zapewnia to również
połączenie z kablem uziemiającym, który jest używany do odprowadzania elektryczności
statycznej.
Celem podłączenia uziemienia do odsłoniętych części metalowych sprzętu komputerowego
jest niedopuszczenie do nagromadzenia się na tych częściach niebezpiecznych napięć, co
może nastąpić na skutek wadliwej instalacji okablowania wewnątrz urządzenia.
Przypadkowe połączenie pomiędzy przewodem pod napięciem a obudową jest przykładem
usterki instalacji elektrycznej, która może zdarzyć się w urządzeniu sieciowym. Jeżeli taka
usterka zdarzyłaby się, kabel uziemiający połączony z urządzeniem służyłby jako ścieżka
niskiej oporności prowadząca do ziemi. Połączenie uziemiające zapewnia niższą oporność niż
ludzkie ciało.
Gdy ścieżka o niskiej oporności jest właściwie zainstalowana przy użyciu kabla
uziemiającego, zapewnia wystarczająco niską oporność możliwość przenoszenia prądu, aby
zapobiec gromadzeniu się niebezpiecznych napięć elektrycznych. Obwód taki łączy przewód
pod napięciem z ziemią.
Gdy zdarzy się, że prąd elektryczny przepływa tą ścieżką do ziemi, powoduje aktywację
bezpieczników i przerwanie obwodu. Poprzez przerwanie obwodu następuje zatrzymanie
przepływu elektronów, co zmniejsza niebezpieczeństwo porażenia prądem. Bezpieczniki
chronią ludzi i instalację elektryczną, ale dalsza ochrona – często w postaci stabilizatorów
napięcia i urządzeń podtrzymujących napięcie (UPS-ów) – jest wymagana dla sprzętu
komputerowego.

4.2 Podstawy cyfrowych multimetrów

4.2.1 Bezpieczne używanie multimetru

W tym rozdziale nauczysz się jak używać multimetru. Multimetr może wykonywać pomiary
napięcia, oporności i ciągłości, które są ważne w sieci. Obsługi danego multimetru można
nauczyć się z dwóch różnych źródeł – wydrukowanej instrukcji i strony internetowej
producenta.

4.2.2 Użycie multimetru do wykonywania pomiarów oporności

W tym ćwiczeniu użyjemy multimetru do pomiaru oporności i ciągłości obiektów. Jednostką
pomiaru dla obu tych wielkości jest om (

Ω

). Ciągłością nazywany jest poziom oporności na

pewnym odcinku. Jeżeli pewien odcinek w sposób zamierzony uzyska niską oporność, to
wtedy właśnie posiada on ciągłość. Natomiast jeżeli nastąpi to w sposób nieświadomy, to
nazywane jest to krótkim spięciem.
Multimetr emituje pisk, gdy wykryje ścieżkę o niskiej oporności. Wykonamy pomiary
następujących rzeczy:

•

kabel kategorii 5 (CAT 5)

•

zakończenie kabla CAT 5

•

zakończony kabel koncentryczny

•

przewód telefoniczny

•

wtyczki CAT 5

•

przełączniki

•

gniazda ścienne

4.2.3 Użycie multimetru do wykonywania pomiarów napięcia

W tym ćwiczeniu wykorzystamy multimetr do mierzenia napięcia. Są dwa rodzaje pomiarów
napięcia. Dla osobistego bezpieczeństwa i w celu ochrony przyrządu, ważne jest zrozumienie
różnicy. Te dwa typy to: napięcie prądu stałego (DC) i napięcie prądu przemiennego (AC).

Napięcie prądu stałego
Multimetr musi być ustawiony na pomiar prądu stałego kiedy mierzy się napięcie prądu
stałego (DC). W tym pomiarze zawierają się:

•

baterie

•

wyprowadzenia zasilaczy komputerowych

•

ogniwa słoneczne

•

generatory prądu stałego

Napięcie prądu zmiennego
Multimetr musi być ustawiony na pomiar prądu zmiennego kiedy mierzy się napięcie prądu
zmiennego. Jeżeli dokonujesz pomiaru w gnieździe ściennym musisz założyć, że jest ono pod
napięciem. Napięcie prądu zmiennego to 120V w USA i 220V w większości innych miejsc na
świecie.

Napięcie może zabić! Należy pamiętać aby używać prawidłowego ustawienia

multimetru.

4.2.4 Mierzenie prostych obwodów szeregowych

W tym rozdziale zbudujemy prosty obwód szeregowy i dokonamy na nim pomiarów.

4.2.5 Konstruowanie prostego elektrycznego systemu komunikacyjnego

Diagram pokazuje część obwodów, które umożliwiają Ethernetowym kartom sieciowym
wzajemne porozumiewanie się. Powinno to dostarczyć wskazówkę jak podejść do wyzwania

w tym ćwiczeniu, którym jest projektowanie, budowanie i demonstrowanie prostego
elektrycznego systemu komunikacji.

4.3 Podstawy sygnałów i szumów w systemach komunikacji

4.3.1 Porównywanie analogowych i cyfrowych sygnałów

Sygnał odnosi się do pożądanego napięcia elektrycznego, próbki światła lub modulowanej fali
elektromagnetycznej. Wszystkie z wyżej wymienionych mogą przenosić dane w sieci.
Jednym z typów sygnału jest sygnał analogowy. Sygnał ten ma następujące charakterystyczne
cechy:

•

jest falisty

•

ma ciągle zmieniający się wykres napięcia względem czasu.

•

jest typowy dla rzeczy występujących w przyrodzie

•

jest szeroko używany w telekomunikacji od ponad 100 lat

Główna ilustracja pokazuje czystą sinusoidę. Dwoma ważnymi cechami sinusoidy są: jej
amplituda (A) – czyli wysokość i głębokość – i jej okres (T) – czyli długość jednego cyklu.
Możesz obliczyć częstotliwość fal (f) ze wzoru f=1/T.
Innym typem sygnału jest cyfrowy. Sygnał cyfrowy ma następujące cechy:

- ma dyskretny, skokowy wykres napięcia w czasie
- występuje raczej w technice a nie w przyrodzie

Ilustracja pokazuje cyfrowy sygnał transmitowany przez sieć. Sygnały cyfrowe mają stałą
amplitudę, pomimo tego, że szerokość impulsu (T) i częstotliwość może się zmieniać.
Sygnały cyfrowe z nowoczesnych źródeł mogą być przybliżone przez kwadratową falę, która
ma pozornie natychmiastowe przejście z niskiego do wysokiego stanu napięcia. Chociaż jest
to przybliżenie, jest ono rozsądne i będzie użyte we wszystkich późniejszych wykresach.

4.3.2 Użycie sygnałów analogowych do zbudowania sygnałów cyfrowych

Jean Baptiste Fourier jest odpowiedzialny za jedno z największych matematycznych odkryć.
Udowodnił on, że specjalna suma fal sinusoidalnych o harmonicznie powiązanych
częstotliwościach, będących wielokrotnością pewnej podstawowej częstotliwości, mogą być
dodane do siebie tworząc dowolny wzorzec fali. Tak pracują mięczy innymi programy do
rozpoznawania głosu i stymulatory pracy serca. Złożone fale mogą być zbudowane z prostych
fal.
Kwadratowa fala – inaczej kwadratowy impuls – może być zbudowana przez użycie
właściwej kombinacji fal sinusoidalnych. Główna ilustracja pokazuje jak fala kwadratowa
(sygnał cyfrowy) może być zbudowana z sinusoid (sygnałów analogowych). Ważne jest by to
pamiętać podczas obserwowania, co dzieje się z impulsem cyfrowym, gdy przemieszcza się
po sieciowym medium transmisyjnym.

4.3.3 Reprezentacja bitu w medium transmisyjnym

Sieci transmitujące dane stają się coraz częściej uzależnione od systemów cyfrowych
(binarnych, dwustanowych). Podstawowym blokiem informacji jest cyfra binarna, zwana
bitem lub impulsem. Jeden bit w medium elektrycznym jest elektrycznym sygnałem

odpowiadającym binarnemu 0 lub 1. Może to być proste kodowanie, jak 0 volt dla liczby
binarnej 0 i +5 volt dla binarnej 1, lub też bardziej złożone. Poziom zerowy sygnału jest
ważnym pojęciem odnoszącym się do wszystkich mediów sieciowych, które używają napięć
do przenoszenia wiadomości.
Aby funkcjonował poprawnie, poziom zerowy musi znajdować się blisko cyfrowych
obwodów komputera. Inżynierowie osiągnęli to poprzez zaprojektowanie płaszczyzn
zerujących (ground planes) na płytkach z układami elektronicznymi. Obudowa komputera
jest używana jako wspólny punkt do podłączenia płaszczyzn zerujących w celu uzyskania
poziomu zerowego. Poziom zerowy ustanawia linię o poziomie 0 wolt na wykresie sygnału.
W przypadku sygnałów optycznych, binarne 0 będzie zakodowane jako światło niskiej
intensywności lub ciemność. Binarna 1 będzie zakodowana jako światło wysokiej
intensywności lub po prostu jasność, albo taż inne, bardziej złożone wzory.
W przypadku sygnałów bezprzewodowych, binarne 0 może być oznaczone krótką transmisją
fal; binarna 1– dłuższą transmisją fal, lub też mogą występować inne, bardziej złożone wzory.
Przyjrzymy się sześciu rzeczom, które mogą przydarzyć się bitowi:

•

przemieszczanie

•

tłumienie

•

odbicie

•

szumy

•

problem synchronizacji w czasie

•

kolizje

4.3.4 Rozprzestrzenianie się sygnału w sieci

Rozprzestrzenianie się oznacza po prostu przemieszczanie się. Kiedy karta sieciowa przyłoży
napięcie lub impuls światła do medium fizycznego, wtedy kwadratowy impuls składający się
z fal przemieszcza się wzdłuż medium (rozprzestrzenia się). Rozprzestrzenianie się oznacza,
że strumień energii, reprezentujący 1 bit, podróżuje z jednego miejsca do drugiego. Szybkość
z jaką się przemieszcza zależy od materiału użytego w medium, kształtu i struktury medium,
oraz częstotliwości impulsów. Czas jaki zabiera przemieszczanie się jednego bitu z jednego
końca medium i powrót z powrotem jest nazywany czasem drogi tam i z powrotem (RTT –
round trip time). Zakładając, że nie ma żadnych innych opóźnień, czas jaki zajmuje 1 bitowi
podróż na drugi koniec medium to RTT/2.
To, że bit potrzebuje pewną niewielką ilość czasu by przemieszczać się wzdłuż medium nie
stwarza normalnie problemów w sieci. Jednakże ciągle rosnące tempo transmisji danych w
dzisiejszych sieciach zmusza do uwzględniania ilości czasu jaka potrzebna jest sygnałowi do
poruszania się. Istnieją tu dwie ekstremalne sytuacje do rozpatrzenia. Albo bit przemieszcza
się błyskawicznie, w czasie równym zero, albo przemieszczanie się zabiera mu wieczność.
Pierwszy przypadek jest nieprawidłowy według Alberta Einsteina, który w „Teorii
względności” powiedział, że żadna informacja nie może poruszać się szybciej niż prędkość
światła w próżni. To znaczy, że bit potrzebuje przynajmniej niewielką ilość czasu do
poruszania się. Drugi przypadek także jest zły, ponieważ z właściwym sprzętem można
zmierzyć czas przemieszczania się impulsu. Brak wiedzy o czasie przemieszczania się
impulsu jest problemem, ponieważ można wtedy założyć, że bit przybywa do celu albo za
wcześnie, albo za późno. Jeżeli czas przemieszczania się jest zbyt długi powinno się dokonać
ustaleń jak wpłynie to na resztę sieci. Jeżeli czas przemieszczania się jest za krótki, może

wystąpić potrzeba spowolnienia ich lub zatrzymania ich tymczasowo (co jest znane jako
buforowanie), aby reszta sprzętu sieciowego może dostosować się do tej prędkości.

4.3.5 Tłumienność sieci

Tłumienność jest stratą sygnału w sieci, na przykład wtedy, gdy kable przekraczają
maksymalną długość. Oznacza to, że sygnał elektryczny przenoszący jeden bit traci swoją
amplitudę, gdy energia jest przekazywana z sygnału na przewód. Przy uważnym doborze
materiałów (np. użycie miedzi zamiast węgla) i ich geometrii (kształtu i sposobu ułożenia),
można zredukować tłumienność elektryczną. Pewna strata jest nieunikniona, gdy występuje
oporność elektryczna. Tłumienność również występuje w sygnałach optycznych – włókno
optyczne wchłania i rozprasza część energii świetlnej, w czasie, gdy impuls świetlny, czyli
bitowa jedynka, przemieszcza się wzdłuż tego włókna. Można zredukować to zjawisko
poprzez odpowiedni dobór długości fali świetlnej, czyli jej koloru. Dalsza redukcja
tłumienności zależy od użycia jednopasmowych lub wielopasmowych włókien i od typu szkła
tworzącego włókno. Jednak nawet z tymi zabezpieczeniami pewna strata sygnału jest
nieunikniona.
Tłumienność również występuje w falach radiowych i mikrofalach, w czasie, gdy są
absorbowane i rozpraszane przez konkretne cząsteczki w atmosferze. Tłumienność może mieć
wpływ na sieć, gdyż ogranicza ona długość okablowania, po którym można przesyłać
informacje. Jeżeli kabel jest za długi, lub zbyt tłumiący, to bitowe 1, po dotarciu na miejsce,
może wyglądać jak bitowe 0.
Można rozwiązać ten problem poprzez właściwy dobór mediów transmisyjnych i wybieranie
takich struktur sieciowych, które mają niską tłumienność. Jednym ze sposobów jest wymiana
medium. Innym – wykorzystanie wzmacniaka co pewną odległość. Istnieją wzmacniaki
sygnałów elektrycznych, optycznych i radiowych.

4.3.6 Odbicia w sieci

By zrozumieć pojęcie odbicia, wyobraźmy sobie dwóch ludzi trzymających rozciągniętą linę.
Teraz wyobraźmy sobie, że jeden z nich wysyła po niej impuls, czyli bitowe 1. Gdy
przyjrzymy się uważnie, zauważymy, że małą fala (impuls) wraca z powrotem.
Odbicia występują w sygnałach elektrycznych. Gdy impulsy napięcia, czyli bity, natrafią na
nieciągłość medium, część energii może być odbita. Jeżeli ta energia nie jest uważnie
kontrolowana, może przeszkadzać następnym bitom. Warto pamiętać, że chociaż nasza uwaga
jest na razie zwrócona na przesyłanie jednego bitu na raz, to w prawdziwej sieci przesyłane są
miliony i miliardy bitów w każdej sekundzie, co zmusza do śledzenia tego odbitego impulsu
energii. W zależności od okablowania i połączeń, jakie wykorzystuje dana sieć, odbicia mogą
być problemem, ale nie muszą.
Odbicia również występują w sygnałach optycznych. Sygnały optyczne są odbijane ilekroć
trafią na nieciągłość włókna szklanego, tak jak w przypadku, gdy wtyczka przewodu jest
podłączona do urządzenia. Można zobaczyć to w nocy, gdy wyjrzy się przez okno. Można
wtedy zobaczyć swoje odbicie w oknie, mimo, że nie jest to lustro. Część światła odbitego od
ludzkiego ciała odbija się wtedy w oknie. Dzieje się to również z falami radiowymi i
mikrofalami w różnych partiach atmosfery.
Może to stwarzać problemy w sieci. Dla optymalnego działania sieci ważny jest taki dobór
mediów transmisyjnych, aby miały one oporność odpowiadającą elektrycznym komponentom
na karci sieciowej. Gdy media sieciowe nie mają odpowiedniej oporności, sygnał będzie
odbijany i powstaną zakłócenia. Może wtedy powstać wiele odbitych impulsów. W każdym

systemie, elektrycznym, optycznym, czy radiowym, różnice oporności powodują odbicia.
Jeżeli wystarczająco dużo energii zostanie odbite, wtedy binarny, dwustanowy system może
zostać zmylony przeskakującą wszędzie, odbijaną energią. Można temu zapobiec upewniając
się, że wszystkie komponenty są dopasowane do siebie pod względem oporności.

4.3.7 Zakłócenia

Zakłócenia są to niepożądane dodatki do napięcia, sygnałów optycznych, lub
elektromagnetycznych. Żaden sygnał elektryczny nie jest pozbawiony zakłóceń, lecz ważne
jest utrzymywanie stosunku sygnału do zakłóceń (S/Z) na tak wysokim poziomie, jak to tylko
możliwe. Stosunek S/Z jest miarą inżynieryjną, na którą składa się dzielenie siły sygnału
przez siłę zakłóceń – daje to pojęcie jak łatwo będzie odróżnić właściwy sygnał od
niechcianych, lecz nieuniknionych zakłóceń. Innymi słowy, każdy bit otrzymuje dodatkowe,
niechciane sygnały z różnych źródeł. Zbyt duże zakłócenia mogą przekształcić binarne 1 w
binarne 0, lub 0 w 1, niszcząc w ten sposób wiadomość. Rys. 1 przedstawia pięć źródeł
zakłóceń, które mogą wpływać na bit w przewodzie.

Przesłuch przy końcach przewodów
Gdy zakłócenia elektryczne w kablu pochodzą z innych przewodów w danym kablu, nazywa
się to przesłuchem. Gdy dwa przewody znajdują się blisko siebie i są rozplecione, energia z
jednego przewodu może znaleźć się w drugim przewodzie i na odwrót. Może to powodować
zakłócenia na obu końcach kabla. Istnieje wiele form przesłuchu, który musi być
uwzględniony przy budowie sieci.
Problem przesłuchu może być rozwiązany przez odpowiednią technikę zakańczania kabli,
ścisłe przestrzeganie procedur zakończeniowych i używanie jakościowych skrętek.

Zakłócenia termiczne
Zakłócenia termiczne, powodowane losowym poruszaniem się elektronów, są nieuniknione,
lecz względnie małe, w porównaniu z innymi.

Zakłócenia pochodzące ze źródeł napięcia i linii zerowego napięcia
Zakłócenia te są kluczowym problemem w sieciach. Zakłócenia pochodzące z instalacji prądu
przemiennego stwarzają problemy w naszych domach, szkołach, biurach. Elektryczność jest
przenoszona do urządzeń i maszyn przez przewody schowane w ścianach, podłogach i
sufitach. Tak więc wewnątrz tych budynków zakłócenia z linii elektrycznych występują
wszędzie. Może to stwarzać problemy w sieci, jeżeli się temu w odpowiedni sposób nie
zapobiegnie.
Idealnie byłoby, gdyby linia zerowego napięcia była kompletnie odizolowana od linii
uziemienia. Izolacja zapobiegałaby przechodzeniu skoków napięcia na linię poziomu
zerowego. Ale obudowa systemu komputerowego służy zarówno jako wyznacznik zerowego
napięcia, oraz jako uziemienie. Ponieważ istnieje połączenie między uziemieniem a linią
zerowego napięcia, problemy z uziemieniem mogą prowadzić do zakłóceń systemu danych.
Takie zakłócenia mogą być trudne do wykrycia i zlokalizowania. Zwykle wypływa to z faktu,
że podwykonawcy instalacji elektrycznych nie dbają o długość przewodów zerowych i
uziemiających, które prowadzone są do każdego gniazda elektrycznego. Niestety, gdy te
przewody są długie, działają jak anteny łapiące zakłócenia elektryczne. To właśnie te
zakłócenia zniekształcają sygnały cyfrowe (bity), które komputer musi rozpoznawać i
przetwarzać.
Nieraz przekonamy się o tym, że zakłócenia elektryczne pochodzące od pobliskiego monitora
lub twardego dysku mogą być wystarczająco silne, by spowodować błędy w systemie

komputerowym. Zniekształcają one sygnał (zmieniając jego kształt lub poziom napięcia)
powodując, że logika komputerowa nie jest w stanie wykryć początku i końca zbocza
kwadratowej fali. Problem ten może się jeszcze zwiększyć, jeżeli komputer jest źle
uziemiony.

Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i radiowe (RFI)
Zewnętrzne źródła impulsów elektrycznych, które mogą atakować dobrej jakości sygnał w
kablu, to m. in. pioruny, silniki elektryczne i systemy radiowe. Te typy zakłóceń nazywane są
zakłóceniami elektromagnetycznymi (electromagnetic interference – EMI) i zakłóceniami
radiowymi (radio frequancy interference – RFI).
Każdy przewód w kablu działa jak antena. Gdy to ma miejsce, przewód absorbuje sygnały
elektryczne z innych przewodów w kablu i z poza kabla. Jeżeli powstające w ten sposób
zakłócenia osiągną odpowiednio wysoki poziom, karta sieciowa może mieć trudności, by
odróżnić zakłócenia od sygnału danych. Jest to istotny problem, gdyż większość sieci
wykorzystuje pasmo częstotliwości 1-100 MHz, który jest również wykorzystywany przez
sygnały radiowe FM, sygnały telewizyjne i wiele innych urządzeń.
Przyjrzyjmy się jak zakłócenia elektryczne, niezależnie od źródła, wpływają na sygnały
cyfrowe. Wyobraźmy sobie, że chcemy wysłać binarną liczbę 1011001001101 poprzez sieć.
Komputer przekształca liczbę binarną na sygnał cyfrowy. Rys. 2 pokazuje jak wygląda
cyfrowy sygnał dla tej liczby. Sygnał cyfrowy przepływa przez medium sieciowe do miejsca
przeznaczenia. Załóżmy, że to miejsce znajduje się niedaleko gniazda elektrycznego, które
ma za długie przewody doprowadzające uziemienie i poziom zerowego napięcia. Te
przewody działają jak anteny dla zakłóceń elektrycznych. Rys. 3 pokazuje jak wyglądają
zakłócenia elektryczne.
Ponieważ obudowa komputera docelowego jest używana zarówno jako uziemienie jak i
wyznacznik zerowego napięcia, wytworzone zakłócenia wpływają na sygnał cyfrowy
otrzymywany przez komputer. Rys. 4 pokazuje co dzieje się z sygnałem, gdy połączy się on z
zakłóceniami. Zamiast odczytać dane jako 1011001001101, komputer odczytuje te dane jako
1011000101101, sprawiając, że dane są niewłaściwe (zniekształcone).
Inaczej niż w przewodzie miedzianym, optyczne i bezprzewodowe systemy doświadczają
niektórych form zakłóceń, lecz są odporne na inne. Na przykład włókno optyczne jest
odporne na przesłuch i zakłócenia ze źródeł napięcia, a z kolei systemy bezprzewodowe są
szczególnie wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne i radiowe. Tutaj skupiliśmy się na
zakłóceniach w okablowaniu bazującym na miedzi. Problem przesłuchu może być rozwiązany
przez odpowiednią technikę zakańczania kabli, ścisłe przestrzeganie procedur
zakończeniowych i używanie jakościowych skrętek.
Nic nie da się zrobić z zakłóceniami termicznymi, oprócz nadania sygnałom wystarczająco
dużej amplitudy, by nie miały one znaczenia. Aby uniknąć problemu zakłóceń pochodzących
z instalacji elektrycznej, należy ściśle współpracować z podwykonawcą instalacji i firmą
dostarczającą elektryczność. Umożliwi to otrzymanie najlepszego i najkrótszego uziemienia.
Jednym ze sposobów osiągnięcia tego jest zbadanie możliwości zainstalowania własnego
transformatora napięcia, wyłącznego dla miejsca, w znajduje się sieć. Jeżeli firmę na to stać,
może w ten sposób kontrolować podłączanie innych urządzeń do instalacji elektrycznej.
Ograniczenie jak i gdzie urządzenia – takie jak silniki i wysokonapięciowe grzejniki
elektryczne – są podłączone, może wyeliminować większość zakłóceń przez nie
generowanych.
Podczas pracy z podwykonawcą instalacji, należy poprosić o instalację paneli dystrybucji
energii, czyli skrzynek z bezpiecznikami, oddzielnie dla każdej powierzchni biurowej.

Ponieważ przewody zerowe i uziemiające z każdego gniazda schodzą się w skrzynce
bezpiecznikowej, powzięcie tego kroku zwiększy szansę na skrócenie przewodów. Pomimo,
iż instalowanie oddzielnej skrzynki dla każdej grupy komputerów może zwiększyć koszt
okablowania elektrycznego, redukuje to długość przewodów i w ten sposób ogranicza wpływ
kilku rodzajów zakłóceń elektrycznych.
Istnieje kilka sposobów ograniczania zakłóceń elektromagnetycznych i radiowych. Jednym ze
sposobów jest zwiększenie rozmiarów kabli przewodzących. Innym sposobem jest użycie
lepszej izolacji. Jednakże takie zmiany zwiększają rozmiar i koszt kabla szybciej, niż
zwiększana jest jego jakość. Tak więc bardziej spotykane jest ustalenie przez projektantów
sieci kabla o dobrej jakości i ustalenie specyfikacji określającej maksymalną rekomendowaną
długość kabla pomiędzy poszczególnymi elementami.
Dwie techniki, jakie projektanci okablowania w udany sposób wykorzystują w eliminowaniu
zakłóceń elektromagnetycznych i radiowych, to ekranowanie i anulowanie. W kablu
wykorzystującym ekranowanie, metalowa folia lub siatka osłania każdą parę przewodów lub
grupę par przewodów. Ekranowanie działa jak bariera dla sygnałów zakłócających. Jednakże
zwiększa to średnicę i koszt kabla. Wobec tego anulowanie jest częściej stosowaną techniką
ochrony przed niepożądanymi zakłóceniami.
Gdy prąd elektryczny płynie w przewodzie, wytwarza małe, okrągłe pole magnetyczne wokół
niego. Kierunek linii tego pola zależy od kierunku przepływu prądu. Jeżeli dwa przewody są
częścią tego samego obwodu elektrycznego, elektrony przepływają po jednym przewodzie od
ujemnego źródła napięcia aż do celu. Potem elektrony przepływają od celu do dodatniego
źródła napięcia po drugim przewodzie. Gdy te przewody znajdują się blisko siebie, ich pola
magnetyczne są sobie przeciwne. W takim razie, będą one się nawzajem anulować. Będą
anulowały również wpływ innych, zewnętrznych pól magnetycznych. Skręcenie przewodów
ze sobą zwiększa ten efekt. Anulowanie połączone ze skręcaniem zapewnia projektantom
okablowania efektywną metodę samoczynnego ekranowania par przewodów w mediach
sieciowych.

4.3.8 Rozpraszanie, rozsynchronizowanie i bezwładność bitów

Rozpraszanie, rozsynchronizowanie i bezwładność są trzema różnymi rzeczami, jakie mogą
przydarzyć się bitom. Są one zgrupowane razem, gdyż mają wpływ na to samo – czas
przesyłu bitu. Ponieważ próbujemy zrozumieć, jakie problemy mogą się pojawić podczas
transmisji milionów bitów na sekundę, czas przesyłu ma duże znaczenie.
Rozproszenie występuje wtedy, gdy sygnał rozszerza się w czasie. Jest to spowodowane
użytym typem medium. Jeżeli jest to wystarczająco poważne, jeden bit może zakłócić
następny bit. Ponieważ wysyłane ma być miliardy bitów na sekundę, trzeba uważać, by nie
dopuścić do sytuacji rozproszenia bitów. Rozproszenie może zostać usunięte przez
poprawienie projektu okablowania, ograniczenie długości kabla i dobranie odpowiedniej
oporności. W włóknach optycznych rozproszenie może być kontrolowane poprzez używanie
światła laserowego o bardzo konkretnej długości fali. W przypadku komunikacji
bezprzewodowej, rozproszenie może być zminimalizowane przez odpowiedni dobór
częstotliwości.
Wszystkie systemy cyfrowe podlegają działaniu impulsów zegarowych. Impulsy zegarowe
powodują, że procesor oblicza, dane są zachowywane w pamięci, a karta sieciowa wysyła
bity. Jeżeli zegar urządzenia źródłowego nie jest zsynchronizowany z urządzeniem
docelowym, pojawią się przekłamania transmisji. Polega to na tym, że bity będą docierać do
urządzenia szybciej niż powinny. Przekłamania te mogą zostać wyeliminowane poprzez

szereg skomplikowanych synchronizacji zegara, sprzętowych i programowych, jak też
synchronizacji protokołów.
Bezwładność, znana też jako opóźnienie ma dwie główne przyczyny. Po pierwsze, teoria
względności Einsteina mówi, że nic nie może poruszać się szybciej niż z prędkością światła w
próżni (3,0 x 10

8

m/s). Sygnały sieci bezprzewodowych przemieszczają się z prędkością nieco

mniejszą niż prędkość światła w próżni. Sygnały sieciowe w mediach miedzianych
przemieszczają się z prędkością rzędu 1,9 x 10

8

m/s do 2,4 x 10

8

m/s. Sygnały sieciowe w

włóknach optycznych przemieszczają się z prędkością około 2,0 x 10

8

m/s. Więc aby dotrzeć

do miejsca przeznaczenia, bit potrzebuje przynajmniej niewielkiej ilości czasu. Po drugie, gdy
bit przechodzi przez urządzenia, tranzystory i elektronik wprowadzają większe opóźnienia.
Rozwiązaniem tego problemu jest uważny dobór urządzeń sieciowych, różne strategie
kodowania informacji i różne protokoły warstwowe.
Nowoczesne sieci zwykle pracują z prędkościami od 1 Mbps (megabita na sekundę) do 155
Mbps i większych. Niedługo będą pracować z prędkością 1 Gbps, czyli miliarda bitów na
sekundę. Jeżeli bity są rozproszone, to jedynki mogą mylić się z zerami i na odwrót. Jeżeli
grupy bitów podążą inną trasą i nie zwróci się uwagi na synchronizację czasu, powstałe
przekłamania mogą powodować błędy, gdy odbierający komputer próbuje połączyć
otrzymane pakiety w informację. Jeżeli grupy bitów się spóźnią, urządzenia sieciowe i inne
komputery docelowe mogą się beznadziejnie pogubić w milionach bitów otrzymywanych co
sekundę.

4.3.9 Kolizje

Do kolizji dochodzi wtedy, gdy dwa bity z dwóch różnych, komunikujących się komputerów
znajdą się na wspólnym medium w tym samym czasie. W przypadku mediów miedzianych,
napięcia z dwóch sygnałów binarnych są wtedy dodawane, dając trzeci poziom napięcia.
Wahania napięcia są niedozwolone w systemach binarnych, które są w stanie zrozumieć
jedynie dwa poziomy napięcia. Bity są więc zniekształcone i zniszczone.
Niektóre technologie, tak jak Ethernet, radzą sobie z pewną ilością kolizji poprzez ustalenie
czyja kolej jest w danym momencie na nadawanie. W niektórych przypadkach kolizje są
naturalną częścią funkcjonowania sieci. Jednakże zbyt duża ich ilość może spowolnić sieć lub
nawet ją zatrzymać. Tak więc dużo wysiłku w planowaniu sieci koncentruje się na
lokalizowaniu i minimalizowaniu kolizji.
Jest wiele sposobów radzenia sobie z kolizjami. Jednym z nich jest po prostu ich wykrywanie
i posiadanie zbioru reguł radzenia sobie z nimi, tak jak w Ethernecie. Innym sposobem jest
próba zapobiegania kolizjom poprzez pozwolenie tylko jednemu komputerowi w danej chwili
na transmisję po wspólnym medium. Wymaga to otrzymania przez komputer specjalnego
wzoru bitów, zwanego znacznikiem (lub tokenem), tak jak w sieciach typu token ring (o
topologii logicznego pierścienia) i FDDI.

4.3.10 Wiadomości w ramach bitów

Gdy bit dotrze do medium transmisyjnego, przemieszcza się i może doświadczyć tłumienia,
odbicia, zakłóceń, rozproszenia, lub kolizji. Jednakże transmituje się więcej niż 1 bit.
Naprawdę transmituje się miliardy bitów na sekundę. Wszystkie dotąd opisane zdarzenia
mogące wpływać na bit, mają odniesienie również do poszczególnych jednostek danych
modelu OSI. Osiem bitów to bajt. Wiele bajtów to ramka. Ramki zawierają pakiety. Pakiety
przenoszą wiadomość, którą chcemy przekazać. Profesjonaliści sieciowi często mówią o
stłumionych, odbitych, zakłóconych, rozproszonych i kolidujących ze sobą ramkach i
pakietach.

4.4 Podstawy kodowania sygnałów sieciowych

4.4.1 Historyczne przykłady kodowania

Gdy chcemy przesłać wiadomość na dalszą odległość musimy rozwiązać dwa problemy. Po
pierwsze, jak wyrazić wiadomość (kodowanie, modulacja) i po drugie, jakiej metody użyć do
transportu wiadomości (nośnik).
Historycznie istniało wiele sposobów rozwiązywania problemu długodystansowej
komunikacji: biegacze, jeźdźcy, konie, teleskopy optyczne, gołębie pocztowe i sygnały
dymne. Każda z tych metod wymagała pewnego typu kodowania. Przykładowo sygnały
dymne oznaczające znalezienie zwierzyny łownej mogły mieć postać trzech małych chmurek
dymu. Wiadomość o szczęśliwym końcu podróży, przekazana przez gołębia pocztowego,
mogła mieć postać uśmiechniętej twarzy. W czasach nowożytnych, stworzenie kodu Morse’a
zrewolucjonizowało komunikację. Dwa symbole – kropka i kreska – były użyte do
reprezentowania alfabetu. Na przykład xxx---xxx oznacza SOS, uniwersalny sygnał żądania
pomocy. Nowoczesne telefony, faksy, radia i telewizory kodują swoje sygnały elektronicznie.
Zwykle wykorzystuje się modulację fal z różnych części spektrum elektromagnetycznego.
Kodowanie oznacza konwertowanie danych binarnych w formę, która może przemieszczać
się po fizycznym łączu komunikacyjnym – modulacja oznacza używanie danych binarnych do
manipulowania falą. Komputery wykorzystują trzy technologie, z których każda ma swój
odpowiednik w historii. Te technologie to: kodowanie wiadomości jako napięć na różnych
typach przewodów miedzianych; kodowanie wiadomości jako impulsów kierowanego światła
na włóknie optycznym; i kodowanie wiadomości jako modulowanych, promieniujących fal
elektromagnetycznych.

4.4.2 Modulacja i kodowanie

Kodowanie oznacza przekształcanie zer i jedynek w coś prawdziwego, namacalnego, tak jak:

•

impuls elektryczny w przewodzie

•

impuls świetlny w włóknie optycznym

•

impuls fal elektromagnetycznych w próżni

Dwie z metod kodowania to: kodowanie NRZ i kodowanie Manchester.
Kodowanie NRZ (non-return to zero) jest najprostsze. Charakteryzuje się wysokim i niskim
poziomem sygnału (często +5V lub +3,3V dla binarnej jedynki i 0V dla binarnego zera). W
światłowodach binarna jedynką może być jasne światło diody lub lasera, a zerem – brak
światła. W sieciach bezprzewodowych binarna jedynka może oznaczać obecność fali nośnej,
a binarne 0 – brak fali.
Kodowanie Manchester jest bardziej złożone, lecz jest bardziej odporne na zakłócenia i lepiej
daje się synchronizować. W kodowaniu Manchester napięcie w kablu miedzianym, światło
diody lub lasera, lub moc fali elektromagnetycznej w przestrzeni przenosi bity zakodowane
jako stany przejściowe. Kodowanie Manchester oznacza jedynkę jako przejście ze stanu
niskiego do wysokiego, a zero jako przejście ze stanu wysokiego do niskiego. Ponieważ tak 0
jak i 1 powoduje zmianę w sygnale, impulsy zegarowe mogą być poprawnie odczytywane
przez odbiornik.
Blisko związana z kodowaniem jest modulacja, która oznacza po prostu zmienianie
(modulowanie) fali tak, aby przeniosła ona informację. Aby mieć pojęcie, czym jest

modulacja, zbadajmy trzy formy modyfikowania, czyli modulowania fali nośnej, aby
przenosiła bity:

•

AM – modulacja amplitudy (amplitude modulation) – amplituda, czyli wysokość fali
jest zmieniana

•

FM – modulacja częstotliwości (frequency modulation) – częstotliwość fali jest
zmieniana

•

PM – modulacja fazy (phase modulation) – faza (punkt początkowy i końcowy
danego cyklu) jest zmieniana

Istnieją także inne, bardziej skomplikowane formy modulacji. Rys. 2 pokazuje trzy sposoby w
jakie dane mogą być zakodowane w fali nośnej, podczas procesu modulacji. Binarne 11 (czyt.
jeden jeden, a nie jedenaście) może być przekazane przez falę jako AM (fala
włączona/wyłączona), FM (fala wygina się dużo dla jedynek, mało dla zer), lub FM (jeden
typ fazy dla zer, inny dla jedynek).
Wiadomości mogą być zakodowane na różne sposoby:

1. Jako napięcia w miedzi; popularne kodowania w sieciach bazujących na miedzi to

Manchester i NRZ.

2. Jako kierowane światło; Kodowanie Manchester i kodowanie 4B/5B są popularne w

sieciach światłowodowych.

3. Jako emitowane fale elektromagnetyczne; wiele różnych typów kodowania

(modyfikacje AM, FM i PM) jest używanych w sieciach bezprzewodowych.

Podsumowanie

Ten rozdział omówił podstawową teorię elektryczności i czynniki wpływające na transmisję
danych. Były to mianowicie następujące fakty:

•

Elektryczność opiera się na umiejętności oddzielania się elektronów od niektórych
atomów.

•

Przeciwne ładunki przyciągają się, a podobne odpychają. Elektryczność przepływa
przez obwód elektryczny od ujemnego końca do dodatniego.

•

Materiały mogą być izolatorami, przewodnikami, albo półprzewodnikami, w
zależności od ich zdolności przewodzenia elektronów.

•

Prąd przemienny i prąd stały są dwoma typami prądu. Prąd przemienny (AC)
doprowadzany jest do domów, szkół, biur. Prąd stały (DC) używany jest w
urządzeniach, które zasilane są bateriami.

•

Przewód zerowego napięcia zapewnia podstawę używaną do pomiaru napięcia.
Uziemienie jest mechanizmem zabezpieczania przed niebezpiecznymi porażeniami.

•

Wszystkie urządzenia elektroniczne składają się z obwodów elektrycznych, które
regulują przepływ elektronów poprzez przełączniki.

Następny rozdział omawia różne typy mediów sieciowych używanych w warstwie fizycznej.
Dodatkowo, opisuje on jak urządzenia sieciowe, specyfikacje kabli, topologie sieci, kolizje i
domeny kolizji mogą pomóc ustalić takie rzeczy, jak ilość przepływających przez siec danych
i prędkość ich przepływu.