बँडविड्थ आणि मीडिया (अच्युत गोडबोले)

यापुढे आपण नेटवर्किंग आणि इंटरनेट यासंबंधी बोलणार आहोत. त्या अगोदर बँडविड्थ, ब्रॉडबँड, ट्रान्समिशन मीडिया, मल्टीप्लेक्सिंग आणि नंतर लॅन/मॅन/वॅन, नेटवर्किंग प्रोटोकॉल्स, पॅकेट स्विचिंग, टीसीपी-आयपी, इंटरनेट इन्फ्रास्ट्रक्चर, ईमेल कसं चालतं, वर्ल्ड वाईड वेब कसं चालतं अशा अनेक गोष्टींबद्दल पुढचे काही आठवडे बोलणार आहोत. त्यानंतर मोबाईल फोन्स आणि शेवटी आर्टिफिशियल इंटेलिजन्स असा सगळा कार्यक्रम आहे.

आजकाल बँडविड्थ, ब्रॉडबँड अशा तऱ्हेचे शब्द किंवा ‘माझ्या इंटरनेटची बँडविड्थ २० मेगाबिट्स/सेंकद (Mbps) आहे’ असे संवाद आपण रोज अनेकदा ऐकतो. त्यांचा अर्थ काय आहे? बँडविड्थ आणि डेटा रेट हे शब्द बरेचदा समानार्थी तऱ्हेनं वापरले जातात; पण त्यांच्यात फरक आहे. खरं तर कुठल्याही मीडियामधून विद्युतलहरी, प्रकाशलहरी किंवा रेडिओलहरी वाहत असतात. मग त्यांचा आणि डेटाचा आणि डेटा रेटचा काय संबंध आहे? हे समजण्यासाठी आपण सायनोसायडल सिग्नल म्हणजे काय हे तपासलं पाहिजे.

लेखासोबत जी आकृती दिली आहे, त्यातल्या (अ) भागात व्होल्टेज (य अक्ष) वेळेप्रमाणे (क्ष अक्ष) कसं बदलतं याविषयीचा एक सायनोसायडल सिग्नल दाखवला आहे. आकृतीत हा सायनोसायडल सिग्नल थोडासा चपटा आलाय एवढंच. या सिग्नलमध्ये एकच पॅटर्न सतत रिपीट होत असतो. सिग्नल ० पासून सर्वोच्च बिंदूवर जातो, त्यांनतर खाली येऊन तो पुन्हा ० वर येतो, त्यानंतर त्याच्याही खाली जातो, आणि शेवटच्या तळाला गेल्यावर पुन्हा चढत चढत जाऊन मूळच्या ० या बिंदूवर येतो. या ० पासून ० पर्यंत येण्याच्या या चक्राला किंवा सायकलला जेवढा वेळ लागतो, त्याला ‘पीर्यड (T)’ असं म्हणतात. आपल्या (अ) या आकृतीत हा T १/१० सेकंद एवढा आहे. म्हणजेच १ सेकंदाला आपल्या सिग्नलच्या १० सायकल्स होतात. या सायकल्स/सेकंद यालाच फ्रीक्वेन्सी (f) असं म्हणतात. ती हर्टझमध्ये मोजतात. थोडक्यात आपल्या (अ) मधल्या सिग्नलची फ्रिक्वेन्सी (f) ही १० हर्टझ् आहे. म्हणून आपल्या उदाहरणात T= १/१० आणि f = १०. म्हणून f आणि T यांचा गुणाकार १ एवढा येतो. हे नेहमीच खरं असतं.

फ्रिक्वेन्सी आणि डेटा रेट यांचा संबंध ढोबळमानानं कळण्यासाठी जरी तांत्रिकदृष्ट्या अचूक नसलं तरी एक उदाहरण आपण विचारात घेऊ. आता जेव्हा हा आलेख ० पेक्षा जास्त असतो, त्या भागाला १ हा बिट आणि जेव्हा तो ० पेक्षा कमी असतो त्या भागाला ० हा बिट असं ढोबळमानानं म्हटलं, तर जेव्हा हा सिग्नल एका ठिकाणाहून दुसरीकडे जातो, तेव्हा त्यातून ० आणि १ हे बिट्स पाठवले जातात अशी आपण कल्पना करू शकतो; आणि जर हे सिग्नल्स खूप वेगानं पाठवले म्हणजेच त्यांची फ्रिक्वेन्सी वाढवली, तर त्यातून दर सेंकदाला जास्त बिट्स पाठवता येईल हेही आपण समजू शकतो. थोडक्यात फ्रिक्वेन्सीचा आणि बिट्स/सेकंद (bps) म्हणजे डेटा रेटचा काहीतरी संबंध आहे हे आपल्या लक्षात येईल.

मात्र, खूप कमी सिग्नल्स अगदी तंतोतंत सायनोसायडल असतात. बहुतांशी ध्वनीलहरी, विद्युतलहरी किंवा रेडिओलहरी या वेगवेगळ्या आकाराच्या असतात. मग त्यांचा सायनोसायडल लहरींशी काय संबंध?
फूरिये नावाच्या फ्रेंच गणितज्ञानं एक महत्त्वाची गोष्ट सिद्ध केली. त्यानं सांगितलं, की कुठलाही सिग्नल हा अनेक वेगवेगळ्या सायनोसायडल सिग्नल्सची बेरीज करून मिळवता येतो. शेजारच्या आकृतीत (अ), (ब) आणि (क) भागात अनुक्रमे १० हर्टझ्, ३० हर्टझ् आणि ५० हर्टझ् अशा फ्रिक्वेन्सीजचे सायनोसायडल सिग्नल्स दाखवले आहेत. (ड) या भागात एक सिग्नल दाखवलाय आणि तो वरच्या (अ), (ब) आणि (क) या तीन सायनोसायडल सिग्नलच्या बेरजेतून मिळतो हे दाखवलंय. म्हणजे आलेखावरच्या कुठल्याही क्ष अक्षावरच्या बिंदूला जर या तीनही आलेखांच्या व्हॅल्यूजची (य अक्षांची) बेरीज केली आणि ती बेरीज जर आपण या क्ष अक्षावरच्या बिंदूसाठी य अक्षाची किंमत (व्हॅल्यू) समजून प्लॉट केली तर आपल्याला (ड) मध्ये दाखवलेला सिग्नल मिळेल.

आता प्रत्येक सिग्नलची एक बँडविड्थ असते. तो सिग्नल ज्या सायनोसायडल सिग्नल्सचा मिळून बनलाय, त्यापैकी सगळ्यात कमी फ्रिक्वेन्सीच्या सिग्नलची फ्रिक्वेन्सी आणि सगळ्यात जास्त फ्रिक्वेन्सीच्या सिग्नलची फ्रिक्वेन्सी यामधल्या फरकाला त्या ‘सिग्नलची बँडविड्थ’ असं म्हणतात. उदाहरणार्थ, वरच्या उदाहरणात (ड) मध्ये दाखवलेल्या सिग्नलची बँडविड्थ ५० हर्टझ् - १० हर्टझ् = ४० हर्टझ् एवढी होईल.

आपण या आकृतीमधल्या अ, ब, क, ड या चारही आकृत्या बघितल्या तर लक्षात येईल की अ, ब आणि क या सिग्नल्समध्ये जसजशा आपण जास्त फ्रिक्वेन्सीजचे सिग्नल्स जोडत जाऊ, तसतसा त्यांची बेरीज करून त्यांच्यापासून मिळणारा सिग्नल जास्त जास्त डिजिटल सिग्नलसारखा दिसायला लागतो. असंच आपण अ, ब आणि क या सिग्नल्समध्ये ७० हर्टझ्, ९० हर्टझ् ..... अशा फ्रिक्वेन्सीज अनंतापर्यंत जोडत गेलो आणि त्या सगळ्या सायनोसायडल सिग्नल्सचा एकत्र परिणाम बघितला, तर आपल्याला तंतोतंत (परफेक्ट) डिजिटल सिग्नल मिळेल. थोडक्यात डिजिटल सिग्नलची बँडविड्थ अनंत असते. मात्र, जरी आपण १ आणि ० असे सिग्नल्स साधारणपणे ओळखता येतील असे दिसण्यासाठी फक्त १०, ३० आणि ५० फ्रिक्वेन्सीजचे सिग्नल्स घेतले, तरीही आपल्याला (ड) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे साधारणपणे डिजिटल दिसणारा सिग्नल मिळेल.

आता आपण (ड) या आकृतीकडे पाहिलं, तर आपल्याला तो ४० हर्टझ् बँडविड्थ असलेला थोडाफार डिजिटल सिग्नलसारखा सिग्नल दिसेल; आणि आपल्याला १/१० सेंकदात तो जेव्हा एक सायकल पूर्ण करतो, तेव्हा त्यातून १ आणि ० असे २ बिट्स प्रवास करताहेत असं आपण मानू शकतो. म्हणजेच याचा बिट रेट हा १/१० सेंकदात २ बिट्स किंवा दर सेंकदाला २० बिट्स म्हणजेच २० बिट्स/सेकंद किंवा २० bps असा असतो. थोडक्यात जेव्हा सिग्नलची बँडविड्थ ४० हर्टझ् होती, तेव्हा त्या सिग्नलचा बिट रेट २० bps होता. आता आपण जर अ, ब आणि क या तीनही आकृतींमधल्या सिग्नल्सच्या फ्रिक्वेन्सीज प्रत्येकी दुप्पट केल्या, तर त्या २० हर्टझ्, ६० हर्टझ् आणि १०० हर्टझ् एवढ्या होतील; म्हणजे ते सिग्नल्स दुप्पट वेगानं बदलतील आणि ते सिग्नल्स जोडून निर्माण होणाऱ्या सिग्नलची बँडविड्थ १०० हर्टझ् - २० हर्टझ् = ८० हर्टझ् एवढी असेल; पण आता जो सिग्नल आपल्याला मिळेल तो दुप्पट वेगानं बदलत म्हणजेच वरखाली होत असल्यामुळे दुप्पट वेगानं १ आणि ० हे बिट्स पाठवेल. म्हणून त्यामुळे निर्माण होणारा बिट रेट हाही पूर्वीच्या दुप्पट म्हणजे २० X २ = ४० बिट्स/सेकंद किंवा ४० bps एवढा असेल. थोडक्यात कुठल्याही सिग्नलमधून जेवढा डेटा प्रवास करू शकतो, त्याचा वेग (डेटा रेट) हा त्या सिग्नलच्या बँडविड्थच्या प्रमाणात (डायरेक्टली प्रपोर्शनल) असतो. म्हणजे जितकी सिग्नलची बँडविड्थ कमी जास्त होईल, तितका त्यातून मिळणारा बिटरेटही त्याच प्रमाणात कमी-जास्त होतो.
आता प्रत्येक सिग्नल किती गुंतागुंतीचा आहे आणि किती लवकर बदलतोय यावरून त्याची बँडविड्थ ठरते. उदाहरणार्थ, आपल्या आवाजाची म्हणजे ध्वनीलहरींची बँडविड्थ ३१०० हर्टझ् - ३०० हर्टझ् = २८०० हर्टझची असते. संगीतासाठी त्यातले बारकावेही हवे असतील, तर त्यासाठी २०००० हर्टझ् एवढी बँडविड्थ लागते. म्हणूनच याला ‘हाय फायडेलिटी (हाय फाय)’ असं म्हणतात. आणि ‘हायफाय’ म्युझिक सिस्टिममधून त्यातल्या बऱ्याचशा फ्रिक्वेन्सीज ऐकू येतात. मात्र, टेलिफोनमधल्या संभाषणासाठी आपल्याला फक्त बोलणारा कोण आहे आणि तो काय म्हणतो आहे एवढंच ऐकायचं असतं. तेवढं समजण्यासाठी हायफायची गरज नसते. म्हणून प्रत्येक संभाषणासाठी प्रत्यक्ष आवाजासाठी २८०० हर्टझ् लागतात; पण त्याशिवाय २०० हर्टझ् हे दोन संभाषणं एकमेकात मिसळू न देण्यासाठी गार्ड बँड्ज म्हणून ठेवलेले असतात. असे दोन्ही मिळून प्रत्येक संभाषणासाठी ३००० हर्टझ् म्हणजेच ३ किलोहर्टझ् किंवा ३ KHz एवढे राखून ठेवले जातात. (काही ठिकाणी ही ४ KHz समजली जाते.) व्हिडिओ सिग्नल जास्त गुंतागुंतीचे असतात आणि त्यात सतत बदलणारी दृश्यं आणि आवाज हे दोन्ही असल्यामुळे बँडविड्थ ६ मेगाहर्टझ् किंवा ६ MHZ म्हणजेच ६००० KHz असते. ही झाली वेगवेगळ्या सिग्नल्सची बँडविड्थ.

आता हे सिग्नल्स वाहून नेण्यासाठी (ट्रान्समिट) आपण वेगवेगळी माध्यमं (ट्रान्स्मिशन मीडिया) वापरतो. याचे दोन मुख्य प्रकार आहेत. एक म्हणजे गायडेड किंवा वायर्ड मीडिया आणि दुसरा म्हणजे अनगायडेड मीडिया. गायडेड मीडियामध्ये ट्विस्टेड वायर पेयर, कोअॅक्सिअल (कोअॅक्स) केबल आणि ऑप्टिकल फायबर असे तीन प्रकार आहेत. अनगायडेडमध्ये रेडिओ वेव्हज्, मायक्रोव्हेव्हज् आणि इन्फ्रारेड असे प्रकार असतात. जशी प्रत्येक सिग्नलला बँडविड्थ असते, त्याचप्रमाणं प्रत्येक माध्यमाला (मीडियाला) एक बँडविड्थ आणि डेटा रेट असतो. माध्यमाचे जे गुणधर्म असतात त्यावरून त्या माध्यमातून जास्तीत जास्त किती फ्रिक्वेन्सी वाहून जाऊ शकते हे ठरतं. जास्त फ्रिक्वेन्सी म्हणजे तितक्या जलद त्यातला सिग्नल बदलता आला पाहिजे. काही माध्यमांना ते सहजपणे जमतं, तर काहींमध्ये त्यावर मर्यादा पडतात. त्यावरून त्या माध्यमातून जास्तीत जास्त किती फ्रिक्वेन्सी बँडविड्थचे सिग्नल्स जाऊ शकतात हे ठरतं आणि जितकी फ्रिक्वेन्सीची बँडविड्थ जास्त तितका डेटा रेट जास्त. हा डेटा रेट म्हणजे या माध्यमातून दर सेकंदाला जास्तीत जास्त किती डेटा म्हणजे बिट्स/सेकंद (bps) प्रवास करू शकतात याचं मोजमाप असतं. म्हणूनच ट्विस्टेड वायर पेयर, कोऑक्सिअल (कोऑक्स) केबल आणि ऑप्टिकल फायबर या गायडेड मीडिया तसंच अनगायडेड मीडिया या प्रत्येकाचे डेटा रेट्सही ठरलेले असतात.

ट्विस्टेड वायर पेअर्स पूर्वी टेलिफोनमध्ये वापरल्या जायच्या. त्यातल्या काही १ MHz एवढ्या बँडविड्थचे सिग्नल्स नेऊ शकायच्या. म्हणून त्यांची बँडविड्थ १ MHz आहे असं म्हणायचे.

कोअॅक्समध्ये सिग्नलची गळती होऊ नये म्हणून वायरवर एक डायलेक्ट्रिक इन्सुलेटर आणि त्यावर प्लॅस्टिकचं जॅकेट असत. कोअॅक्सची बँडविड्थ साधरणपणे ७५० मेगाहर्टझ् (MHz) एवढी असते. ऑप्टिकल फायबरमध्ये प्रकाशलहरी परावर्तित होत होत प्रवास करतात. त्याची बँडविड्थ १०० GHz म्हणजे (१००००० MHz) एवढी असते. पुढच्या लेखात आपण मल्टिप्लेक्सिंग आणि ट्रान्स्मिशन मीडिया यांच्याविषयी बोलू.