Tema 2. Fizički sloj

Plan

Teorijske osnove prijenosa podataka

Informacije se mogu prenijeti žicama promjenom bilo koje fizičke veličine, poput napona ili struje. Predstavljanjem vrijednosti napona ili struje kao funkcije vremena s jednom vrijednošću, možete modelirati ponašanje signala i podvrgnuti ga matematičkoj analizi.

Fourierov red

Početkom 19. stoljeća francuski matematičar Jean-Baptiste Fourier dokazao je da se svaka periodična funkcija s periodom T može proširiti u niz (moguće beskonačan) koji se sastoji od zbroja sinusa i kosinusa:
(2.1)
gdje je osnovna frekvencija (harmonik), i su amplitude sinusa i kosinusa n-tog harmonika, a c je konstanta. Takvo širenje naziva se Fourierov red. Funkcija proširena u Fourierov red može se obnoviti iz elemenata tog niza, odnosno ako su poznati period T i harmoničke amplitude, tada se izvorna funkcija može obnoviti pomoću zbroja nizova (2.1).
Informacijski signal koji ima konačno trajanje (svi informacijski signali imaju konačno trajanje) može se proširiti u Fourierov niz ako zamislimo da se cijeli signal beskrajno ponavlja iznova i iznova (odnosno, interval od T do 2T se u potpunosti ponavlja interval od 0 do T itd.).
Amplitude se mogu izračunati za bilo koju funkciju. Da biste to učinili, trebate pomnožiti lijevu i desnu stranu jednadžbe (2.1) s, a zatim integrirati od 0 do T. Budući da:
(2.2)
ostaje samo jedan član niza. Red potpuno nestaje. Slično, množenjem jednadžbe (2.1) i integracijom tijekom vremena od 0 do T, mogu se izračunati vrijednosti. Ako integrirate obje strane jednadžbe bez promjene, možete dobiti vrijednost konstante S. Rezultati ovih radnji bit će sljedeći:
(2.3.)

Upravljani mediji

Svrha fizičkog sloja mreže je prijenos sirovog toka bitova s jednog stroja na drugi. Za prijenos se mogu koristiti različiti fizički mediji, koji se nazivaju i mediji za širenje signala. Svaki ima karakterističan skup propusnosti, kašnjenja, cijene i jednostavnosti instalacije i korištenja. Mediji se mogu podijeliti u dvije skupine: vođeni mediji, poput bakrene žice i optičkog kabela, i nevođeni mediji, poput prijenosa radio i laserske zrake bez kabela.

Magnetski mediji

Jedan od naj jednostavnih načina prenesite podatke s jednog računala na drugo - zapišite ih na magnetsku vrpcu ili drugi prijenosni medij (na primjer, DVD koji se može ponovno snimati), fizički prenesite te trake i diskove na njihovo odredište i tamo ih pročitajte.
Visoka propusnost. Standardni uložak trake Ultrium drži 200 GB. Otprilike 1000 ovih kazeta stane u kutiju 60x60x60, dajući ukupni kapacitet od 1600 Tbits (1,6 Pbits). Kutija vrpci može se poslati unutar 24 sata unutar SAD-a putem Federal Expressa ili drugog prijevoznika. Efektivna propusnost za takav prijenos je 1600 Tbit/86400 s, odnosno 19 Gbit/s. Ako je odredište udaljeno samo sat vremena, tada će protok biti veći od 400 Gbit/s. Niti jedna računalna mreža još nije u stanju niti se približiti takvim pokazateljima.
Ekonomičan. Veleprodajna cijena kasete je oko 40$. Kutija vrpci koštat će 4000 dolara, a ista se vrpca može koristiti nekoliko desetaka puta. Dodajte 1000 dolara za transport (a zapravo, puno manje) i dobit ćete oko 5000 dolara za prijenos 200 TB ili 3 centa po gigabajtu.
Mane. Iako je brzina prijenosa podataka korištenjem magnetskih vrpci izvrsna, latencija uključena u takav prijenos je vrlo velika. Vrijeme prijenosa mjeri se u minutama ili satima, a ne u milisekundama. Mnoge aplikacije zahtijevaju trenutni odgovor udaljenog sustava (u povezanom načinu).

upletena parica

Upletena parica sastoji se od dvije izolirane bakrene žice, čiji je uobičajeni promjer 1 mm. Žice su uvijene jedna oko druge u obliku spirale. To omogućuje smanjenje elektromagnetske interakcije nekoliko obližnjih upletene parice.
Primjena – telefonska linija, računalna mreža. Može odašiljati signal bez slabljenja snage na udaljenosti od nekoliko kilometara. Na većim udaljenostima potrebni su repetitori. Kombinirano u kabel sa zaštitnim premazom. U kabelu su parovi žica upleteni kako bi se izbjegle smetnje signala. Može se koristiti za prijenos analognih i digitalnih podataka. Propusnost ovisi o promjeru i duljini žice, ali u većini slučajeva brzine od nekoliko megabita u sekundi mogu se postići na udaljenostima od nekoliko kilometara. Zbog svoje relativno velike propusnosti i niske cijene, kabeli s upredenim paricama naširoko su korišteni i vjerojatno će i dalje biti popularni u budućnosti.
Kabeli s upredenim paricama dolaze u nekoliko oblika, od kojih su dva posebno važna u području računalnih mreža. Žice s upredenim paricama kategorije 3 (CAT 3) sastoje se od dvije izolirane žice upletene zajedno. Četiri takva para obično se stavljaju zajedno u plastičnu školjku.
Upredena parica kategorije 5 (CAT 5) slična je upredenoj parici kategorije 3, ali ima više zavoja po centimetru duljine žice. To omogućuje dodatno smanjenje smetnji između različitih kanala i pružanje poboljšane kvalitete prijenosa signala na velikim udaljenostima (slika 1).

Riža. 1. UTP kategorija 3 (a), UTP kategorija 5 (b).
Sve ove vrste veza često se nazivaju UTP (unshielded twisted pair - neoklopljena upletena parica)
IBM-ovi oklopljeni kabeli s upletenim paricama nisu postali popularni izvan IBM-a.

Koaksijalni kabel

Drugi uobičajeni način prijenosa podataka je koaksijalni kabel. Bolje je zaštićen od upletene parice, tako da može prenositi podatke na veće udaljenosti pri većim brzinama. U širokoj su upotrebi dvije vrste kabela. Jedan od njih, 50 ohma, obično se koristi samo za prijenos digitalnih podataka. Druga vrsta kabela, 75 ohma, često se koristi za prijenos analognih informacija, kao iu kabelskoj televiziji.
Pogled na poprečni presjek kabela prikazan je na slici 2.

Riža. 2. Koaksijalni kabel.
Dizajn i posebna vrsta zaštite koaksijalnog kabela osiguravaju visoku propusnost i izvrsnu otpornost na smetnje. Maksimalna propusnost ovisi o kvaliteti, duljini i omjeru signal/šum linije. Moderni kabeli imaju propusnost od oko 1 GHz.
Primjena – telefonski sustavi (trankovi), kabelska televizija, regionalne mreže.

Optička vlakna

Trenutna tehnologija optičkih vlakana može doseći brzine prijenosa podataka do 50 000 Gbit/s (50 Tbit/s), a mnogi su stručnjaci zaokupljeni traženjem naprednijih materijala. Današnja praktična granica od 10 Gbps nastala je zbog nemogućnosti bržeg pretvaranja električnih signala u optičke signale i obrnuto, iako su u laboratoriju već postignute brzine od 100 Gbps na jednom vlaknu.
Prijenosni sustav optičkih vlakana sastoji se od tri glavne komponente: izvora svjetlosti, nosača kroz koji putuje svjetlosni signal i prijemnika signala ili detektora. Svjetlosni impuls se uzima kao jedinica, a odsutnost impulsa se uzima kao nula. Svjetlo putuje kroz ultratanko stakleno vlakno. Kada svjetlo udari u njega, detektor generira električni puls. Spajanjem izvora svjetlosti na jedan kraj optičkog vlakna, a detektora na drugi, dobiva se jednosmjerni sustav prijenosa podataka.
Pri prijenosu svjetlosnog signala koristi se svojstvo refleksije i loma svjetlosti pri prijelazu iz 2 medija. Dakle, kada se svjetlost dovodi pod određenim kutom u odnosu na granicu medija, svjetlosna zraka se potpuno reflektira i zaključava u vlaknu (slika 3).

Riža. 3. Svojstvo loma svjetlosti.
Postoje 2 vrste optičkih kabela: višemodni - prenosi snop svjetlosti, jednomodni - tanak do granice nekoliko valnih duljina, ponaša se gotovo kao valovod, svjetlost se kreće pravocrtno bez refleksije. Današnje veze s jednomodnim vlaknima mogu raditi brzinom od 50 Gbps na udaljenostima do 100 km.
U komunikacijskim sustavima koriste se tri raspona valnih duljina: 0,85, 1,30 i 1,55 µm, respektivno.
Struktura optičkog kabela slična je strukturi koaksijalne žice. Jedina razlika je u tome što prvi nema rešetkastu mrežicu.
U središtu jezgre optičkog vlakna je staklena jezgra kroz koju putuje svjetlost. U višemodnom optičkom vlaknu promjer jezgre je 50 mikrona, što je približno jednako debljini ljudske vlasi. Jezgra u jednomodnom vlaknu ima promjer od 8 do 10 mikrona. Jezgra je prekrivena slojem stakla s nižim indeksom loma od jezgre. Dizajniran je da pouzdanije spriječi izlazak svjetlosti izvan jezgre. Vanjski sloj je plastična ovojnica koja štiti staklo. Žice optičkih vlakana obično su grupirane u snopove zaštićene vanjskim omotačem. Slika 4 prikazuje trožilni kabel.

Riža. 4. Trožilni optički kabel.
U slučaju prekida, dijelovi kabela mogu se spojiti na tri načina:

Na kraj kabela može se spojiti poseban konektor pomoću kojeg se kabel ubacuje u optičku utičnicu. Gubitak je 10-20% intenziteta svjetla, ali olakšava promjenu konfiguracije sustava.

Spajanje - dva uredno odrezana kraja kabela položena su jedan pored drugog i stegnuta posebnom spojnicom. Poboljšani prijenos svjetlosti postiže se poravnavanjem krajeva kabela. Gubitak - 10% snage svjetlosti.

Fuzija. Gubitka praktički nema.

Za prijenos signala preko optičkog kabela mogu se koristiti dvije vrste izvora svjetlosti: diode koje emitiraju svjetlost (LED) i poluvodički laseri. Njihove usporedne karakteristike dane su u tablici 1.

Stol 1.
Usporedna tablica upotrebe LED i poluvodičkog lasera
Prijemni kraj optičkog kabela je fotodioda koja generira električni impuls kada svjetlo udari na nju.

Usporedna svojstva svjetlovodnog kabela i bakrene žice.

Optička vlakna imaju niz prednosti:

Velika brzina.

Manje prigušenje signala, izlaz iz manje repetitora (jedan na 50 km, ne 5)

Inertan prema vanjskom elektromagnetska radijacija, kemijski neutralan.

Lakši u težini. 1000 bakrenih upredenih parica duljine 1 km teži oko 8000 kg. Par optičkih kabela teži samo 100 kg s većom propusnošću

Niski troškovi instalacije

Mane:

Složenost i stručnost tijekom instalacije.

prijenos u simplex modu, potrebne su najmanje 2 žice između mreža.

Bežična veza

Elektromagnetski spektar

Kretanje elektrona stvara elektromagnetske valove koji se mogu širiti u prostoru (čak iu vakuumu). Broj elektromagnetskih oscilacija u sekundi naziva se frekvencija, a mjeri se u hercima. Udaljenost između dva uzastopna maksimuma (ili minimuma) naziva se valna duljina. Ova se veličina tradicionalno označava grčkim slovom (lambda).
Ako u strujni krug uključite antenu odgovarajuće veličine, tada prijamnik može uspješno primati elektromagnetske valove na određenoj udaljenosti. Svi bežični komunikacijski sustavi temelje se na ovom principu.
U vakuumu svi elektromagnetski valovi putuju istom brzinom, bez obzira na njihovu frekvenciju. Ta se brzina naziva brzinom svjetlosti, - 3*108 m/s. U bakru ili staklu, brzina svjetlosti je otprilike 2/3 ove vrijednosti, a također malo ovisi o frekvenciji.
Odnos između količina i:

Ako se frekvencija () mjeri u MHz, a valna duljina () u metrima tada.
Ukupnost svih elektromagnetskih valova čini takozvani kontinuirani spektar elektromagnetskog zračenja (slika 5). Radio, mikrovalna, infracrvena i vidljiva svjetlost mogu se koristiti za prijenos informacija korištenjem amplitudne, frekvencijske ili fazne modulacije valova. Ultraljubičasto, X-zrake i gama zrake bile bi još bolje zbog svojih visokih frekvencija, ali ih je teško generirati i modulirati, slabo prodiru u zgrade, a i opasne su za sva živa bića. Službeni nazivi raspona dati su u tablici 6.

Riža. 5. Elektromagnetski spektar i njegova primjena u komunikacijama.
Tablica 2.
Službeni ITU nazivi opsega
Količina informacija koju elektromagnetski val može prenijeti povezana je s frekvencijskim rasponom kanala. Moderne tehnologije omogućuju kodiranje nekoliko bitova po hercu niske frekvencije. Pod nekim uvjetima, taj se broj može povećati osam puta po visoke frekvencije.
Znajući širinu raspona valnih duljina, možete izračunati odgovarajući frekvencijski raspon i brzinu prijenosa podataka.

Primjer: Za raspon optičkih kabela od 1,3 mikrona, dakle. Zatim na 8 bit/s ispada da možete dobiti brzinu prijenosa od 240 Tbit/s.

Radio komunikacija

Radio valove je lako generirati, putuju na velike udaljenosti, prolaze kroz zidove, obilaze zgrade i šire se u svim smjerovima. Svojstva radio valova ovise o frekvenciji (slika 6). Kada rade na niskim frekvencijama, radiovalovi dobro prolaze kroz prepreke, ali jačina signala u zraku naglo opada kako se odmiču od odašiljača. Omjer snage i udaljenosti od izvora izražava se približno ovako: 1/r2. Na visokim frekvencijama, radiovalovi uglavnom putuju isključivo pravocrtno i odbijaju se od prepreka. Osim toga, apsorbiraju se, na primjer, kišom. Radio signali svih frekvencija podložni su smetnjama od motora s četkicama i druge električne opreme.

Riža. 6. Valovi područja VLF, LF, MF zavijaju se oko neravne površine zemlje (a), valovi područja HF i VHF reflektiraju se od ionosfere i apsorbiraju ih na zemlji (b).

Mikrovalne komunikacije

Na frekvencijama iznad 100 MHz, radiovalovi putuju gotovo pravocrtno, tako da se mogu fokusirati u uske zrake. Koncentriranje energije u uski snop pomoću parabolične antene (poput dobro poznate satelitske televizijske antene) dovodi do poboljšanog omjera signala i šuma, ali za takvu komunikaciju odašiljačka i prijamna antena moraju biti prilično točno usmjerene jedna prema drugoj.
Za razliku od radio valova nižih frekvencija, mikrovalovi ne prolaze dobro kroz zgrade. Mikrovalne radiokomunikacije postale su toliko široko korištene u međugradskoj telefoniji, mobitelima, televizijskom emitiranju i drugim područjima da je došlo do ozbiljnog nedostatka propusnosti spektra.
Ova veza ima brojne prednosti u odnosu na optička vlakna. Glavna stvar je da nema potrebe za polaganjem kabela, a shodno tome, nema potrebe plaćati najam zemljišta duž signalne staze. Dovoljno je kupiti male parcele svakih 50 km i na njih postaviti relejne tornjeve.

Infracrveni i milimetarski valovi

Infracrveno zračenje i zračenje milimetarskih valova bez korištenja kabela naširoko se koristi za komunikaciju na ne-kabelima. velike udaljenosti(primjer daljinskih upravljača). Oni su relativno usmjereni, jeftini i jednostavni za ugradnju, ali neće prodrijeti kroz čvrste objekte.
Infracrvene komunikacije koriste se u stolnim računalnim sustavima (na primjer, za povezivanje prijenosnih računala s pisačima), ali još uvijek nemaju značajnu ulogu u telekomunikacijama.

Komunikacijski sateliti

Koriste se sljedeći tipovi satelita: geostacionarni (GEO), srednjovisinski (MEO) i niskoorbitalni (LEO) (slika 7).

Riža. 7. Komunikacijski sateliti i njihova svojstva: orbitalna visina, kašnjenje, broj satelita potreban za pokrivanje cijele površine zemaljske kugle.

Javna komutirana telefonska mreža

Struktura telefonskog sustava

Struktura tipične telefonske rute srednje udaljenosti prikazana je na slici 8.

Riža. 8. Tipična komunikacijska ruta s prosječnom udaljenosti između pretplatnika.

Lokalne komunikacijske linije: modemi, ADSL, bežična komunikacija

Budući da računalo radi s digitalnim signalom, a lokalna telefonska linija predstavlja prijenos analognog signala, za obavljanje pretvorbe iz digitalnog u analogni i obrnuto koristi se uređaj – modem, a sam proces se naziva modulacija/demodulacija. (slika 9).

Riža. 9. Korištenje telefonske linije pri prijenosu digitalnog signala.
Postoje 3 metode modulacije (slika 10):

amplitudna modulacija - koriste se 2 različite amplitude signala (za 0 i 1),

frekvencija - koristi se nekoliko različitih frekvencija signala (za 0 i 1),

faza - fazni pomaci se koriste pri prijelazu između logičkih jedinica (0 i 1). Kutovi smicanja - 45, 135, 225, 180.

U praksi se koriste kombinirani modulacijski sustavi.

Riža. 10. Binarni signal (a); amplitudna modulacija (b); frekvencijska modulacija (c); fazna modulacija.
Svi moderni modemi omogućuju prijenos podataka u oba smjera; ovaj način rada naziva se full-duplex. Veza koja omogućuje sekvencijalni prijenos naziva se half-duplex. Veza u kojoj se prijenos odvija samo u jednom smjeru naziva se simpleks.
Maksimalna brzina modema koja se trenutno može postići je 56Kb/s. V.90 standard.

Digitalne pretplatničke linije. xDSL tehnologija.

Nakon što je brzina kroz modeme dosegla svoj limit, telefonske kompanije su počele tražiti izlaz iz ove situacije. Tako su se mnogi prijedlozi pojavili pod općim nazivom xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - digitalna pretplatnička linija, gdje umjesto x mogu postojati i druga slova. Najpoznatija tehnologija iz ove ponude je ADSL (Asimetrični DSL).
Razlog za ograničavanje brzine modema bio je taj što su koristili raspon prijenosa ljudskog govora - 300Hz do 3400Hz - za prijenos podataka. Zajedno s graničnim frekvencijama, širina pojasa nije bila 3100 Hz, već 4000 Hz.
Iako je spektar same lokalne telefonske linije 1.1 Hz.
Prva ponuda ADSL tehnologije koristila je cijeli spektar lokalne telefonske linije, koji je podijeljen u 3 pojasa:

POTS - redoviti domet telefonske mreže;

odlazni raspon;

dolazni raspon.

Tehnologija koja koristi različite frekvencije za različite svrhe naziva se frekvencijsko multipleksiranje ili frekvencijsko multipleksiranje.
Alternativna metoda nazvana diskretna višetonska modulacija, DMT (Discrete MultiTone), sastoji se od dijeljenja cijelog spektra lokalne linije od 1,1 MHz u 256 neovisnih kanala od 4312,5 Hz svaki. Kanal 0 je POTS. Kanali od 1 do 5 se ne koriste kako glasovni signal ne bi imao priliku interferirati s informacijskim signalom. Od preostalih 250 kanala, jedan je zauzet kontrolom prijenosa prema davatelju, jedan prema korisniku, a svi ostali su dostupni za prijenos korisničkih podataka (slika 11).

Riža. 11. Rad ADSL-a korištenjem diskretne višetonske modulacije.
ADSL standard omogućuje primanje do 8 Mb/s i slanje do 1 Mb/s. ADSL2+ - odlazni do 24 Mb/s, dolazni do 1,4 Mb/s.
Tipična konfiguracija ADSL opreme sadrži:

DSLAM - DSL pristupni multiplekser;

NID je uređaj mrežnog sučelja koji razdvaja vlasništvo telefonske tvrtke i pretplatnika.

Razdjelnik (splitter) - frekvencijski razdjelnik koji odvaja POTS pojas i ADSL podatke.

Riža. 12. Tipična konfiguracija ADSL opreme.

Linije i brtve

Štednja resursa igra važnu ulogu u telefonskom sustavu. Trošak instaliranja i održavanja okosnice velikog kapaciteta i vodova niske kvalitete gotovo je isti (odnosno, lavovski dio tog troška ide na kopanje rovova, a ne na sam bakreni ili optički kabel).
Iz tog su razloga telefonske tvrtke zajednički razvile nekoliko shema za prijenos više razgovora preko jednog fizičkog kabela. Sheme multipleksiranja mogu se podijeliti u dvije glavne kategorije: FDM (Frequency Division Multiplexing) i TDM (Time Division Multiplexing) (slika 13).
S frekvencijskim multipleksiranjem, frekvencijski spektar je podijeljen između logičkih kanala i svaki korisnik dobiva ekskluzivno vlasništvo nad svojim vlastitim podpojasom. U vremenskom multipleksiranju, korisnici se izmjenjuju (ciklički) koristeći isti kanal, a svaki dobiva puni kapacitet kanala na kratko vremensko razdoblje.
Svjetlovodni kanali koriste posebnu verziju frekvencijskog multipleksiranja. Naziva se spektralnim multipleksiranjem (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Riža. 13. Primjer frekvencijskog multipleksiranja: originalni spektri 1 signala (a), frekvencijski pomaknuti spektri (b), multipleksirani kanal (c).

Prebacivanje

Sa stajališta prosječnog telefonskog inženjera, telefonski sustav sastoji se od dva dijela: vanjske opreme (lokalne telefonske linije i spojnice, izvan sklopki) i interne opreme (sklopke) smještene na telefonskoj centrali.
Svaka komunikacijska mreža podržava neki način komutacije (komunikacije) između svojih pretplatnika. Praktično je nemoguće svakom paru pretplatnika u interakciji osigurati vlastitu nekomutiranu fizičku komunikacijsku liniju, koju bi oni mogli ekskluzivno “posjedovati” dugo vremena. Stoga svaka mreža uvijek koristi neku metodu prebacivanja pretplatnika, koja osigurava dostupnost postojećih fizičkih kanala istovremeno za nekoliko komunikacijskih sesija između mrežnih pretplatnika.
Telefonski sustavi koriste dvije različite tehnike: komutaciju krugova i komutaciju paketa.

Preklopni krug

Prespajanje krugova uključuje formiranje kontinuiranog kompozitnog fizičkog kanala od pojedinačnih sekcija kanala spojenih u seriju za izravan prijenos podataka između čvorova. U mreži s komutiranim krugovima, prije prijenosa podataka, uvijek je potrebno izvršiti proceduru uspostave veze, tijekom koje se kreira kompozitni kanal (slika 14).

Zamjena paketa

Kada dođe do prebacivanja paketa, sve poruke koje šalje korisnik mreže razbijaju se na izvornom čvoru u relativno male dijelove koji se nazivaju paketi. Svaki paket ima zaglavlje koje navodi informacije o adresi potrebne za isporuku paketa odredišnom čvoru, kao i broj paketa koji će koristiti odredišni čvor za sastavljanje poruke. Paketi se prenose u mreži kao neovisni informacijski blokovi. Mrežni preklopnici primaju pakete od krajnjih čvorova i, na temelju informacija o adresi, međusobno ih prenose, te u konačnici do odredišnog čvora (slika 14).
itd.................

Za prijenos diskretnih podataka preko komunikacijskih linija s uskim frekvencijskim pojasom koristi se analogna modulacija. Tipičan predstavnik takvih linija je govorna komunikacijska linija koja je dostupna javnim korisnicima. telefonske mreže. Ova komunikacijska linija odašilje analogne signale u frekvencijskom području od 300 do 3400 Hz (dakle, propusnost linije je 3100 Hz). Strogo ograničenje propusnosti komunikacijskih linija u ovom je slučaju povezano s upotrebom opreme za multipleksiranje i preklapanje kanala u telefonskim mrežama.

Uređaj koji obavlja funkcije modulacije sinusoida nositelja na odašiljačkoj strani i demodulacije na prijemnoj strani naziva se modem (modulator-demodulator).

Analogna modulacija je fizička metoda kodiranja u kojoj se informacije kodiraju promjenom amplitude, frekvencije ili fazama sinusoidalni signal nosive frekvencije. Na amplitudna modulacija za logičku jedinicu odabrana je jedna razina amplitude sinusoide nosive frekvencije, a za logičku nulu - druga. Ova metoda se rijetko koristi u praksi u svom čistom obliku zbog niske otpornosti na šum, ali se često koristi u kombinaciji s drugim vrstama modulacije. Na frekvencijska modulacija vrijednosti 0 i 1 izvornih podataka prenose sinusoide s različitim frekvencijama . Ova metoda modulacije ne zahtijeva složene elektroničke sklopove u modemima i obično se koristi u modemima niske brzine koji rade na 300 ili 1200 bps. Na fazna modulacija Vrijednosti podataka 0 i 1 odgovaraju signalima iste frekvencije, ali s različitim fazama, na primjer 0 i 180 stupnjeva ili 0, 90, 180 i 270 stupnjeva. Modemi velike brzine često koriste kombinirane metode modulacije, obično amplitudu u kombinaciji s fazom. Za povećanje brzine prijenosa podataka koriste se kombinirane metode modulacije. Najčešće metode su Kvadraturna amplitudna modulacija-QAM). Ove metode temelje se na kombinaciji fazne modulacije s 8 vrijednosti faznog pomaka i amplitudne modulacije s 4 razine amplitude. Međutim, od 32 moguće kombinacije signala, nisu sve iskorištene. Takva redundancija kodiranja potrebna je kako bi modem prepoznao pogrešne signale koji nastaju uslijed izobličenja uslijed smetnji, koje su na telefonskim kanalima (osobito komutiranim) vrlo značajne amplitude i dugotrajne.

Na digitalno kodiranje koriste se diskretne informacije potencijal I pulsšifre. U potencijal U kodovima se za prikaz logičkih jedinica i nula koristi samo vrijednost potencijala signala, a ne uzimaju se u obzir njegovi padovi koji tvore cjelovite impulse. Puls kodovi vam omogućuju predstavljanje binarnih podataka ili kao impulse određenog polariteta, ili kao dio impulsa - potencijalnu razliku u određenom smjeru.

Pri korištenju pravokutnih impulsa za prijenos diskretnih informacija potrebno je odabrati metodu kodiranja koja bi istodobno postigla nekoliko ciljeva: imati najmanju spektralnu širinu rezultirajućeg signala pri istoj brzini prijenosa; osigurana sinkronizacija između odašiljača i prijamnika; imao sposobnost prepoznavanja grešaka; imao nisku prodajnu cijenu.

Uži spektar signala omogućuje postizanje veće brzine prijenosa podataka na istoj liniji (s istom propusnošću). Sinkronizacija odašiljača i prijamnika je neophodna kako bi prijamnik točno znao u kojem trenutku treba očitati nove informacije od komunikacijske linije. Ovaj problem je teže riješiti u mrežama nego kod razmjene podataka između blisko smještenih uređaja, na primjer između uređaja unutar računala ili između računala i pisača. Na malim udaljenostima, shema koja se temelji na zasebnoj komunikacijskoj liniji sata radi dobro, a informacije se uklanjaju iz podatkovne linije samo u trenutku dolaska taktnog impulsa. U mrežama uporaba ove sheme uzrokuje poteškoće zbog heterogenosti karakteristika vodiča u kabelima. Na velikim udaljenostima, nejednaka brzina širenja signala može uzrokovati da taktni impuls stigne toliko kasno ili prije odgovarajućeg podatkovnog signala da se podatkovni bit preskoči ili ponovno pročita. Još jedan razlog zašto mreže odbijaju koristiti taktne impulse je ušteda vodiča u skupim kabelima. Stoga mreže koriste tzv samosinkronizirajući kodovi,čiji signali nose upute za odašiljač u kojem trenutku u vremenu treba prepoznati sljedeći bit (ili nekoliko bitova, ako je kod fokusiran na više od dva stanja signala). Svaka nagla promjena signala – tzv ispred- može poslužiti kao dobra indikacija za sinkronizaciju prijemnika s odašiljačem. Kada se koriste sinusoide kao signal nositelja, rezultirajući kod ima svojstvo samosinkronizacije, jer promjena amplitude frekvencije nositelja omogućuje prijemniku da odredi trenutak pojavljivanja ulaznog koda.

Prepoznavanje i ispravljanje iskrivljenih podataka teško je izvesti pomoću sredstava fizičkog sloja, pa se najčešće ovaj posao poduzima protokolima koji se nalaze iznad: kanal, mreža, transport ili aplikacija. S druge strane, prepoznavanje grešaka na fizička razinaštedi vrijeme, budući da prijemnik ne čeka da se okvir u potpunosti smjesti u međuspremnik, već ga odmah odbacuje kada prepozna pogrešne bitove unutar okvira.

Zahtjevi za metode kodiranja međusobno su kontradiktorni, stoga svaka od popularnih metoda digitalnog kodiranja o kojima se govori u nastavku ima svoje prednosti i nedostatke u usporedbi s drugima.

Jedna od najjednostavnijih metoda potencijal kodiranje je unipolarni potencijalni kod, također se naziva kodiranje bez povratka na nulu (Bez povratka na nulu-NRZ) (sl.7.1.a). Posljednji naziv odražava činjenicu da se prilikom odašiljanja niza jedinica signal ne vraća na nulu tijekom ciklusa takta. NRZ metoda ima dobro prepoznavanje pogrešaka (zbog dva oštro različita potencijala), ali nema svojstvo samosinkronizacije. Prilikom odašiljanja dugog niza jedinica ili nula, linijski signal se ne mijenja, pa prijemnik iz ulaznog signala ne može odrediti trenutke u vremenu kada je potrebno ponovno očitati podatke. Čak i s generatorom takta visoke preciznosti, prijemnik može pogriješiti s trenutkom prikupljanja podataka, budući da frekvencije dvaju generatora gotovo nikada nisu potpuno identične. Stoga, pri visokim brzinama prijenosa podataka i dugim nizovima jedinica ili nula, mala neusklađenost takta može dovesti do pogreške cijelog ciklusa takta i, sukladno tome, očitavanja netočne vrijednosti bita.

a B C D E F

Riža. 7.1. Metode kodiranja binarnih podataka: a-unipolarni potencijal

cijalni kod; b- kod bipolarnog potencijala; V- unipolarni im-

pulsni kod; G -kod bipolarnog pulsa; d-šifra "Manchester";

e- potencijalni kod s četiri razine signala.

Još jedan ozbiljan nedostatak NRZ metode je prisutnost niskofrekventne komponente koja se približava nuli kada se odašilju dugi nizovi jedinica ili nula. Zbog toga mnoge komunikacijske linije koje ne omogućuju izravnu galvansku vezu između prijamnika i izvora ne podržavaju ovu vrstu kodiranja. Zbog toga se NRZ kod ne koristi u svom čistom obliku u mrežama, već se koriste njegove različite modifikacije koje eliminiraju i lošu samosinkronizaciju NRZ koda i prisutnost konstantne komponente.

Jedna od modifikacija metode NRZ je metoda Bipolarna alternativna inverzija oznake-AMI). U ovoj metodi ( riža. 7.1.b) koriste se tri razine potencijala - negativna, nulta i pozitivna. Za kodiranje logičke nule koristi se nulti potencijal, a logička jedinica se kodira pozitivnim ili negativnim potencijalom (pri čemu je potencijal svake nove jedinice suprotan potencijalu prethodne). AMI kod djelomično eliminira DC i probleme nedostatka samosinkronizacije svojstvene NRZ kodu. To se događa pri prijenosu dugih nizova jedinica. U tim je slučajevima signal na liniji slijed suprotno polariziranih impulsa s istim spektrom kao kod NRZ, koji odašilje naizmjenične nule i jedinice, to jest, bez konstantne komponente i s osnovnim harmonikom od N/2 Hz (gdje je N je brzina prijenosa podataka). Duge sekvence nula jednako su opasne za AMI kod kao i za NRZ kod - signal se degenerira u konstantni potencijal nulte amplitude. Općenito, za različite kombinacije bitova na liniji, korištenje AMI koda rezultira užim spektrom signala nego NRZ kod, a time i veći kapacitet linije. Na primjer, pri prijenosu naizmjeničnih jedinica i nula, osnovni harmonik f 0 ima frekvenciju od N/4 Hz. AMI kod također pruža neke mogućnosti za prepoznavanje pogrešnih signala. Dakle, kršenje stroge izmjene polariteta signala ukazuje na lažni impuls ili nestanak ispravnog impulsa iz linije. Poziva se signal s netočnim polaritetom zabranjeni signal (prekršaj signala). Budući da AMI kod ne koristi dvije, već tri razine signala na liniji, dodatna razina zahtijeva povećanje snage odašiljača kako bi se osigurala ista pouzdanost primanja bitova na liniji, što je zajednički nedostatak kodovi s više stanja signala nasuprot kodovima koji razlikuju samo dva stanja.

Najjednostavnije metode puls kodiranja su unipolarni pulsni kod, u kojoj je jedinica predstavljena zamahom, a nula njegovim odsustvom ( riža. 7.1v), I kod bipolarnog pulsa, u kojem je jedan predstavljen pulsom jednog polariteta, a nula drugim ( riža. 7,1 g). Svaki puls traje pola otkucaja. Bipolarni pulsni kod ima dobra svojstva samosinkronizacije, ali konstantna komponenta impulsa može biti prisutna, na primjer, kada se odašilje dug niz jedinica ili nula. Osim toga, njegov je spektar širi od spektra potencijalnih kodova. Dakle, kada se odašilju sve nule ili jedinice, frekvencija osnovnog harmonika koda bit će jednaka N Hz, što je dva puta više od osnovnog harmonika NRZ koda i četiri puta više od osnovnog harmonika AMI koda. pri prijenosu naizmjeničnih jedinica i nula. Zbog preširokog spektra bipolarni pulsni kod se rijetko koristi.

U lokalnim mrežama donedavno je najčešći način kodiranja bio tzv. Manchester kod"(riža. 7.1d). Manchesterski kod koristi razliku potencijala, to jest rub pulsa, za kodiranje jedinica i nula. Kod Manchesterskog kodiranja svaka je mjera podijeljena na dva dijela. Informacije su kodirane padovima potencijala koji se događaju u sredini svakog takta. Jedinica je kodirana rubom od niske razine signala do visoke, a nula je kodirana obrnutim rubom. Na početku svakog ciklusa takta može doći do pada signala iznad glave ako trebate predstaviti nekoliko jedinica ili nula u nizu. Budući da se signal mijenja barem jednom po ciklusu prijenosa jednog podatkovnog bita, Manchester kod ima dobra svojstva samotempiranja. Širina pojasa Manchesterskog koda je uža od one bipolarnog pulsa. Također nema istosmjernu komponentu, a osnovni harmonik u najgorem slučaju (pri prijenosu niza jedinica ili nula) ima frekvenciju N Hz, a u najboljem slučaju (pri prijenosu naizmjeničnih jedinica i nula) jednak je N / 2 Hz, poput AMI ili NRZ U prosjeku, širina pojasa Manchesterskog koda je jedan i pol puta uža od one bipolarnog pulsnog koda, a osnovni harmonik fluktuira oko vrijednosti 3N/4. Još jedna prednost Manchesterskog koda je ta što ima samo dvije razine signala, dok bipolarni pulsni kod ima tri.

Također postoje potencijalni kodovi s više razina signala za kodiranje podataka. Prikazano kao primjer ( Slika 7.1e) potencijalni kod 2V1Q s četiri razine signala za kodiranje podataka. U ovom kodu, svaka dva bita se prenose u jednom taktu u signalu s četiri stanja. Par bitova "00" odgovara potencijalu od -2,5 V, par bitova "01" - potencijal od -0,833 V, par bitova "11" - potencijal od +0,833 V, a par bitovi “10” - potencijal od +2,5 V. V Ova metoda kodiranja zahtijeva dodatne mjere za rad s dugim sekvencama identičnih parova bitova, budući da se tada signal pretvara u konstantnu komponentu. S nasumičnim preplitanjem bitova, spektar signala je dvostruko uži od spektra NRZ koda (pri istoj brzini prijenosa, trajanje takta se udvostručuje). Dakle, korištenjem predstavljenog 2B1Q koda, možete prenijeti podatke preko iste linije dvostruko brže nego korištenjem AMI koda. Međutim, da bi se to provelo, snaga odašiljača mora biti veća tako da prijemnik jasno razlikuje četiri razine u odnosu na pozadinu smetnji.

Koristi se za poboljšanje potencijalnih kodova tipa AMI i 2B1Q logičko kodiranje. Logičko kodiranje osmišljeno je za zamjenu dugih nizova bitova koji vode do konstantnog potencijala s isprekidanim. Logičko kodiranje karakteriziraju dvije metode - redundantni kodovi i kodiranje.

Redundantni kodovi temelje se na razbijanju izvorne sekvence bitova u dijelove, koji se često nazivaju simbolima. Svaki izvorni znak se zatim zamjenjuje novim koji ima više bitova od originala. Na primjer, 4B/5B logički kod zamjenjuje originalne 4-bitne duge simbole sa 5-bitnim dugim simbolima. Budući da rezultirajući simboli sadrže redundantne bitove, ukupan broj kombinacija bitova u njima je veći nego u originalnim. Dakle, u 4B/5B kodu, rezultirajući simboli mogu sadržavati 32 bitne kombinacije, dok izvorni simboli sadrže samo 16. Stoga, u rezultirajućem kodu, možete odabrati 16 takvih kombinacija koje ne sadrže veliki broj nula, a izbroji ostatak zabranjeni kodovi (kršenje koda). Uz eliminaciju DC komponente i stvaranje koda koji se samostalno sinkronizira, redundantni kodovi omogućuju prijemniku da prepozna oštećene bitove. Ako prijamnik primi nedopušteni kod, to znači da je signal izobličen na liniji. Kod 4B/5B prenosi se linijom korištenjem fizičkog kodiranja koristeći metodu potencijalnog kodiranja koja je osjetljiva samo na duge nizove nula. Simboli koda 4B/5B, dugi 5 bita, jamče da se na retku ne može pojaviti više od tri nule u nizu, bez obzira kako su kombinirani. Slovo B u nazivu koda znači da elementarni signal ima 2 stanja (od engleskog binary - binarni). Postoje i kodovi s tri stanja signala, na primjer, u kodu 8B/6T, za kodiranje 8 bita izvorne informacije, koristi se kod od 6 signala, od kojih svaki ima tri stanja. Redundancija koda 8B/6T veća je od one koda 4B/5B, jer za 256 izvornih kodova postoji 729 (3 na potenciju 6) rezultirajućih simbola. Korištenje tablice pretraživanja vrlo je jednostavna operacija, tako da ovaj pristup nije kompliciran mrežni adapteri i blokovi sučelja preklopnika i usmjerivača (vidi. odjeljci 9,11).

Kako bi se osigurao zadani kapacitet linije, odašiljač koji koristi redundantni kod mora raditi na povećanoj frekvenciji takta. Dakle, za prijenos 4B/5B kodova brzinom od 100 Mbit/s, odašiljač mora raditi na taktnoj frekvenciji od 125 MHz. U ovom slučaju, spektar signala na liniji se proširuje u odnosu na slučaj kada se duž linije prenosi čisti, neredundantni kod. Ipak, spektar redundantnog potencijalnog koda pokazuje se užim od spektra Manchesterskog koda, što opravdava dodatni stupanj logičkog kodiranja, kao i rad prijamnika i odašiljača na povišenoj frekvenciji takta.

Druga metoda logičkog kodiranja temelji se na prethodnom "miješanju" izvornih informacija tako da se vjerojatnosti pojavljivanja jedinica i nula na liniji približe. Uređaji ili blokovi koji izvode takvu operaciju nazivaju se skrembleri(strgati se - bacati, neuredan sklop). Na koprcanje koristi se dobro poznati algoritam, pa ga primatelj, primivši binarne podatke, šalje dešifrant, koji vraća izvornu sekvencu bitova. U ovom slučaju, višak bitova se ne prenosi preko linije. Poboljšana potencijalna zalihost i kodirani kodovi koriste se u modernim brzim prijenosima mrežne tehnologije umjesto "Manchestera" i bipolarnog kodiranja pulsa.

7.6. Tehnologije multipleksiranja komunikacijskih linija

Za multipleksiranje(„kompresija“) komunikacijskih linija koristi nekoliko tehnologija. Tehnologija frekvencijamultipleksiranje(Frekvencijsko multipleksiranje - FDM) izvorno je razvijen za telefonske mreže, ali se koristi i za druge vrste mreža, npr. kabelska televizija. Ova tehnologija uključuje prijenos signala svakog pretplatničkog kanala u vlastito frekvencijsko područje i istovremeni prijenos signala s više pretplatničkih kanala u jednoj širokopojasnoj komunikacijskoj liniji. Na primjer, ulazi FDM sklopke primaju početne signale od pretplatnika telefonske mreže. Prekidač prenosi frekvenciju svakog kanala u vlastiti frekvencijski raspon. Tipično, visokofrekventni raspon je podijeljen na pojaseve koji su dodijeljeni za prijenos podataka iz pretplatničkih kanala. U komunikacijskoj liniji između dva FDM preklopnika istovremeno se prenose signali sa svih pretplatničkih kanala, ali svaki od njih zauzima svoj frekvencijski pojas. Izlazna FDM sklopka odabire modulirane signale svake nosive frekvencije i šalje ih na odgovarajući izlazni kanal na koji je izravno spojen pretplatnički telefon. FDM sklopke mogu izvoditi dinamičko i trajno prebacivanje. Kod dinamičkog prebacivanja jedan pretplatnik uspostavlja vezu s drugim pretplatnikom slanjem broja pozivanog pretplatnika u mrežu. Prekidač dinamički dodjeljuje ovom pretplatniku jedna od slobodnih staza. Uz stalno prebacivanje, opseg se dodjeljuje pretplatniku na duže razdoblje. Načelo prebacivanja na temelju frekvencijske podjele ostaje nepromijenjeno u ostalim vrstama mreža, mijenjaju se samo granice pojaseva dodijeljenih pojedinom kanalu pretplatnika, kao i njihov broj.

Tehnologija multipleksiranjadijeljenje vremena(Vremensko multipleksiranje - TDM) ili privremeni multipleksiranje temelji se na korištenju TDM opreme (multiplekseri, preklopnici, demultiplekseri), koji rade u načinu dijeljenja vremena, naizmjenično opslužujući sve pretplatničke kanale tijekom ciklusa. Svakoj vezi je dodijeljen jedan vremenski odsječak ciklusa rada opreme, koji se također naziva termin. Trajanje vremenskog odsječka ovisi o broju pretplatničkih kanala koje oprema opslužuje. TDM mreže mogu podržati oba dinamičan, ili konstantno prebacivanje, a ponekad i oba ova načina.

Mreže sa dinamičko prebacivanje zahtijevaju prethodni postupak za uspostavljanje veze između pretplatnika. Da biste to učinili, adresa pozvanog pretplatnika prenosi se u mrežu, koja prolazi kroz sklopke i konfigurira ih za naknadni prijenos podataka. Zahtjev za povezivanjem usmjerava se od jednog preklopnika do drugog i na kraju dolazi do pozvane strane. Mreža može odbiti uspostaviti vezu ako je kapacitet potrebnog izlaznog kanala već potrošen. Za FDM sklopku izlazni kapacitet jednak je broju frekvencijskih pojaseva, a za TDM sklopku jednak je broju vremenskih odsječaka na koje je podijeljen radni ciklus kanala. Mreža također odbija vezu ako je traženi pretplatnik već uspostavio vezu s nekim drugim. U prvom slučaju kažu da je prekidač zauzet, au drugom - pretplatnik. Mogućnost kvara veze je nedostatak metode sklopnog kruga. Ako se veza može uspostaviti, tada joj se dodjeljuje fiksni frekvencijski pojas u FDM mrežama ili fiksna propusnost u TDM mrežama. Ove vrijednosti ostaju nepromijenjene tijekom razdoblja povezivanja. Zajamčena mrežna propusnost nakon uspostavljanja veze važno je svojstvo potrebno za aplikacije kao što su glasovni i video prijenos ili kontrola objekata u stvarnom vremenu.

Kada postoji samo jedan fizički komunikacijski kanal, na primjer, pri razmjeni podataka pomoću modema putem telefonske mreže, dvostruki način rada organiziran je dijeljenjem kanala na dva logička podkanala pomoću FDM ili TDM tehnologije. Kada koriste FDM tehnologiju, modemi rade na četiri frekvencije za organiziranje dupleksnog rada na dvožilnoj liniji (dvije frekvencije su za kodiranje jedinica i nula kada se prenose podaci u jednom smjeru, a druge dvije frekvencije su za kodiranje kada se prenose u suprotnom smjeru ). U TDM tehnologiji neki se vremenski odsječci koriste za prijenos podataka u jednom smjeru, a neki se koriste za prijenos podataka u drugom smjeru. Obično se izmjenjuju vremenski odsječci suprotnih smjerova.

U kabelima s optičkim vlaknima, za organiziranje duplex rada kada se koristi samo jedno optičko vlakno, podaci se prenose u jednom smjeru pomoću svjetlosnog snopa jedne valne duljine, au suprotnom smjeru pomoću različite valne duljine. Ova tehnologija se u biti odnosi na FDM metodu, ali za optičke kabele tzv tehnologije multipleksiranja valnih duljina(Wave Division Multiplexing - WDM) ili val multipleksiranje.

Tehnologijagusti val(spektralno) multipleksiranje(Multipleksiranje gustih valova - DWDM) dizajniran je za stvaranje nove generacije optičkih autocesta koje rade na višegigabitnim i terabitnim brzinama. Ovaj kvalitativni skok u izvedbi postignut je zahvaljujući činjenici da se informacije u optičkom vlaknu prenose istovremeno veliki iznos svjetlosni valovi. DWDM mreže rade na principu prebacivanja kanala, pri čemu svaki svjetlosni val predstavlja zaseban spektralni kanal i nosi vlastitu informaciju. Jedna od glavnih prednosti DWDM tehnologije je značajno povećanje stope iskorištenja frekvencijskog potencijala optičkog vlakna, čija je teoretska propusnost 25.000 GHz.

Sažetak

U suvremenim telekomunikacijskim sustavima informacije se prenose putem elektromagnetskih valova – električnih, svjetlosnih ili radijskih signala.

Komunikacijske linije, ovisno o vrsti fizičkog medija za prijenos informacija, mogu biti kabelske (žičane) i bežične. Koriste se kao komunikacijske linije telefonski kablovi na temelju paralelnih neupletenih vodiča, koaksijalni kabeli, kabeli na bazi upredenih parica vodiča (neoklopljeni i oklopljeni), optički kabeli. Najučinkovitiji danas i obećavajući u bliskoj budućnosti su kabeli temeljeni na upletenim parovima vodiča i optičkim kabelima. Bežične komunikacijske linije najčešće se ostvaruju odašiljanjem radijskih signala u različitim radio valovima. Infracrvena tehnologija bežični prijenos Podaci koriste dio elektromagnetskog spektra između vidljive svjetlosti i najkraćih valnih duljina mikrovalova. Najveća brzina i otpornost na buku je laserska tehnologija bežična komunikacija.

Glavne karakteristike komunikacijskih linija su amplitudno-frekvencijski odziv, propusnost i prigušenje na određenoj frekvenciji.

Kapacitet komunikacijske linije karakterizira najveću moguću brzinu prijenosa podataka duž nje. Otpornost na buku komunikacijskog voda određuje njegovu sposobnost da smanji razinu smetnji stvorenih u vanjskom okruženju na unutarnjim vodičima. Pouzdanost prijenosa podataka karakterizira vjerojatnost izobličenja za svaki preneseni bit podataka.

Predstavljanje diskretnih informacija u jednom ili onom obliku signala koji se dostavljaju komunikacijskoj liniji naziva se fizičko kodiranje. Logičko kodiranje uključuje zamjenu bitova izvorne informacije novim nizom bitova koji nose iste informacije, ali imaju dodatna svojstva.

Za prijenos diskretnih podataka putem komunikacijskih linija s uskim frekvencijskim pojasom koristi se analogna modulacija, u kojoj se informacija kodira promjenom amplitude, frekvencije ili faze sinusoidnog signala nositelja. Kod digitalnog kodiranja diskretnih informacija koriste se potencijalni i impulsni kodovi. Za multipleksiranje komunikacijskih linija koriste se tehnologije frekvencijskog, vremenskog i valnog multipleksiranja.

Kontrolna pitanja i zadaci

1. Dajte klasifikaciju komunikacijskih vodova.

2. Opišite najčešće kabelske linije komunikacije.

3. Predstaviti glavne bežične komunikacijske vodove i dati njihove usporedne karakteristike.

4. Zbog kojih fizičkih čimbenika komunikacijski kanali iskrivljuju odaslane signale?

5. Što je amplitudno-frekvencijski odziv komunikacijskog kanala?

6. U kojim jedinicama se mjeri propusnost komunikacijskog kanala?

7. Opišite pojam “otpornost komunikacijske linije na smetnje”.

8. Što definira obilježje “pouzdanost prijenosa podataka” i u kojim jedinicama se mjeri?

9. Što je "analogna modulacija" i koje se vrste koriste za prijenos diskretnih podataka?

10. Koji uređaj obavlja funkcije modulacije sinusoide nositelja na odašiljačkoj strani i demoduliranja na prijemnoj strani?

11. Navedite razliku između kodiranja potencijala i impulsa digitalni signali.

12. Što su samotempirani kodovi?

13. U koje svrhe se koristi logičko kodiranje digitalnih signala i koje se metode koriste?

14. Opišite tehnologiju frekvencijskog multipleksiranja komunikacijskih vodova.

15. Koje su značajke tehnologije vremenskog multipleksiranja?

16. Koja se tehnologija multipleksiranja koristi u optičkim kabelima za organiziranje dupleksnog rada kada se koristi samo jedno optičko vlakno?

17. Za koje je svrhe razvijena tehnologija multipleksiranja gustog vala?

Izvor informacija koji se treba prenijeti preko komunikacijske linije može biti diskretan (izlaz računala) ili analogan (govor, televizijska slika).

Prijenos diskretnih podataka temelji se na upotrebi dvije vrste fizičkog kodiranja:

a) analogna modulacija, kada se kodiranje provodi promjenom parametara sinusoidnog nosivog signala;

b) digitalno kodiranje promjenom razina niza pravokutnih informacijskih impulsa.

Analogna modulacija rezultira rezultirajućim spektrom signala koji je mnogo manje širine nego kod digitalnog kodiranja pri istoj brzini prijenosa informacija, ali njezina implementacija zahtijeva složeniju i skuplju opremu.

Trenutno se izvorni podaci u analognom obliku sve više prenose putem komunikacijskih kanala diskretni oblik(u obliku niza jedinica i nula), tj. provodi se diskretna modulacija analognih signala.

Analogna modulacija. Koristi se za prijenos diskretnih podataka preko kanala uskog frekvencijskog pojasa, čiji je tipičan predstavnik glasovni frekvencijski kanal koji se pruža korisnicima telefonskih mreža. Ovaj kanal odašilje signale frekvencije od 300 do 3400 Hz, odnosno njegova propusnost je 3100 Hz. Ovaj pojas je sasvim dovoljan za prijenos govora prihvatljive kvalitete. Ograničena propusnost glasovnog kanala povezana je s upotrebom opreme za multipleksiranje i komutaciju kanala u telefonskim mrežama.

Prije odašiljanja diskretnih podataka, sinusni val nositelja izvornog niza binarnih znamenki modulira se na odašiljačkoj strani pomoću modulatora-demodulatora (modema). Inverznu pretvorbu (demodulaciju) izvodi prijemni modem.

Postoje tri moguća načina pretvaranja digitalnih podataka u analogni oblik, odnosno tri metode analogne modulacije:

Amplitudna modulacija, kada se mijenja samo amplituda nositelja sinusoidnih oscilacija u skladu s redoslijedom odaslanih informacijskih bitova: na primjer, kada se odašilje jedinica, amplituda oscilacija je postavljena na veliku, a kada se odašilje nula, ona je mala, ili uopće nema nosivog signala;

Frekvencijska modulacija, kada se pod utjecajem modulirajućih signala (prenesenih informacijskih bitova) mijenja samo frekvencija nositelja sinusoidnih oscilacija: npr. kod prijenosa nula ona je niska, a kod prijenosa jedinica visoka;

Fazna modulacija, kada se u skladu s redoslijedom odaslanih informacijskih bitova mijenja samo faza nositelja sinusoidnih oscilacija: pri prelasku sa signala 1 na signal 0 ili obrnuto, faza se mijenja za 180°. U svom čistom obliku, amplitudna modulacija se rijetko koristi u praksi zbog niske otpornosti na buku. Frekvencijska modulacija ne zahtijeva složene sklopove u modemima i obično se koristi u modemima niske brzine koji rade na 300 ili 1200 bps. Povećanje brzine prijenosa podataka postiže se korištenjem kombiniranih metoda modulacije, često amplitudne u kombinaciji s faznom.

Analogna metoda prijenosa diskretnih podataka omogućuje širokopojasni prijenos korištenjem signala različitih nosivih frekvencija u jednom kanalu. Ovo jamči interakciju velikog broja pretplatnika (svaki par pretplatnika radi na svojoj frekvenciji).

Digitalno kodiranje. Kod digitalnog kodiranja diskretnih informacija koriste se dvije vrste kodova:

a) kodovi potencijala, kada se za predstavljanje informacijskih jedinica i nula koristi samo vrijednost potencijala signala, a njegovi padovi se ne uzimaju u obzir;

b) impulsni kodovi, kada su binarni podaci predstavljeni ili impulsima određenog polariteta ili padom potencijala u određenom smjeru.

Sljedeći zahtjevi primjenjuju se na metode digitalnog kodiranja diskretnih informacija kada se koriste pravokutni impulsi za predstavljanje binarnih signala:

Osiguravanje sinkronizacije između odašiljača i prijamnika;

Pružanje najmanje širine spektra rezultirajućeg signala pri istoj brzini prijenosa (budući da uži spektar signala dopušta ograničenu

postići veće brzine s istom propusnošću

prijenos podataka);

Sposobnost prepoznavanja pogrešaka u prenesenim podacima;

Relativno niska cijena implementacije.

Fizički sloj znači samo prepoznavanje izobličenih podataka (detekcija grešaka), što štedi vrijeme, budući da prijemnik, ne čekajući da se primljeni okvir u potpunosti smjesti u međuspremnik, odmah ga odbacuje kada prepozna pogrešne bitove u okviru. Složeniju operaciju - ispravljanje iskrivljenih podataka - izvode napredniji protokoli. visoka razina: kanal, mreža, transport ili aplikacija.

Sinkronizacija između odašiljača i prijamnika je neophodna kako bi prijamnik točno znao kada treba pročitati dolazne podatke. Signali sata podešavaju prijamnik na poslanu poruku i održavaju prijemnik sinkroniziranim s dolaznim bitovima podataka. Problem sinkronizacije lako se rješava prilikom prijenosa informacija na kratke udaljenosti(između blokova unutar računala, između računala i pisača) korištenjem zasebne taktne komunikacijske linije: informacija se čita samo u trenutku dolaska sljedećeg taktnog impulsa. U računalne mreže odbijaju koristiti vremenske impulse iz dva razloga: radi štednje vodiča u skupim kabelima i zbog heterogenosti karakteristika vodiča u kabelima (na velikim udaljenostima, nejednaka brzina širenja signala može dovesti do desinkronizacije taktnih impulsa u vremenu linijski i informacijski impulsi u glavnoj liniji, uslijed čega će bit podataka ili biti preskočen ili ponovno pročitan).

Trenutno se sinkronizacija odašiljača i prijamnika u mrežama postiže korištenjem samosinkronizirajućih kodova (SC). Kodiranje prenesenih podataka pomoću CS-a treba osigurati redovite i česte promjene (prijelaze) u razinama informacijskog signala u kanalu. Svaki prijelaz razine signala s visoke na nisku ili obrnuto koristi se za podešavanje prijemnika. Najbolji signali su oni koji omogućuju prijelaze razine signala barem jednom tijekom vremenskog intervala potrebnog za primanje jednog informacijskog bita. Što su češći prijelazi razine signala, to je prijamnik pouzdaniji sinkroniziran i to su primljeni bitovi podataka pouzdanije identificirani.

Navedeni zahtjevi za metode digitalnog kodiranja diskretnih informacija u određenoj su mjeri međusobno kontradiktorni, stoga svaka od dolje razmotrenih metoda kodiranja ima svoje prednosti i nedostatke u usporedbi s drugima.

Samosinkronizirajući kodovi. Najčešći su sljedeći SC:

Potencijalni kod bez povratka na nulu (NRZ - Non Return to Zero);

Bipolarni pulsni kod (RZ kod);

kod Manchestera;

Bipolarni kod s izmjeničnom inverzijom razine.

Na sl. Slika 32 prikazuje sheme kodiranja za poruku 0101100 korištenjem ovih SK-ova.

Za karakterizaciju i usporednu ocjenu sustava osiguranja koriste se sljedeći pokazatelji:

Razina (kvaliteta) sinkronizacije;

Pouzdanost (pouzdanost) prepoznavanja i odabira primljenih informacijskih bitova;

Potrebna brzina promjene razine signala u komunikacijskoj liniji pri korištenju SC-a, ako je naveden kapacitet linije;

Složenost (a time i cijena) opreme koja implementira SC.

Kod NRZ karakterizira jednostavnost kodiranja i niska cijena implementacije. Dobio je ovo ime jer se prilikom prijenosa niza bitova istog imena (jedinica ili nula) signal ne vraća na nulu tijekom ciklusa takta, kao što je slučaj u drugim metodama kodiranja. Razina signala ostaje nepromijenjena za svaku seriju, što značajno smanjuje kvalitetu sinkronizacije i pouzdanost prepoznavanja primljenih bitova (može doći do neusklađenosti mjerača vremena prijamnika u odnosu na dolazni signal i nepravodobnog prozivanja linija).

Za N^-kod vrijede sljedeće relacije:

gdje je VI brzina promjene razine signala u komunikacijskoj liniji (baud);

U2 - kapacitet komunikacijske linije (bit/s).

Osim činjenice da ovaj kod nema svojstvo samosinkronizacije, on ima još jedan ozbiljan nedostatak: prisutnost niskofrekventne komponente koja se približava nuli kada odašilje duge nizove jedinica ili nula. Zbog toga se NRZ kod u svom čistom obliku ne koristi u mrežama. Koriste se njegove različite modifikacije koje eliminiraju lošu samosinkronizaciju koda i prisutnost konstantne komponente.

RZ kod, ili bipolarni pulsni kod (kod povratka na nulu), razlikuje se po tome što se tijekom prijenosa jednog informacijskog bita razina signala mijenja dva puta, bez obzira radi li se o nizu istoimenih bitova ili naizmjenično. prenose se promjenjivi bitovi. Jedan je predstavljen pulsom jednog polariteta, a nula drugim. Svaki puls traje pola otkucaja. Takav kod ima izvrsna svojstva samosinkronizacije, ali je cijena njegove implementacije prilično visoka, jer je potrebno osigurati omjer

Spektar RZ koda je širi od spektra potencijalnih kodova. Zbog preširokog spektra rijetko se koristi.

Manchesterski kod osigurava promjenu razine signala kada se prezentira svaki bit, a kada se odašilje niz bitova istog imena, mijenja se dvaput. Svaka mjera je podijeljena u dva dijela. Informacije su kodirane padovima potencijala koji se događaju u sredini svakog takta. Jedinica je kodirana rubom od niske razine signala do visoke, a nula je kodirana obrnutim rubom. Omjer brzine za ovaj kod je:

Manchesterski kod ima dobra svojstva samosinkronizacije, budući da se signal mijenja barem jednom po taktu prijenosa jednog bita podataka. Njegova propusnost je uža od RZ koda (u prosjeku jedan i pol puta). Za razliku od bipolarnog pulsnog koda, gdje se za prijenos podataka koriste tri razine signala (što je ponekad vrlo nepoželjno, npr. kod optičkih kabela se dosljedno prepoznaju samo dva stanja - svijetlo i tamno), Manchester kod ima dvije razine.

Manchester kod se široko koristi u Ethernet i Token Ring tehnologijama.

Bipolarni kod s izmjeničnom inverzijom razine (AMI kod) jedna je od modifikacija NRZ koda. Koristi tri razine potencijala - negativnu, nultu i pozitivnu. Jedinica se kodira ili kao pozitivan ili kao negativan potencijal. Za kodiranje nule koristi se nulti potencijal. Kod ima dobra svojstva sinkronizacije pri prijenosu niza jedinica, jer je potencijal svake nove jedinice suprotan potencijalu prethodne. Nema sinkronizacije kod prijenosa niza nula. AMI kod je relativno jednostavan za implementaciju. Za njega

Prilikom prijenosa različitih kombinacija bitova na liniji, korištenje AMI koda rezultira užim spektrom signala od NRZ koda, a time i većim kapacitetom linije.

Imajte na umu da poboljšani potencijalni kodovi (modernizirani Manchester kod i AMI kod) imaju uži spektar od impulsnih, pa se koriste u tehnologijama velike brzine, na primjer, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Diskretna modulacija analognih signala. Kao što je već navedeno, jedan od trendova u razvoju suvremenih računalnih mreža je njihova digitalizacija, odnosno digitalni prijenos signala bilo koje prirode. Izvori ovih signala mogu biti računala (za diskretne podatke) ili uređaji kao što su telefoni, video kamere, oprema za reprodukciju videa i zvuka (za analogne podatke). Donedavno (prije pojave digitalnih komunikacijskih mreža) u teritorijalnim mrežama sve vrste podataka prenosile su se u analognom obliku, a računalni podaci koji su bili diskretne prirode pretvarali su se u analogni oblik pomoću modema.

Međutim, prijenos informacija u analognom obliku ne poboljšava kvalitetu primljenih podataka ako je tijekom prijenosa došlo do značajnih izobličenja. Stoga je analogna tehnologija za snimanje i prijenos zvuka i slike zamijenjena digitalnom tehnologijom koja koristi diskretnu modulaciju analognih signala.

Diskretna modulacija temelji se na uzorkovanju kontinuiranih signala i po amplitudi i po vremenu. Jedna od široko korištenih metoda za pretvaranje analognih signala u digitalne je modulacija pulsnog koda (PCM), koju je 1938. predložio A.Kh. Reeves (SAD).

Kada se koristi PCM, proces pretvorbe uključuje tri faze: prikaz, kvantizaciju i kodiranje (Sl. 33).

Prva faza je mapiranje. Amplituda izvornog kontinuiranog signala mjeri se sa zadanim periodom, zbog čega dolazi do vremenskog uzorkovanja. U ovoj fazi, analogni signal se pretvara u signale pulsne amplitudne modulacije (PAM). Izvršenje ove faze temelji se na Nyquist-Kotelnikovovoj teoriji preslikavanja, čija glavna odredba glasi: ako je analogni signal prikazan (to jest, predstavljen kao niz njegovih diskretnih vremenskih vrijednosti) u redovitom intervalu s frekvencijom od najmanje dvostruko veće od frekvencije najvišeg harmoničkog spektra izvornog kontinuiranog signala, zaslon će sadržavati informacije dovoljne za rekonstrukciju izvornog signala. U analognoj telefoniji za prijenos glasa odabrano je područje od 300 do 3400 Hz, što je dovoljno za kvalitetan prijenos svih glavnih harmonika sugovornika. Stoga, u digitalnim mrežama u kojima je PCM metoda implementirana za prijenos glasa, usvojena frekvencija prikaza je 8000 Hz (ovo je više od 6800 Hz, što daje određenu marginu kvalitete).

U fazi kvantizacije, svakom IAM signalu se dodjeljuje kvantizirana vrijednost koja odgovara najbližoj razini kvantizacije. Cijeli raspon promjena amplitude IAM signala podijeljen je na 128 ili 256 razina kvantizacije. Što je više razina kvantizacije, točnije je amplituda IAM signala predstavljena kvantiziranom razinom.

U fazi kodiranja, svaki kvantizirani prikaz povezan je sa 7-bitnim (ako je broj razina kvantizacije 128) ili 8-bitnim (s kvantizacijom u 256 koraka) binarnim kodom. Na sl. Slika 33 prikazuje signale 8-elementnog binarnog koda 00101011, koji odgovara kvantiziranom signalu s razinom 43. Kod kodiranja sa 7-elementnim kodovima, brzina prijenosa podataka preko kanala trebala bi biti 56 Kbit/s (ovo je proizvod frekvencije prikaza i dubine bita binarnog koda), a kod kodiranja kodova od 8 elemenata - 64 Kbit/s. Standard je digitalni kanal 64 Kbit/s, koji se naziva i elementarni kanal digitalnih telefonskih mreža.

Uređaj koji izvodi navedene korake pretvaranja analogne vrijednosti u digitalni kod naziva se analogno-digitalni pretvarač (ADC). Na prijemnoj strani, pomoću digitalno-analognog pretvarača (DAC), provodi se inverzna pretvorba, tj. digitalizirane amplitude kontinuiranog signala demoduliraju se i vraća se izvorna kontinuirana vremenska funkcija.

Suvremene digitalne komunikacijske mreže također koriste druge metode diskretne modulacije koje omogućuju prikaz glasovnih mjerenja u kompaktnijem obliku, na primjer, kao niz 4-bitnih brojeva. Također se koristi koncept pretvaranja analognih signala u digitalne, pri čemu se ne kvantiziraju i potom kodiraju sami IAM signali, već samo njihove promjene, a broj kvantizacijskih razina pretpostavlja se jednak. Očito, ovaj koncept omogućuje pretvorbu signala s većom točnošću.

Digitalne metode snimanja, reprodukcije i prijenosa analognih informacija daju mogućnost kontrole točnosti podataka očitanih s medija ili primljenih putem komunikacijske linije. U tu svrhu koriste se iste metode kontrole kao i za računalne podatke (vidi klauzulu 4.9).

Prijenos kontinuiranog signala u diskretnom obliku postavlja stroge zahtjeve na sinkronizaciju prijemnika. Ako se sinkronizacija ne održava, originalni signal se neispravno vraća, što dovodi do izobličenja glasa ili prenesene slike. Ako okviri s mjerenjima glasa (ili druge analogne vrijednosti) stignu sinkrono, tada kvaliteta glasa može biti prilično visoka. Međutim, u računalnim mrežama okviri mogu kasniti kako u krajnjim čvorovima, tako iu međusklopnim uređajima (mostovi, preklopnici, usmjerivači), što negativno utječe na kvalitetu prijenosa glasa. Stoga su za kvalitetan prijenos digitaliziranih kontinuiranih signala potrebne posebne digitalne mreže (ISDN, ATM, digitalna televizija), iako za prijenos unutarkorpor telefonski razgovori Frame Relay mreže koriste se i danas, budući da su kašnjenja prijenosa okvira u njima unutar prihvatljivih granica.

Informacije koje se prenose preko komunikacijske linije obično podliježu posebnom kodiranju, što pomaže u povećanju pouzdanosti prijenosa. U tom su slučaju dodatni hardverski troškovi za kodiranje i dekodiranje neizbježni, a troškovi mrežnih adaptera rastu.

Kodiranje informacija koje se prenose mrežom povezano je s odnosom između najveće dopuštene brzine prijenosa i propusnosti korištenog prijenosnog medija. Na primjer, s različitim kodovima, maksimalna brzina prijenosa preko istog kabela može se razlikovati za faktor dva. Složenost mrežne opreme i pouzdanost prijenosa informacija također izravno ovise o odabranom kodu.

Za prijenos diskretnih podataka preko komunikacijskih kanala koriste se dvije metode fizičkog kodiranja izvornih diskretnih podataka - na temelju sinusoidnog nosivog signala i na temelju niza pravokutnih impulsa. Često se naziva prva metoda analogna modulacija, jer kodiranje se provodi promjenom parametara analognog signala (amplituda, faza, frekvencija). Druga metoda je tzv digitalno kodiranje. Trenutno se podaci u analognom obliku (govor, televizijska slika) prenose komunikacijskim kanalima u diskretnom obliku. Proces predstavljanja analogne informacije u diskretnom obliku naziva se diskretna modulacija.

5.1Analogna modulacija

Predstavljanje diskretnih podataka kao sinusoidnog signala naziva se analogna modulacija. Analogna modulacija omogućuje da se informacija predstavi kao sinusoidalni signal s različitim razinama amplitude, faze ili frekvencije. Također možete koristiti kombinacije promjenjivih parametara - amplituda i frekvencija, amplituda-faza. Na primjer, ako generirate sinusoidalni signal s četiri razine amplitude i četiri razine frekvencije, to će dati 16 stanja parametra informacija, što znači 4 bita informacija po promjeni.

Postoje tri glavne metode analogne modulacije:

amplituda,

frekvencija,

Amplitudna modulacija (AM) Kod modulacije amplitude, jedna razina amplitude sinusnog vala nosive frekvencije odabire se za logičku jedinicu, a druga za logičku nulu (vidi sliku 5.1). Frekvencija signala ostaje konstantna. Ova metoda se rijetko koristi u svom čistom obliku u praksi zbog niske otpornosti na šum, ali se često koristi u kombinaciji s drugom vrstom modulacije - faznom modulacijom.

Riža. 5.1 Različite vrste modulacija

Frekvencijska modulacija. ( Svjetski kup) S frekvencijskom modulacijom, vrijednosti logičke 0 i logičke 1 izvornih podataka prenose se kao sinusoide s različitim frekvencijama - f 1 i f 2 (vidi sliku 5.1). Amplituda signala ostaje konstantna. Ova metoda modulacije ne zahtijeva složene sklopove u modemima i obično se koristi u modemima niske brzine.

Fazna modulacija. (FM) S faznom modulacijom, logičke vrijednosti 0 i 1 odgovaraju signalima iste frekvencije, ali s različitim fazama (obrnutim), na primjer, 0 i 180 stupnjeva ili 0,90,180 i 270 stupnjeva. Rezultirajući signal izgleda kao niz obrnutih sinusoida (vidi sl. 5.1). Amplituda i frekvencija signala ostaju konstantne.

Za povećanje brzine prijenosa (povećanje broja bitova po ciklusu informacijskog parametra) koriste se kombinirane metode modulacije. Najčešće metode kvadraturna amplitudna modulacija (Quadratura Amplituda Modulacija, QAM). Ove metode koriste kombinaciju fazne modulacije s 8 vrijednosti faznog pomaka i amplitudne modulacije s 4 razine amplitude. Ovom metodom moguće su 32 kombinacije signala. I premda se ne koriste svi, brzina se ipak značajno povećava, a zbog redundancije se mogu kontrolirati pogreške tijekom prijenosa podataka. Na primjer, u nekim kodovima dopušteno je samo 6, 7 ili 8 kombinacija za predstavljanje izvornih podataka, a ostale kombinacije su zabranjene. Takva redundancija kodiranja potrebna je kako bi modem prepoznao pogrešne signale koji proizlaze iz izobličenja uslijed smetnji, a koje su na telefonskim kanalima, posebno dial-up, vrlo značajne po amplitudi i dugotrajne.

Odredimo na kojim linijama analogna modulacija može raditi i u kojoj mjeri ova metoda zadovoljava propusnost pojedine korištene prijenosne linije, za što razmatramo spektar rezultirajućih signala. Na primjer, uzmimo metodu amplitudne modulacije. Spektar rezultirajućeg signala tijekom modulacije amplitude sastojat će se od sinusoide nosive frekvencije f S i dva bočna harmonika:

(f S -f m ) I (f S +f m ), Gdje f m- frekvencija modulacije (promjene u informacijskom parametru sinusoide), koja će se podudarati s brzinom prijenosa podataka ako se koriste dvije razine amplitude.

Riža. 5.2 Spektar signala s amplitudnom modulacijom

Frekvencija f m određuje kapacitet linije za danu metodu kodiranja. Na niskoj frekvenciji modulacije širina spektra signala također će biti mala (jednaka 2f m vidi sl. 5.2), stoga signali neće biti izobličeni linijom ako je njezina širina pojasa veća ili jednaka 2f m .

Dakle, s amplitudnom modulacijom, rezultirajući signal ima uzak spektar.

S faznom i frekvencijskom modulacijom spektar signala je složeniji nego s amplitudnom modulacijom, jer se ovdje formira više od dva bočna harmonika, ali su također simetrično smješteni u odnosu na glavnu nosivu frekvenciju, a njihove amplitude brzo opadaju. Stoga su ove vrste modulacije također prikladne za prijenos podataka preko linija s uskim pojasnim širinama. Tipičan predstavnik takvih linija je govorni frekvencijski kanal koji se pruža korisnicima javnih telefonskih mreža.

Iz tipičnog amplitudno-frekvencijskog odziva glasovno-frekvencijskog kanala, može se vidjeti da ovaj kanal odašilje frekvencije u rasponu od 300 do 3400 Hz, pa je njegova propusnost jednaka 3100 Hz (vidi sl. 5.3).

Riža. 5.3 Frekvencijski odziv glasovnog frekvencijskog kanala

Iako ljudski glas ima mnogo širi raspon - od približno 100 Hz do 10 kHz - za prihvatljivu kvalitetu govora, raspon od 3100 Hz je dobro rješenje. Strogo ograničenje propusnosti glasovnog kanala povezano je s upotrebom opreme za multipleksiranje i preklapanje kanala u telefonskim mrežama.

Stoga, za glasovno-frekvencijski kanal, amplitudna modulacija osigurava brzinu prijenosa podataka ne veću od 3100/2=1550bit/s. Ako koristite nekoliko razina parametra informacija (4 razine amplitude), tada se propusnost kanala glasovne frekvencije udvostručuje.

Najčešće se analogno kodiranje koristi pri prijenosu informacija preko kanala s uskom propusnošću, na primjer telefonske linije u globalnim mrežama. Rijetko se koristi u lokalnim mrežama zbog visoke složenosti i cijene opreme za kodiranje i dekodiranje.

Trenutno je gotovo sva oprema koja radi s analognim signalima razvijena na temelju skupih mikro krugova DSP (procesor digitalnog signala). U tom slučaju, nakon modulacije i odašiljanja signala, potrebno je izvršiti demodulaciju tijekom prijema, a to je opet skupa oprema. Za obavljanje funkcije modulacije sinusoide nositelja na odašiljačkoj strani i demodulacije na prijemnoj strani koristi se poseban uređaj tzv. modem (modulator-demodulator). Modem od 56 000 bps košta 100 USD, i LAN kartica za 100 Mbit/s košta 10 dolara.

U zaključku predstavljamo prednosti i nedostatke analogne modulacije.

Analogna modulacija ima mnogo različitih informacijskih parametara: amplitudu, fazu, frekvenciju. Svaki od ovih parametara može poprimiti nekoliko stanja po promjeni signala nositelja. I stoga rezultirajući signal može prenijeti veliki broj bitova u sekundi.

Analogna modulacija daje rezultirajući signal s uskim spektrom, i stoga je dobra tamo gdje je potrebno raditi na lošim linijama (s uskom propusnošću), tamo je sposobna pružiti visoke brzine prijenosa. Analogna modulacija također može raditi na dobrim linijama; još jedna prednost analogne modulacije je posebno važna ovdje - mogućnost pomicanja spektra na željeno područje, ovisno o propusnosti linije koja se koristi.

Analognu modulaciju je teško implementirati, a oprema koja to radi je vrlo skupa.

Analogna modulacija koristi se tamo gdje se ne može izbjeći, ali u lokalnim mrežama koriste se druge metode kodiranja, čija implementacija zahtijeva jednostavnu i jeftinu opremu. Stoga se najčešće u lokalnim mrežama pri prijenosu podataka preko komunikacijskih linija koristi druga metoda fizičkog kodiranja - digitalno kodiranje

5. 2.Digitalno kodiranje

Digitalno kodiranje- prikaz informacija pravokutnim impulsima. Za digitalno kodiranje potencijal I pulsšifre.

Potencijalni kodovi. U kodovima potencijala samo se vrijednost potencijala signala tijekom perioda takta koristi za predstavljanje logičkih jedinica i nula, a njegovi padovi koji tvore završene impulse se ne uzimaju u obzir. Jedina stvar koja je bitna je vrijednost rezultirajućeg signala tijekom perioda takta.

Pulsni kodovi. Kodovi impulsa predstavljaju logičku nulu i logičku jedinicu bilo kao impulse određenog polariteta, bilo kao dio impulsa - potencijalne razlike u određenom smjeru. Vrijednost koda pulsa uključuje cijeli puls zajedno s njegovim padovima.

Odredimo zahtjeve za digitalno kodiranje. Na primjer, trebamo komunikacijskom linijom prenijeti diskretne podatke (niz logičkih nula i jedinica) s izlaza jednog računala - izvora na ulaz drugog računala - primatelja.

1. Za prijenos podataka imamo komunikacijske linije koje ne prolaze sve frekvencije, već imaju određene kapacitete ovisno o vrsti. Stoga je kod kodiranja podataka potrebno voditi računa da se kodirani podaci “propuštaju” komunikacijskom linijom.

2. Nizovi diskretnih podataka moraju biti kodirani u obliku digitalnih impulsa određene frekvencije. U ovom slučaju, naravno, najbolje je postići:

a) da se frekvencije kodiranih signala održavaju niskima kako bi općenito odgovarale propusnostima komunikacijskih veza.

b) koje kodirani signali pružaju velika brzina prijenosi.

Tako, dobar kod morati imati manje Hertza i više bitova u sekundi.

3. Podaci koje je potrebno prenijeti su nepredvidivo promjenjivi slijed logičkih nula i jedinica.

Kodirajmo ove podatke digitalnim impulsima na određeni način, kako možemo odrediti koju frekvenciju ima rezultirajući signal? Kako bi se odredila maksimalna frekvencija digitalnog koda, dovoljno je uzeti u obzir rezultirajući signal kod kodiranja privatnih sekvenci kao što su:

niz logičkih nula

niz logičkih

naizmjenični niz logičkih nula i jedinica

Zatim je potrebno razložiti signal Fourierovom metodom, pronaći spektar, odrediti frekvencije svakog harmonika i pronaći ukupnu frekvenciju signala; važno je da glavni spektar signala spada unutar propusnosti komunikacije. crta. Da ne bismo radili sve ove izračune, dovoljno je pokušati odrediti temeljni harmonik spektra signala; za to je potrebno pogoditi prvu sinusoidu iz oblika signala, koji slijedi svoju konturu svog oblika, zatim nađi period te sinusoide. Period je udaljenost između dvije promjene signala. Tada možete odrediti frekvenciju osnovnog harmonika spektra signala kao F = 1/T, Gdje F- učestalost, T- razdoblje signala. Radi praktičnosti daljnjih izračuna, pretpostavljamo da je bitna brzina promjene signala jednaka N.

Takvi se izračuni mogu napraviti za svaku metodu digitalnog kodiranja kako bi se odredila frekvencija rezultirajućeg signala. Rezultirajući signal u digitalnom kodiranju je specifičan niz pravokutnih impulsa. Za predstavljanje niza pravokutnih impulsa kao zbroja sinusoida za pronalaženje spektra potreban je veliki broj takvih sinusoida. Spektar niza pravokutnih signala općenito će biti mnogo širi od spektra moduliranih signala.

Ako primijenimo digitalni kod za prijenos podataka na kanalu glasovne frekvencije, tada se gornja granica potencijalnog kodiranja postiže za brzinu prijenosa podataka od 971 bps, a donja granica je neprihvatljiva za bilo koju brzinu, budući da propusnost kanala počinje od 300 Hz.

Zato digitalni kodovi na kanalima glasovne frekvencije jednostavno se nikad ne koriste. Ali vrlo dobro rade u lokalnim mrežama koje ne koriste telefonske linije za prijenos podataka.

Tako, Digitalno kodiranje zahtijeva široku propusnost za visokokvalitetni prijenos.

4. Pri prijenosu informacija preko komunikacijskih linija od izvornog čvora do prijemnog čvora potrebno je osigurati takav način prijenosa u kojem će primatelj uvijek točno znati u kojem trenutku prima podatke od izvora, tj. potrebno je osigurati sinkronizacija izvor i prijemnik. U mrežama je problem sinkronizacije teže riješiti nego kod razmjene podataka između blokova unutar računala ili između računala i pisača. Na malim udaljenostima, shema koja se temelji na zasebnoj komunikacijskoj liniji sata dobro radi. U takvoj shemi, informacija se uklanja iz podatkovne linije samo u trenutku dolaska taktnog impulsa (vidi sliku 5.4).

Riža. 5.4 Sinkronizacija prijemnika i odašiljača na kratkim udaljenostima

Ova opcija sinkronizacije apsolutno nije prikladna za bilo koju mrežu zbog heterogenosti karakteristika vodiča u kabelima. Na velikim udaljenostima, nejednaka brzina širenja signala može uzrokovati da taktni impuls stigne toliko kasno ili prije odgovarajućeg podatkovnog signala da se podatkovni bit preskoči ili ponovno pročita. Drugi razlog zašto mreže odbijaju koristiti vremenske impulse je ušteda vodiča u skupim kabelima. Stoga mreže koriste tzv samosinkronizirajući kodovi.

Samotempirani kodovi- signali koji nose upute za prijamnik u kojem trenutku treba prepoznati sljedeći bit (ili više bitova, ako je kod fokusiran na više od dva stanja signala). Svaka nagla promjena signala – tzv ispred- može poslužiti kao dobra indikacija za sinkronizaciju prijemnika s odašiljačem. Primjer samovremenskog koda bio bi sinusni val. Budući da promjena amplitude nosive frekvencije omogućuje prijemniku da odredi trenutak pojavljivanja ulaznog koda. Ali to se odnosi na analognu modulaciju. Također postoje tehnike u digitalnom kodiranju koje stvaraju samotempirane kodove, ali više o tome kasnije.

Tako, dobar digitalni kod trebao bi osigurati sinkronizaciju

Nakon što smo razmotrili zahtjeve za dobar digitalni kod, prijeđimo na razmatranje samih metoda digitalnog kodiranja

5. 2.1 Potencijalni kod bez povratka na nulu NRZ

Ovaj je kod dobio ime jer se prilikom prijenosa niza jedinica signal ne vraća na nulu tijekom ciklusa takta (kao što ćemo vidjeti u nastavku, u drugim metodama kodiranja u ovom slučaju dolazi do povratka na nulu).

Kod NRZ (bez povratka na nulu)- bez povratka na nulu - ovo je najjednostavniji dvorazinski kod. Rezultirajući signal ima dvije potencijalne razine:

Nula odgovara nižoj razini, jedan gornjoj razini. Prijelazi informacija događaju se na granicama bitova.

Razmotrimo tri posebna slučaja prijenosa podataka kodom NRZ: naizmjenični niz nula i jedinica, niz nula i niz jedinica (vidi sliku 5.5,a).

Riža. 5.5 Kod NRZ

Pokušajmo utvrditi zadovoljava li ovaj kod navedene zahtjeve. Za to je potrebno odrediti temeljni harmonik spektra tijekom kodiranja potencijala u svakom od prikazanih slučajeva kako bi se točnije odredilo koji NRZ kod ima zahtjeve za korištenu komunikacijsku liniju.

Prvi slučaj - prenosi se informacija koja se sastoji od beskonačnog niza izmjeničnih jedinica i nula (vidi sl. 5.5, b).

Ova slika pokazuje da će se, kada se izmjenjuju jedinice i nule, dva bita 0 i 1 prenijeti u jednom ciklusu takta. S oblikom sinusoide prikazanim na sl. 4.22, b Kada N- bitna brzina prijenosa, period ove sinusoide je jednak T=2N. Osnovna harmonijska frekvencija u ovom slučaju jednaka je f 0 = N/2.

Kao što vidite, s takvim nizom ovog koda, brzina prijenosa podataka je dvostruko veća od frekvencije signala.

Pri prijenosu nizova nula i jedinica, rezultirajući signal je istosmjerna struja, frekvencija promjene signala je nula f 0 = 0 .

Spektar stvarnog signala stalno se mijenja ovisno o tome koji se podaci prenose komunikacijskom linijom i treba biti oprezan s prijenosima dugih nizova nula ili jedinica, koji pomiču spektar signala prema nižim frekvencijama. Jer Kod NRZ ima konstantnu komponentu kada se odašilju dugi nizovi nula ili jedinica.

Iz teorije signala poznato je da se uz zahtjeve širine postavlja još jedan vrlo važan zahtjev za spektar emitiranog signala - odsutnost konstantne komponente(prisutnost istosmjerne struje između prijamnika i odašiljača), jer je korištenje raznih transformatorski spojevi ne prolazi kroz komunikacijsku liniju D.C..

Posljedično, neke će informacije ova komunikacijska linija jednostavno zanemariti. Stoga se u praksi uvijek pokušavaju riješiti prisutnosti konstantne komponente u spektru nosivog signala već u fazi kodiranja.

Stoga smo identificirali još jedan zahtjev za dobar digitalni kod digitalni kod ne bi trebao imati konstantnu komponentu.

Još jedan nedostatak NRZ-a je - nedostatak sinkronizacije. U ovom slučaju pomoći će samo dodatne metode sinkronizacije, o kojima ćemo kasnije govoriti.

Jedna od glavnih prednosti NRZ koda je njegova jednostavnost. Za generiranje pravokutnih impulsa potrebna su dva tranzistora, a za implementaciju analogne modulacije potrebni su složeni mikrosklopovi. Potencijalni signal ne treba kodirati i dekodirati, jer se ista metoda koristi za prijenos podataka unutar računala.

Kao rezultat svega što je gore prikazano, izvući ćemo nekoliko zaključaka koji će nam pomoći pri razmatranju drugih metoda digitalnog kodiranja:

NRZ je vrlo jednostavan za implementaciju i ima dobro prepoznavanje pogrešaka (zbog dva oštro različita potencijala).

NRZ ima DC komponentu pri prijenosu nula i jedinica, što onemogućuje prijenos u vodovima s transformatorskim izolacijama.

NRZ nije samotempirani kod i to otežava prijenos na bilo kojoj liniji.

Atraktivnost koda NRZ, zbog koje ga se isplati poboljšati, je prilično niska frekvencija osnovnog harmonika fo, koja je jednaka N/2 Hz, kao što je prikazano gore. Dakle kod NRZ radi na niskim frekvencijama od 0 do N/2 Hz.

Zbog toga se NRZ kod u svom čistom obliku ne koristi u mrežama. Međutim, koriste se njegove različite modifikacije, koje uspješno eliminiraju i lošu samosinkronizaciju NRZ koda i prisutnost konstantne komponente.

Sljedeće metode digitalnog kodiranja razvijene su s ciljem poboljšanja mogućnosti NRZ koda

5. 2.2. Metoda bipolarnog kodiranja s alternativnom inverzijom AMI

Metoda bipolarne alternativne inverzije oznake (AMI). je modifikacija NRZ metode.

Ova metoda koristi tri razine potencijala - negativnu, nultu i pozitivnu. Tri razine signala su nedostatak koda jer je potrebno razlikovati tri razine najbolji omjer signal/šum na ulazu u prijemnik. Dodatni sloj zahtijeva povećanje snage odašiljača od približno 3 dB kako bi se osigurala ista bitna vjernost na liniji, što je uobičajeni nedostatak kodova s više stanja u usporedbi s kodovima s dvije razine. U AMI kodu, nulti potencijal se koristi za kodiranje logičke nule, logička jedinica je kodirana ili pozitivnim ili negativnim potencijalom, pri čemu je potencijal svake nove jedinice suprotan potencijalu prethodne.

Riža. 5.6 AMI kod

Ova tehnika kodiranja djelomično eliminira probleme konstantne komponente i nedostatka samosinkronizacije svojstvene NRZ kodu pri prijenosu dugih nizova jedinica. Ali za njega ostaje problem konstantne komponente pri prijenosu nizova nula (vidi sl. 5.6).

Razmotrimo posebne slučajeve koda i odredimo osnovni harmonik spektra rezultirajućeg signala za svaki od njih. Sa nizom nula - signal - istosmjerna struja - fo = 0 (Sl. 5.7a)

Riža. 5.7 Određivanje frekvencija glavnog spektra za AMI

Iz tog razloga, AMI kod također zahtijeva daljnje poboljšanje. Kada se odašilje niz jedinica, signal na liniji je niz višepolarnih impulsa s istim spektrom kao kod NRZ, koji odašilje naizmjenične nule i jedinice, to jest bez konstantne komponente i s osnovnim harmonikom fo = N /2 Hz.

Kod prijenosa naizmjeničnih jedinica i nula, osnovni harmonik fo = N/4 Hz, što je pola manje od NRZ koda.

Općenito, za različite kombinacije bitova na liniji, korištenje AMI koda rezultira užim spektrom signala nego NRZ kod, a time i veći kapacitet linije. AMI kod također pruža neke mogućnosti za prepoznavanje pogrešnih signala. Dakle, kršenje stroge izmjene polariteta signala ukazuje na lažni impuls ili nestanak ispravnog impulsa iz linije. Signal s netočnim polaritetom naziva se zabranjeni signal. (kršenje signala).

Mogu se izvući sljedeći zaključci:

AMI eliminira DC komponentu kada odašilje niz jedinica;

AMI ima uski spektar - od N/4 - N/2;

AMI djelomično uklanja probleme sinkronizacije

AMI ne koristi dvije, već tri razine signala na liniji i to je njegov nedostatak, no sljedeća metoda ga je uspjela eliminirati.

5. 2.3 Potencijalni kod s inverzijom s jedinicom NRZI

Ovaj kod je potpuno sličan AMI kodu, ali koristi samo dvije razine signala. Kod prijenosa nule prenosi potencijal koji je postavljen u prethodnom ciklusu (odnosno ne mijenja ga), a kod prijenosa jedinice potencijal se invertira na suprotni.

Ovaj kod se zove potencijalni kod s inverzijom na jedan (bez povratka na nulu s invertiranim jedinicama, NRZI).

Pogodan je u slučajevima kada je upotreba treće razine signala vrlo nepoželjna, na primjer, u optičkim kabelima, gdje se dosljedno prepoznaju dva stanja signala - svjetlo i tama.

Riža. 5.8 Kod NRZI

NRZI kod se razlikuje po obliku rezultirajućeg signala od AMI koda, ali ako izračunate osnovne harmonike za svaki slučaj, ispada da su isti. Za niz izmjeničnih jedinica i nula, osnovna frekvencija signala fo=N/4.(vidi sliku 5.9,a). Za niz jedinica - fo=N/2. S nizom nula ostaje isti nedostatak fo=0- istosmjerna struja u liniji.

Riža. 5.9 Određivanje frekvencija glavnog spektra za NRZI

Zaključci su sljedeći:

NRZI - pruža iste mogućnosti kao AMI kod, ali koristi samo dvije razine signala i stoga je pogodniji za daljnji razvoj. Nedostaci NRZI-ja su konstantna komponenta s nizom nula, te nedostatak sinkronizacije tijekom prijenosa. NRZI kod je postao središnji za razvoj poboljšanih metoda kodiranja na višim razinama.

5. 2.4 MLT3 kod

Tri razine prijenosa kod MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) ima mnogo toga zajedničkog s kodeksom NRZI. Njegova najvažnija razlika su tri razine signala.

Jedan odgovara prijelazu s jedne razine signala na drugu. Promjena razine linearnog signala događa se samo ako je na ulazu primljena jedinica, međutim, za razliku od NRZI koda, algoritam generiranja je odabran na način da dvije susjedne promjene uvijek imaju suprotne smjerove.

Riža. 5.10 Potencijalni kod MLT-3

Razmotrimo posebne slučajeve, kao u svim prethodnim primjerima.

Kod prijenosa nula, signal također ima konstantnu komponentu, signal se ne mijenja - fo = 0 Hz (Vidi sl. 5.10). Prilikom prijenosa svih jedinica, prijelazi informacija su fiksirani na granici bita, a jedan ciklus signala sadrži četiri bita. U ovom slučaju fo=N/4 Hz - maksimalna frekvencija koda MLT-3 prilikom prijenosa svih jedinica (slika 5.11, a).

Riža. 5.11 Određivanje frekvencija glavnog spektra za MLT-3

U slučaju izmjeničnog niza, kod MLT-3 ima najveću frekvenciju jednaku fo=N/8, što je dva puta manje od NRZI koda, stoga ovaj kod ima uži pojas.

Kao što ste primijetili, nedostatak koda MLT-3, kao i koda NRZI, je nedostatak sinkronizacije. Ovaj problem je riješen uz pomoć dodatne transformacije podataka, koja eliminira duge nizove nula i mogućnost desinkronizacije. Opći zaključak može se izvući na sljedeći način - korištenje kodiranja na tri razine MLT-3 omogućuje smanjenje frekvencije takta linearnog signala i time povećanje brzine prijenosa.

5. 2.5 Bipolarni pulsni kod

Osim potencijalnih kodova, koriste se i impulsni kodovi, kada se podatak prikazuje punim impulsom ili njegovim dijelom - rubom.

Najjednostavniji slučaj ovog pristupa je kod bipolarnog pulsa, u kojem je jedan predstavljen pulsom jednog polariteta, a nula drugim. Svaki puls traje pola otkucaja (slika 5.12). Bipolarni pulsni kod je trorazinski kod. Razmotrimo rezultirajuće signale pri prijenosu podataka pomoću bipolarnog kodiranja u istim posebnim slučajevima.

Riža. 5.12 Bipolarni pulsni kod

Posebna značajka koda je da uvijek postoji prijelaz (pozitivan ili negativan) u središtu bita. Stoga je svaki bit označen. Prijemnik može izdvojiti impuls takta (strobe), koji ima brzinu ponavljanja impulsa, iz samog signala. Vezanje se provodi na svakom bitu, čime se osigurava sinkronizacija prijemnika s odašiljačem. Takvi kodovi, koji sadrže stroboskop, nazivaju se samosinkronizirajuće. Razmotrimo spektar signala za svaki slučaj (slika 5.13). Kod prijenosa svih nula ili jedinica, frekvencija osnovnog harmonika koda fo=N Hz, što je dva puta više od osnovnog harmonika koda NRZ i četiri puta više od osnovnog harmonika koda AMI. Prilikom prijenosa naizmjeničnih jedinica i nula - fo=N/2

Riža. 5.13 Određivanje frekvencija glavnog spektra za bipolarni pulsni kod.

Ovaj nedostatak koda ne daje dobitak u brzini prijenosa podataka i jasno ukazuje da su impulsni kodovi sporiji od potencijalnih.

Na primjer, za prijenos podataka putem linije brzinom od 10 Mbit/s, potrebna je frekvencija nosivog signala od 10 MHz. Pri prijenosu niza naizmjeničnih nula i jedinica brzina se povećava, ali ne mnogo, jer je frekvencija osnovnog harmonika koda fo=N/2 Hz.

Bipolarni pulsni kod ima veliku prednost u odnosu na prethodne kodove – samosinkronizira se.

Bipolarni pulsni kod ima širok spektar signala i stoga je sporiji.

Bipolarni pulsni kod koristi tri razine.

5. 2.6 Mančesterski kod

Kod Manchestera je razvijen kao poboljšani bipolarni pulsni kod. Manchester kod se također odnosi na samosinkronizirajuće kodove, ali za razliku od bipolarnog koda, on nema tri, već samo dvije razine, što osigurava bolju otpornost na buku.

Manchesterski kod koristi razliku potencijala, to jest rub pulsa, za kodiranje jedinica i nula. Kod Manchesterskog kodiranja svaka je mjera podijeljena na dva dijela. Informacije su kodirane padovima potencijala koji se događaju u sredini svakog takta. To se događa ovako:

Jedinica je kodirana rubom od niske razine signala do visoke, a nula je kodirana obrnutim rubom. Na početku svakog ciklusa takta može doći do pada signala iznad glave ako trebate predstaviti nekoliko jedinica ili nula u nizu.

Razmotrimo posebne slučajeve kodiranja (nizovi izmjeničnih nula i jedinica, sve nule, sve jedinice), a zatim ćemo odrediti osnovne harmonike za svaki od nizova (vidi sl. 5.14). U svim slučajevima, možete vidjeti da s Manchester kodiranjem, promjena signala u središtu svakog bita olakšava izolaciju signala sata. Stoga Manchesterski kod ima dobra svojstva samosinhronizacije.

Riža. 5.14 Manchester kod

Samosinkronizacija uvijek omogućuje prijenos velikih paketa informacija bez gubitaka zbog razlika taktna frekvencija odašiljač i prijemnik.

Dakle, odredimo osnovnu frekvenciju kada odašiljemo samo jedinice ili samo nule.

Riža. 5.15 Određivanje frekvencija glavnog spektra za Manchesterski kod.

Kao što se može vidjeti kada se prenose i nule i jedinice, nema konstantne komponente. Osnovna frekvencija fo=NHz, kao kod bipolarnog kodiranja. Zahvaljujući tome, galvansko odvajanje signala u komunikacijskim vodovima može se izvesti na najjednostavnije načine, na primjer, pomoću impulsnih transformatora. Pri prijenosu naizmjeničnih jedinica i nula, frekvencija osnovnog harmonika jednaka je fo=N/2Hz.

Dakle, Manchester kod je poboljšani bipolarni kod, poboljšan korištenjem samo dvije razine signala za prijenos podataka, a ne tri, kao u bipolarnom. Ali ovaj kod je još uvijek spor u usporedbi s NRZI-jem, koji je dvostruko brži.

Pogledajmo primjer. Uzmimo komunikacijsku liniju s propusnim opsegom za prijenos podataka 100 MHz i brzina 100 Mbit. Ako smo ranije odredili brzinu prijenosa podataka na danoj frekvenciji, sada moramo odrediti frekvenciju signala na danoj brzini linije. Na temelju toga utvrđujemo da nam je za prijenos podataka pomoću NRZI koda dovoljan frekvencijski raspon od N/4-N/2 - to su frekvencije od 25 -50 MHz, te su frekvencije uključene u propusnost naše linije - 100 MHz. Za Manchesterski kod potreban nam je frekvencijski raspon od N/2 do N - to su frekvencije od 50 do 100 MHz, u ovom rasponu nalaze se glavni harmonici spektra signala. Za Manchesterski kod, on ne zadovoljava širinu pojasa naše linije, pa će stoga linija prenositi takav signal s velikim izobličenjima (takav kod se ne može koristiti na ovoj liniji).

5.2.7Diferencijalni Manchester kod.

Diferencijalni Manchester kod je tip manchesterskog kodiranja. Koristi sredinu linearnog intervala takta signala samo za sinkronizaciju, a razina signala uvijek se mijenja na njoj. Logičke 0 i 1 prenose se prisutnošću ili odsutnošću promjene razine signala na početku taktnog intervala, respektivno (Sl. 5.16)

Riža. 5.16 Diferencijalni Manchester kod

Ovaj kod ima iste prednosti i nedostatke kao Manchester kod. Ali u praksi se koristi diferencijalni Manchester kod.

Dakle, Manchester kod se vrlo aktivno koristio u lokalnim mrežama (kada su brze linije bile veliki luksuz za lokalnu mrežu), zbog svoje samosinkronizacije i nepostojanja konstantne komponente. Još uvijek se široko koristi u optičkim i električnim mrežama. Međutim, nedavno su programeri došli do zaključka da je bolje koristiti potencijalno kodiranje, eliminirajući njegove nedostatke pomoću tzv. logičko kodiranje.

5.2.8Potencijalni kod 2B1Q

Kod 2B1Q- potencijalni kod s četiri razine signala za kodiranje podataka. Njegovo ime odražava njegovu bit - svaka dva bita (2B) prenosi se u jednom taktu signalom koji ima četiri stanja (1Q).

Nekoliko bitova 00 odgovara potencijalu (-2,5 V), par bitova 01 odgovara potencijalu (-0,833 V), par 11 - potencijal (+0,833 V), i par 10 - potencijal ( +2,5 V).

Riža. 5.17 Potencijalni kod 2B1Q

Kao što se može vidjeti na slici 5.17, ova metoda kodiranja zahtijeva dodatne mjere za rad s dugim nizovima identičnih parova bitova, budući da to pretvara signal u konstantnu komponentu. Stoga se pri prijenosu i nula i jedinica fo=0Hz Kada se izmjenjuju jedinice i nule, spektar signala je dvostruko uži od spektra koda NRZ, budući da se pri istoj bitnoj brzini trajanje ciklusa takta udvostručuje - fo=N/4Hz.

Dakle, korištenjem 2B1Q koda možete prenijeti podatke preko iste linije dvostruko brže nego korištenjem AMI ili NRZI koda. Međutim, da bi se to implementiralo, snaga odašiljača mora biti veća kako bi prijemnik jasno razlikovao četiri razine potencijala (-2,5 V, -0,833 V, +0,833 V, +2,5 V) u odnosu na pozadinu smetnji.

5. 2.9 PAM5 kod

Sve sheme kodiranja signala koje smo gore razmotrili bile su bazirane na bitovima. Kod bitnog kodiranja, svaki bit odgovara vrijednosti signala određenoj logikom protokola.

Kod bajtnog kodiranja, razina signala određena je s dva bita ili više. U kodu od pet razina PAM 5 Koristi se 5 naponskih razina (amplituda) i dvobitno kodiranje. Svaka kombinacija ima svoju razinu napona. Kod dvobitnog kodiranja potrebne su četiri razine za prijenos informacija (dva na drugu potenciju - 00, 01, 10, 11 ). Prijenos dva bita u isto vrijeme smanjuje frekvenciju signala za pola. Peta razina je dodana za stvaranje redundancije u kodu koji se koristi za ispravljanje pogrešaka. Ovo osigurava dodatnu rezervu omjera signala i šuma.

Riža. 5.18 PAM kod 5

5. 3. Logičko kodiranje

Logičko kodiranje traje do fizičko kodiranje.

U fazi logičkog kodiranja više se ne generira oblik signala, ali se eliminiraju nedostaci metoda fizičkog digitalnog kodiranja, kao što su nedostatak sinkronizacije i prisutnost konstantne komponente. Stoga se prvo ispravljene sekvence binarnih podataka formiraju korištenjem alata za logičko kodiranje, koji se zatim prenose preko komunikacijskih linija korištenjem metoda fizičkog kodiranja.

Logičko kodiranje uključuje zamjenu bitova izvorne informacije novim slijedom bitova koji nose istu informaciju, ali imaju i dodatna svojstva, na primjer, mogućnost primateljske strane da otkrije pogreške u primljenim podacima. Praćenje svakog bajta izvorne informacije jednim bitom parnosti primjer je vrlo često korištene metode logičkog kodiranja pri prijenosu podataka pomoću modema.

Postoje dvije metode logičnog kodiranja:

Redundantni kodovi

Šibanje.

5. 3.1 Suvišni kodovi

Logički kod 4V/5V zamjenjuje izvorne 4-bitne znakove s 5-bitnim znakovima. Budući da rezultirajući simboli sadrže redundantne bitove, ukupan broj kombinacija bitova u njima je veći nego u originalnim. Dakle, pet-bitna shema proizvodi 32 (2 5) dvoznamenkastih alfanumeričkih znakova koji imaju decimalnu vrijednost od 00 do 31. Dok izvorni podaci mogu sadržavati samo četiri bita ili 16 (2 4) znakova.

Stoga u rezultirajućem kodu možete odabrati 16 takvih kombinacija koje ne sadrže veliki broj nula, a ostale prebrojati zabranjeni kodovi (kršenje koda). U tom slučaju, dugi nizovi nula se prekidaju, a kod postaje samosinkronizirajući za sve prenesene podatke. Nestaje i konstantna komponenta, što znači da se spektar signala još više sužava. Ali ova metoda smanjuje korisni kapacitet linije, budući da se suvišne jedinice korisničkih informacija ne prenose, već samo "zauzimaju vrijeme". Suvišni kodovi omogućuju prijamniku da prepozna oštećene bitove. Ako prijamnik primi nedopušteni kod, to znači da je signal izobličen na liniji.

Pa pogledajmo rad logički kod 4V/5V. Pretvoreni signal ima 16 vrijednosti za prijenos informacija i 16 redundantnih vrijednosti. U prijemnom dekoderu pet bitova se dekodira kao informacijski i servisni signal.

Devet simbola je dodijeljeno za službene signale, sedam simbola je isključeno.

Kombinacije s više od tri nule su isključene (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Takvi se signali tumače simbolom V i tim primača KRŠENJE- neuspjeh. Naredba označava pogrešku zbog jakih smetnji ili kvara odašiljača. Jedina kombinacija pet nula (00 - 00000 ) odnosi se na službene signale, znači simbol Q i ima status MIRAN- nema signala na liniji.

Ovo kodiranje podataka rješava dva problema - sinkronizaciju i poboljšanje otpornosti na buku. Sinkronizacija se događa eliminacijom sekvenci s više od tri nule, a visoku otpornost na šum postiže prijemnik podataka na intervalu od pet bitova.

Cijena za ove prednosti kod ove metode kodiranja podataka je smanjenje brzine prijenosa korisna informacija. Na primjer, kao rezultat dodavanja jednog suvišnog bita na četiri informacijska bita, učinkovitost korištenja frekvencijskog pojasa u protokolima s kodom MLT-3 i kodiranje podataka 4B/5B smanjuje se prema tome za 25%.

Shema kodiranja 4V/5V predstavljeni u tablici.

Binarni kod 4B	Šifra rezultata 5B

Dakle, prema ovoj tablici, kod je generiran 4V/5V, zatim se prenosi preko linije korištenjem fizičkog kodiranja pomoću jedne od mogućih metoda kodiranja osjetljivih samo na duge nizove nula - na primjer, korištenjem NRZI digitalnog koda.

Simboli koda 4B/5B, dugi 5 bita, jamče da se na retku ne može pojaviti više od tri nule u nizu, bez obzira kako su kombinirani.

Pismo U u nazivu koda znači da elementarni signal ima 2 stanja – od engl binarni- binarni. Postoje i kodovi s tri stanja signala, na primjer, u kodu 8V/6T Za kodiranje 8 bita izvorne informacije koristi se kod od 6 signala, od kojih svaki ima tri stanja. Redundancija koda 8V/6T viši od koda 4V/5V, budući da za 256 izvornih kodova postoji 3 6 = 729 rezultirajućih simbola.

Kao što smo rekli, logičko kodiranje se događa prije fizičkog kodiranja, stoga ga provodi oprema na razini mrežne veze: mrežni adapteri i jedinice sučelja preklopnika i usmjerivača. Jer, kao što ste vidjeli, korištenje tablice pretraživanja je vrlo jednostavna operacija, tako da metoda kodiranja logičke zalihosti ne komplicira funkcionalne zahtjeve za ovu opremu.

Jedini zahtjev je da za osiguranje zadanog kapaciteta linije, odašiljač koji koristi redundantni kod mora raditi na višoj frekvenciji takta. Dakle, za prijenos kodova 4V/5V s brzinom 100 Mb/s odašiljač mora raditi na taktnoj frekvenciji 125 MHz. U ovom slučaju, spektar signala na liniji se proširuje u odnosu na slučaj kada se duž linije prenosi čisti, neredundantni kod. Međutim, spektar redundantnog potencijalnog koda pokazuje se užim od spektra Manchesterskog koda, što opravdava dodatni stupanj logičkog kodiranja, kao i rad prijamnika i odašiljača na povišenoj frekvenciji takta.

Stoga možemo izvući sljedeći zaključak:

Uglavnom za lokalne mreže jednostavnije, pouzdanije, kvalitetnije, brže - koristiti logičko kodiranje podataka pomoću redundantnih kodova, što će eliminirati duge nizove nula i osigurati sinkronizaciju signala, zatim koristiti brzi digitalni kod za prijenos na fizičkoj razini NRZI, nego koristiti spor ali samosinkronizirajući sustav za prijenos podataka bez prethodnog logičkog kodiranja Kod Manchestera.

Na primjer, za prijenos podataka putem linije s propusnošću od 100M bit/s i propusnošću od 100 MHz, NRZI kod zahtijeva frekvencije od 25 - 50 MHz, to je bez 4V/5V kodiranja. A ako ga koristite za NRZI Također 4V/5V kodiranje, sada će se frekvencijski pojas proširiti s 31,25 na 62,5 MHz. Ali unatoč tome, ovaj raspon još uvijek "stane" u propusnost linije. A za Manchesterski kod, bez korištenja dodatnog kodiranja, potrebne su frekvencije od 50 do 100 MHz, a to su frekvencije glavnog signala, ali se više neće prenositi linijom od 100 MHz.

5. 3.2 Kodiranje

Druga metoda logičkog kodiranja temelji se na prethodnom "miješanju" izvornih informacija tako da se vjerojatnost pojavljivanja jedinica i nula na retku približi.

Uređaji ili blokovi koji izvode takvu operaciju nazivaju se skrambleri (scramble - dump, neuredna montaža).

Na koprcanje podaci se miješaju prema određenom algoritmu i primatelj, nakon što primi binarne podatke, šalje ih deskriptor, koji vraća izvorni niz bitova.

U ovom slučaju, višak bitova se ne prenosi preko linije.

Bit kodiranja je jednostavno promjena bit-po-bit u protoku podataka koji prolazi kroz sustav. Gotovo jedina operacija koja se koristi u skramblerima je XOR - "bitno isključivi OR", ili kažu i - zbrajanje po modul 2. Prilikom zbrajanja dvaju jedinica isključivim ILI, najveći se odbacuje i rezultat se zapisuje kao 0.

Metoda kodiranja je vrlo jednostavna. Prvo se dosjete scramblera. Drugim riječima, oni dolaze do omjera za miješanje bitova u izvornom nizu koristeći "isključivo ILI". Zatim se, prema ovom odnosu, vrijednosti određenih bitova odabiru iz trenutnog niza bitova i zbrajaju XOR između sebe. U ovom slučaju, svi bitovi se pomiču za 1 bit, a novoprimljena vrijednost ("0" ili "1") stavlja se u oslobođeni najmanje značajan bit. Vrijednost koja je bila u najvažnijem bitu prije pomaka dodaje se nizu kodiranja, postajući njegov sljedeći bit. Ovaj niz se zatim izdaje u liniju, gdje se, korištenjem metoda fizičkog kodiranja, prenosi do prijemnog čvora, na čijem ulazu se ovaj niz dekodira na temelju obrnutog omjera.

Na primjer, scrambler može implementirati sljedeću relaciju:

Gdje Dvo- binarna znamenka rezultirajućeg koda dobivenog u i-tom taktu kodera, Ai- binarna znamenka izvornog koda koja stiže u i-tom ciklusu takta na ulaz kodera, B i-3 i B i-5- binarne znamenke rezultirajućeg koda, dobivene u prethodnim taktnim ciklusima kodera, odnosno 3 odnosno 5 taktnih ciklusa ranije od trenutnog taktnog ciklusa; - isključiva ILI operacija (adicija modulo 2).

Sada definirajmo kodiranu sekvencu, na primjer, za takvu početnu sekvencu 110110000001 .

Scrambler definiran gore će proizvesti sljedeći kod rezultata:

B 1 = A 1 = 1 (prve tri znamenke rezultirajućeg koda će se podudarati s izvornim, budući da još nema potrebnih prethodnih znamenki)

Stoga će se niz pojaviti na izlazu scramblera 110001101111 . Što ne sadrži niz od šest nula prisutnih u izvornom kodu.

Nakon što primi rezultirajuću sekvencu, prijamnik je prosljeđuje dekoderu, koji rekonstruira izvornu sekvencu na temelju obrnutog odnosa.

Postoje razni drugi algoritmi za kodiranje, razlikuju se po broju pojmova koji daju rezultirajuću znamenku koda i pomaku između pojmova.

Glavni problem kodiranja na temelju scrambleri - sinkronizacija odašiljačkih (kodirajućih) i prijamnih (dekodirajućih) uređaja. Ako je čak i jedan bit izostavljen ili pogrešno umetnut, sve prenesene informacije se nepovratno gube. Stoga se u sustavima kodiranja baziranim na skrambleru velika pažnja posvećuje metodama sinkronizacije .

U praksi se u ove svrhe obično koristi kombinacija dviju metoda:

a) dodavanje sinkronizirajućih bitova u tok informacija koji su unaprijed poznati primateljskoj strani, što mu omogućuje da, ako takav bit nije pronađen, aktivno počne tražiti sinkronizaciju s pošiljateljem,

b) korištenje generatora vremenskih impulsa visoke preciznosti, koji omogućuje, u trenucima gubitka sinkronizacije, dekodiranje primljenih bitova informacija "iz memorije" bez sinkronizacije.

Ima još jednostavne metode borbene sekvence jedinica, također klasificirane kao scrambling.

Za poboljšanje koda Bipolarni AMI koriste se dvije metode koje se temelje na umjetnom iskrivljavanju niza nula zabranjenim znakovima.

Riža. 5. 19 Kodovi B8ZS i HDB3

Ova slika prikazuje korištenje metode B8ZS (bipolarni sa zamjenom od 8 nula) i metoda HDB3 (bipolarni 3-nule visoke gustoće) da biste ispravili AMI kod. Izvorni kod se sastoji od dva duga niza nula (8 u prvom slučaju i 5 u drugom).

Kod B8ZS ispravlja samo nizove koji se sastoje od 8 nula. Da bi to učinio, nakon prve tri nule, umjesto preostalih pet nula, umeće pet znamenki: V-1*-0-V-1*.V ovdje označava signal jedinice koji je zabranjen za određeni ciklus polariteta, odnosno signal koji ne mijenja polaritet prethodne jedinice, 1 * - signal jedinice je ispravnog polariteta, a znak zvjezdice označava činjenicu da u izvornom kodu u ovom taktu nije bila jedinica, već nula. Kao rezultat toga, u 8 ciklusa takta prijemnik opaža 2 izobličenja - vrlo je malo vjerojatno da se to dogodilo zbog šuma u liniji ili drugih kvarova u prijenosu. Stoga primatelj takva kršenja smatra kodiranjem od 8 uzastopnih nula i, nakon prijema, zamjenjuje ih s originalnih 8 nula.

B8ZS kod je konstruiran na takav način da je njegova konstantna komponenta nula za bilo koji niz binarnih znamenki.

Kod HDB3 ispravlja bilo koje 4 uzastopne nule u izvornom nizu. Pravila za generiranje HDB3 koda su složenija od B8ZS koda. Svake četiri nule zamjenjuju se s četiri signala, u kojima postoji jedan signal V. Za suzbijanje istosmjerne komponente, polaritet signala V izmjenjuje se uzastopnim zamjenama.

Osim toga, za zamjenu se koriste dva uzorka kodova od četiri ciklusa. Ako prije zamjene izvor sadrži neparan broj jedinica, tada se koristi niz 000V, a ako je broj jedinica bio paran - niz 1*00V.

Dakle, korištenje logičkog kodiranja zajedno s potencijalnim kodiranjem daje sljedeće prednosti:

Poboljšani kodovi kandidata imaju prilično usku propusnost za sve sekvence jedinica i nula koje se pojavljuju u prenesenim podacima. Kao rezultat toga, kodovi dobiveni iz potencijala logičkim kodiranjem imaju uži spektar od Manchesterskog, čak i pri povećanoj frekvenciji takta.

Fizički sloj se bavi stvarnim prijenosom sirovih bitova

komunikacijski kanal.

Prijenos podataka u računalnim mrežama s jednog računala na drugo provodi se sekvencijalno, bit po bit. Fizički se podatkovni bitovi prenose podatkovnim vezama u obliku analognih ili digitalnih signala.

Skup sredstava (komunikacijski vodovi, oprema za prijenos i prijem podataka) koja se koriste za prijenos podataka u računalnim mrežama naziva se kanalom za prijenos podataka. Ovisno o obliku prenesene informacije, kanali prijenosa podataka mogu se podijeliti na analogne (kontinuirane) i digitalne (diskretne).

Budući da oprema za prijenos i prijem podataka radi s podacima u diskretnom obliku (tj. diskretni električni signali odgovaraju jedinicama i nulama podataka), tada kada se prenose putem analogni kanal potrebna je pretvorba diskretnih podataka u analogne (modulacija).

Kod primanja takvih analognih podataka potrebna je inverzna pretvorba - demodulacija. Modulacija/demodulacija – procesi pretvorbe digitalne informacije na analogne signale i obrnuto. Tijekom modulacije informacija se predstavlja sinusoidnim signalom frekvencije koju kanal za prijenos podataka dobro prenosi.

Metode modulacije uključuju:

· amplitudna modulacija;

· frekvencijska modulacija;

· fazna modulacija.

Kod prijenosa diskretnih signala putem digitalnog podatkovnog kanala koristi se kodiranje:

· potencijal;

· pulsirajuće.

Stoga se na kanalima primjenjuje potencijalno ili impulsno kodiranje Visoka kvaliteta, a modulacija temeljena na sinusoidnim signalima poželjna je u slučajevima kada kanal unosi jaka izobličenja u odaslane signale.

Modulacija se obično koristi u širokim mrežama za prijenos podataka preko analognih telefonskih veza, koje su dizajnirane za prijenos glasa u analognom obliku i stoga nisu prikladne za izravan prijenos impulsa.

Ovisno o načinu sinkronizacije, kanali prijenosa podataka računalnih mreža mogu se podijeliti na sinkrone i asinkrone. Sinkronizacija je neophodna kako bi čvor za slanje podataka mogao prenijeti neki signal do čvora za primanje kako bi čvor za primanje znao kada treba početi primati dolazne podatke.

Sinkroni prijenos podataka zahtijeva dodatnu komunikacijsku liniju za prijenos taktnih impulsa. Prijenos bitova od strane odašiljačke stanice i njihov prijem od strane prijemne stanice provodi se u trenucima pojave taktnih impulsa.

Za asinkroni prijenos podataka nije potrebna dodatna komunikacijska linija. U ovom se slučaju prijenos podataka provodi u blokovima fiksne duljine (bajtovi). Sinkronizacija se provodi dodatnim bitovima (start bitovi i stop bitovi), koji se prenose prije i poslije poslanog bajta.

Pri razmjeni podataka između čvorova računalne mreže koriste se tri načina prijenosa podataka:

Simpleksni (jednosmjerni) prijenos (televizija, radio);

half-duplex (prijem / prijenos informacija provodi se naizmjenično);

duplex (dvosmjerno), svaki čvor istovremeno prenosi i prima podatke (primjerice, telefonske razgovore).

	\|	sljedeće predavanje ==>

Fizička osnova prijenosa podataka. Prijenos diskretnih podataka na fizičkoj razini. Infracrveni i milimetarski valovi