4.1.1 Fizikai réteg jellemzői

A soros átviteleknél az adó az információt a legkisebb bináris egységre, a bitre bonja, és azokat időben egymás után az átviteli csatornára bocsátja (fizikailag a biteknek megfelelő jelet meghatározott ideig a vonalra kapcsolja). A biteket vagyis az információt hordozó jelet az adó számítógéptől a vevő számítógépig kell eljuttatni úgy, hogy az a másik oldalon is értelmezhető maradjon.

Az információt hordozó jel az átviteli közegtől függően lehet elektromágneses hullám (feszültség, áram, rádióhullám, mikrohullám), fényimpulzus. Az jel alakja ábrázolható az idő függvényében. Ez a jelalak az átvitel során megsérül. A környezetből és a vezető részecskéinek belső hőmozgása miatt zajok kerülnek a jelre.

A hasznos jel és a zaj teljesítményének aránya a jel/zaj viszony (signal-to-noise ratio). Ennek mértékét decibelben (dB) szokás megadni. Kiszámítása a jel és zaj teljesítményhányadosának logaritmusa szorozva 10-zel: 10*log10S/N. Például, ha a jel/zaj teljesítményviszony 10, akkor ez 10*log10=10 dB-nek felel meg.

Az átviteli közeg, ellenállást jelent a jel terjedésének, azaz a vevő már egy teljesítményében lecsökkent, csillapítást szenvedett jelet érzékel. Minden szabályos, időközönként megismétlődő (periodikus) jel felbontható különböző frekvenciájú összetevőkre. A közeg a jelösszetevőkre frekvenciától függően különböző csillapítást gyakorol, ami azt eredményezi, hogy az eredeti jel az átvitel során torzul.

Az eredeti jelalak végtelen számú összetevőt tartalmaz. A 21. ábra a) részén, két alacsony frekvenciás összetevőből helyreállított jelalak a b) ábrán már több összetevőből létrejövő jel látható. Minél több összetevőt sikerül átengedni a csatornán, annál könnyebb a vevőnek helyreállítani az eredeti jelalakot. A közegek azonban a nagyobb frekvenciás összetevőket általában már nem tudják átvinni.

Sávszélesség (bandwidth): Minden átviteli közegre megadható, hogy mekkora az a jelfrekvencia tartomány, amin belül a csillapítás és torzulás mértéke a megengedett határokon belül van (H).

Ez gyakorlatilag annak a maximális frekvenciának az értéke, aminél a jel teljesítménye a felére csökken. A sávszélesség a közeg fizikai tulajdonságaitól (átmérő, hossz, anyag) függ.

Az emberi fül kb. 20 Hz-től 20000 Hz-ig képes érzékelni a hanghullámot. Ebből kiszámítható a ”fül sávszélessége”: 20000-20=19980 Hz. Az emberi érthető beszéd ennél jóval kisebb sávszélességet igényel, 300 Hz-től 3000 Hz-ig, azaz sávszélessége: 3000-300=2700 Hz. A telefontársaságok emiatt a telefonvonal sávszélességét, ami 1MHz körüli érték, szűrőkkel lekorlátozzák 3100 Hz-re. Ezzel a megoldással elérik, hogy több felhasználó megfelelő teljesítményviszonyok mellett telefonálhat egyszerre.

Minden adatátviteli csatornának véges a sávszélessége (Henry Nyquist, 1924). Minden korlátozott sávszélességű, zajjal terhelt csatornának megadható a maximális adatátviteli sebessége (Shannon, 1948).

Maximális adatátviteli sebesség=H*log2(1+S/N) [b/s] ahol H a sávszélesség, S a jel teljesítménye. N a zaj teljesítménye. Ha a telefonvonal átviteli sávszélessége H=3100 Hz és a jel/zaj értéke S/N=3000 (30 dB), akkor a maximális adatátviteli sebesség H*log2(1+1000)=3100*log2(1001)=30898 [b/s].

A maximális adatátviteli sebességet a hálózatok a gyakorlatban csak ritkán tudják elérni. Az adatátviteli sebességet b/s-ban szokás megadni.

Adatátviteli sebesség (Data Rate): A számítógépek adatátviteli sebessége az időegység alatt átvitt bitek számával egyenlő, mértékegysége b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s.

Az átvitt információ logikailag 0 vagy 1 értéket reprezentál. Ezek a jelek a hálózaton legtöbbször feszültségszinteknek, fényimpulzusoknak felelnek meg. A hálózat típusok definiálják a saját fizikai rétegüknek megfelelő impulzus szélességeket, időzítéseket, a 0 és 1 értékeknek megfelelő feszültségértékeket.

Az átviteli közeg a számítógépek között egyirányú vagy kétirányú adatátvitelt biztosíthat. Egyirányú, fél-duplex (half-duplex) átvitel esetén a jel a csatornán egy időben csak egy irányban haladhat, azaz a számítógép adott időpillanatban vagy vevőként, vagy adóként viselkedik. Kétirányú duplex átvitel esetén a számítógépek egy időben adhatnak és vehetnek jeleket, azaz a jel egyszerre két irányban haladhat a gépek között a csatornán. A folyamatirányítás cella és felügyelői szintjén általában duplex átvitel valósul meg, míg a terepi szintjén fél-duplex átvitel. Ipari busz rendszereknél (síneknél) szívesen alkalmazzák a fél-duplex megoldás, hiszen ez a feleannyi vezeték miatt jelentős költségmegtakarítást eredményezhet, ugyanakkor a megvalósítható adatátviteli sebesség mellett biztosítható a folyamatirányító rendszer valós idejű működése.