Prijenos diskretnih podataka na fizičkoj razini. Digitalne pretplatničke linije. xDSL tehnologija
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 upletenim paricama koriste se u nekoliko varijanti, od kojih su dvije posebno važne na terenu računalne mreže. 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.
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
- Složenost i stručnost tijekom instalacije.
Krhkost
Skuplji od bakra.
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 i milimetarsko zračenje bez upotrebe kabela naširoko se koristi za komunikaciju na Ne 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.
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.
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.
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 trunks, vanjske sklopke) 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.................
7. RAZINA PRIJENOSA FIZIČKIH PODATAKA
7.2. Diskretne metode prijenosa podataka
Pri prijenosu diskretnih podataka putem komunikacijskih kanala koriste se dvije glavne vrste fizičkog kodiranja - temeljeno na sinusoidnom signalu nositelja i temeljeno na nizu pravokutnih impulsa. Često se naziva prva metoda modulacija ili analogna modulacija , naglašavajući činjenicu da se kodiranje provodi promjenom parametara analognog signala. Druga metoda je tzv digitalno kodiranje . Ove se metode razlikuju po širini spektra dobivenog signala i složenosti opreme potrebne za njihovu provedbu.
Kada se koriste pravokutni impulsi, spektar rezultirajućeg signala je vrlo širok. Korištenje sinusnog vala rezultira užim spektrom pri istoj brzini prijenosa informacija. Međutim, za implementaciju modulacije potrebna je složenija i skuplja oprema nego za implementaciju pravokutnih impulsa.
Trenutno se sve češće koriste podaci koji su inicijalno u analognom obliku – govor, televizijska slika, - prenose se komunikacijskim kanalima u diskretni oblik, odnosno u obliku niza jedinica i nula. Proces predstavljanja analogne informacije u diskretnom obliku naziva se diskretna modulacija .
Analogna modulacija koristi se za prijenos diskretnih podataka preko kanala s uskim frekvencijskim pojasom - glasovno-frekvencijskim kanalom (javne telefonske mreže). Ovaj kanal emitira frekvencije u rasponu od 300 do 3400 Hz, tako da mu je širina pojasa 3100 Hz.
Uređaj koji obavlja funkcije modulacije sinusoida nositelja na odašiljačkoj strani i demodulacije na prijemnoj strani naziva se modem (modulator-demodulator).
Analogna modulacija je metoda fizičkog kodiranja u kojoj se informacije kodiraju promjenom amplitude, frekvencije ili faze sinusoidnog signala nositelja (Sl. 27).
Na amplitudna modulacija (Sl. 27, b) za logičku jedinicu odabrana je jedna razina amplitude sinusoide nosive frekvencije, a za logičku nulu - druga. 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.
Na frekvencijska modulacija (Sl. 27, c) vrijednosti 0 i 1 izvornih podataka prenose sinusoide s različitim frekvencijama - f 0 i f 1,. Ova metoda modulacije ne zahtijeva složene sklopove u modemima i obično se koristi u modemima niske brzine koji rade na 300 ili 1200 bps.
Na fazna modulacija (Sl. 27, d) 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.
Riža. 27. Različite vrste modulacija
Spektar rezultirajućeg moduliranog signala ovisi o vrsti i brzini modulacije.
Za potencijalno kodiranje, spektar se izravno dobiva iz Fourierovih formula za periodičku funkciju. Ako se diskretni podaci prenose bitskom brzinom od N bit/s, tada se spektar sastoji od konstantne komponente nulte frekvencije i beskonačnog niza harmonika s frekvencijama f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., gdje je f 0 = N/2. Amplitude ovih harmonika opadaju prilično sporo - s koeficijentima 1/3, 1/5, 1/7, ... od amplitude harmonika f 0 (slika 28, a). Kao rezultat toga, spektar potencijalnog koda zahtijeva široku propusnost za visokokvalitetni prijenos. Osim toga, trebate uzeti u obzir da se u stvarnosti spektar signala stalno mijenja ovisno o prirodi podataka. Stoga spektar rezultirajućeg signala potencijalnog koda pri prijenosu proizvoljnih podataka zauzima pojas od određene vrijednosti blizu 0 Hz do približno 7f 0 (harmonici s frekvencijama iznad 7f 0 mogu se zanemariti zbog njihovog malog doprinosa rezultirajućem signalu). Za glasovni kanal, gornja granica za potencijalno kodiranje postiže se brzinom podataka od 971 bps. Kao rezultat toga, potencijalni kodovi na glasovnim kanalima nikada se ne koriste.
Kod amplitudske modulacije, spektar se sastoji od sinusnog vala nosive frekvencije f sa i dva bočna harmonika: (f c + f m) i ( f c – f m), gdje f m – frekvencija promjene informacijskog parametra sinusoide, koja se podudara s brzinom prijenosa podataka kada se koriste dvije razine amplitude (slika 28, b). Učestalost f m određuje kapacitet linije za danu metodu kodiranja. Na niskoj frekvenciji modulacije, širina spektra signala također će biti mala (jednaka 2f m ), tako da signali neće biti iskrivljeni linijom ako je njezina širina pojasa veća ili jednaka 2f m . Za kanal glasovne frekvencije, ova metoda modulacije je prihvatljiva pri brzini prijenosa podataka ne većoj od 3100/2=1550 bps. Ako se za prikaz podataka koriste 4 razine amplitude, tada se kapacitet kanala povećava na 3100 bps.
Riža. 28. Spektri signala tijekom kodiranja potencijala
i amplitudna modulacija
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 glasovnog kanala.
Kod digitalnog kodiranja diskretnih informacija koriste se potencijalni i impulsni kodovi. U potencijalnim kodovima samo se potencijalna vrijednost signala koristi za predstavljanje logičkih jedinica i nula, a njegovi rubovi se ne uzimaju u obzir. Pulsni kodovi 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 istovremeno postiže nekoliko ciljeva:
· imao najmanju širinu spektra rezultirajućeg signala pri istoj brzini prijenosa;
· osigurana sinkronizacija između odašiljača i prijamnika;
· imao sposobnost prepoznavanja grešaka;
· imao nisku prodajnu cijenu.
Uži spektar signala omogućuje veće brzine prijenosa podataka na istoj liniji. Često se zahtijeva da spektar signala nema istosmjernu komponentu.
Sinkronizacija odašiljača i prijamnika je neophodna kako bi prijamnik točno znao u kojem trenutku treba očitati nove informacije s komunikacijske linije. Ovaj problem je teže riješiti u mrežama nego kod razmjene podataka između blisko smještenih uređaja, na primjer, između jedinica unutar računala ili između računala i pisača. Stoga mreže koriste takozvane samosinkronizirajuće kodove, čiji signali nose upute za odašiljač o tome u kojem trenutku treba prepoznati sljedeći bit (ili nekoliko bitova). Svaka oštra promjena signala - takozvani rub - može poslužiti kao dobar pokazatelj 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.
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.
Na sl. 29, a prikazuje potencijalnu metodu kodiranja, koja se također naziva kodiranje bez povratka na nulu (Ne Povratak na nulu, NRZ) . Posljednji naziv odražava činjenicu da se prilikom odašiljanja niza jedinica signal ne vraća na nulu tijekom ciklusa takta. NRZ metoda je jednostavna za implementaciju, ima dobro prepoznavanje pogrešaka (zbog dva oštro različita potencijala), ali nema svojstvo samosinkronizacije. Prilikom odašiljanja dugog niza jedinica ili nula, signal na liniji se ne mijenja, pa prijemnik iz ulaznog signala ne može odrediti trenutke u vremenu kada je potrebno očitati podatke. Čak i s generatorom takta visoke preciznosti, prijemnik može pogriješiti s trenutkom prikupljanja podataka, budući da frekvencije dvaju generatora nikada nisu potpuno identične. Stoga, kada velike brzine razmjena podataka i dugi nizovi jedinica ili nula, mala neusklađenost u taktnim frekvencijama može dovesti do pogreške cijelog takta i, sukladno tome, očitavanja netočne vrijednosti bita.
Još jedan ozbiljan nedostatak NRZ metode je prisutnost niskofrekventne komponente koja se približava nuli kada se odašilju dugi nizovi jedinica ili nula. Zbog toga mnogi komunikacijski kanali koji ne omogućuju izravnu galvansku vezu između prijamnika i izvora ne podržavaju ovu vrstu kodiranja. Zbog toga se NRZ kod u svom čistom obliku ne koristi u mrežama. Unatoč tome, koriste se njegove različite modifikacije koje eliminiraju i lošu samosinkronizaciju NRZ koda i prisutnost konstantne komponente. Atraktivnost koda NRZ, zbog koje ga se isplati poboljšati, je prilično niska frekvencija osnovnog harmonika f 0, koja iznosi N/2 Hz. U drugim metodama kodiranja, kao što je Manchester, osnovni harmonik ima višu frekvenciju.
Riža. 29. Metode diskretnog kodiranja podataka
Jedna od modifikacija metode NRZ je metoda bipolarno kodiranje s alternativnom inverzijom (Bipolarni Inverzija alternativne oznake, AMI). Ova metoda (slika 29, b) koristi tri potencijalne razine - negativnu, nultu i pozitivnu. Za kodiranje logičke nule koristi se nulti potencijal, a logička jedinica se kodira ili 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. Stoga, AMI kod zahtijeva daljnje poboljšanje.
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. Ovaj signal se zove zabranjeni signal (signal kršenje).
AMI kod ne koristi dvije, već tri razine signala na liniji. Dodatna razina zahtijeva povećanje snage odašiljača od približno 3 dB kako bi se osigurala ista pouzdanost bita na liniji, što je zajednički nedostatak kodovi s više stanja signala nasuprot kodovima koji razlikuju samo dva stanja.
Postoji kod sličan AMI-ju, ali sa 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 (Ne Povratak do Nula s one Obrnuto , NRZI ) . Ovaj kod je prikladan u slučajevima kada je upotreba treće razine signala vrlo nepoželjna, na primjer, u optičkim kabelima, gdje se dosljedno prepoznaju dva stanja signala - svjetlo i sjena.
Osim potencijalnih kodova, u mrežama se koriste 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 (slika 29, c). Svaki puls traje pola otkucaja. Ovaj kod je odličan samosinkronizirajuće svojstva, ali konstantna komponenta može biti prisutna, na primjer, kada se prenosi 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 lokalne mreže Donedavno je najčešći način kodiranja bio tzv Kod Manchestera (Slika 29, d). Koristi se u Ethernet i Token Ring tehnologijama.
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 razlikom od niska razina signal na visoki, a nula - obrnuti rub. 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, Manchesterski kod je dobar samosinkronizirajuće Svojstva. 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. Manchesterski kod ima još jednu prednost u odnosu na bipolarni pulsni kod. Potonji koristi tri razine signala za prijenos podataka, dok Manchester koristi dvije.
Na sl. 29, d prikazuje potencijalni kod s četiri razine signala za kodiranje podataka. Ovo je kod 2B1Q, čije ime odražava njegovu bit - svaka dva bita (2B) prenose se u jednom taktu signalom koji ima četiri stanja (1Q). Par bitova 00 odgovara potencijalu od -2,5 V, par bitova 01 odgovara potencijalu od -0,833 V, par 11 odgovara potencijalu od +0,833 V, a par 10 odgovara potencijalu od +2,5 V. Ovim kodiranjem metode, potrebne su dodatne mjere za borbu protiv dugih nizova identičnih parova bitova, budući da se u ovom slučaju signal pretvara u konstantnu komponentu. S nasumičnim preplitanjem bitova, spektar signala je dvostruko uži od spektra NRZ koda, budući da se pri istoj brzini bita trajanje takta udvostručuje. Dakle, korištenjem 2B1Q koda možete prenijeti podatke preko iste linije dvostruko brže nego korištenjem AMI ili NRZI koda. Međutim, da bi se to provelo, snaga odašiljača mora biti veća tako da prijemnik jasno razlikuje četiri razine u odnosu na pozadinu smetnji.
Pri prijenosu diskretnih podataka putem komunikacijskih kanala koriste se dvije glavne vrste fizičkog kodiranja -temeljen sinusoidalni nosivi signal i temelji se na nizu pravokutnih impulsa. Često se naziva prva metoda modulacija ili analogna modulacija, naglašavajući činjenicu da se kodiranje provodi promjenom parametara analognog signala. Obično se zove druga metoda digitalno kodiranje. Ove se metode razlikuju po širini spektra dobivenog signala i složenosti opreme potrebne za njihovu provedbu.
Kada se koriste pravokutni impulsi, spektar rezultirajućeg signala je vrlo širok. To ne čudi ako se sjetimo da je spektar idealnog pulsa beskonačno širok. Korištenje sinusnog vala rezultira spektrom mnogo manje širine pri istoj brzini prijenosa informacija. Međutim, za implementaciju sinusoidne modulacije potrebna je složenija i skuplja oprema nego za implementaciju pravokutnih impulsa.
Trenutno se sve više podaci koji su izvorno bili u analognom obliku - govor, televizijska slika - prenose komunikacijskim kanalima u diskretnom obliku, odnosno u obliku niza jedinica i nula. Proces predstavljanja analogne informacije u diskretnom obliku naziva se diskretna modulacija. Izrazi "modulacija" i "kodiranje" često se koriste kao sinonimi.
Na digitalno kodiranje potencijalni i pulsni kodovi koriste se za diskretne informacije. U kodovima potencijala za prikaz logičkih jedinica i nula koristi se samo potencijalna vrijednost signala, a ne uzimaju se u obzir njegovi padovi koji tvore potpune impulse. Pulsni kodovi omogućuju predstavljanje binarnih podataka ili kao impulse određenog polariteta ili kao dio impulsa - potencijalni pad 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;
Posjeduje sposobnost prepoznavanja pogrešaka; imao nisku prodajnu cijenu.
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 oštra promjena signala - takozvani rub - može poslužiti kao dobar pokazatelj za sinkronizaciju prijemnika s odašiljačem. 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 odbija odmah po postavljanju. poznavanje pogrešnih bitova unutar okvira.
Potencijalni kod bez povratka na nulu, potencijalna metoda kodiranja, koja se naziva i kodiranje bez povratka na nulu (Ne Povratak do Nula, NRZ). Posljednje ime odražava činjenicu da se prilikom prijenosa niza jedinica signal ne vraća na nulu tijekom ciklusa takta (kao što ćemo vidjeti u nastavku, u drugim metodama kodiranja vraća se na nulu u ovom slučaju). NRZ metoda je jednostavna za implementaciju, ima dobro prepoznavanje pogreške (zbog dva oštro različita potencijala), ali nema svojstvo samosinkronizacije. Prilikom odašiljanja dugog niza jedinica ili nula, signal na liniji 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 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.
Metoda bipolarnog kodiranja s alternativnom inverzijom. Jedna od modifikacija NRZ metode je bipolarno kodiranje s alternativnom inverzijom (Bipolarni Naizmjence Ocjena Inverzija, AMI). Ova metoda koristi tri razine potencijala - negativnu, nultu i pozitivnu. Za kodiranje logičke nule koristi se nulti potencijal, a logička jedinica se kodira ili pozitivnim ili negativnim potencijalom, pri čemu je potencijal svake nove jedinice suprotan potencijalu prethodne. Dakle, kršenje stroge izmjene polariteta signala ukazuje na lažni impuls ili nestanak ispravnog impulsa iz linije. Poziva se signal s netočnim polaritetom zabranjeni signal (signal kršenje). AMI kod ne koristi dvije, već tri razine signala na liniji. Dodatni sloj zahtijeva povećanje snage odašiljača od približno 3 dB kako bi se osigurala ista vjernost bita na liniji, što je uobičajeni nedostatak kodova s višestrukim stanjima signala u usporedbi s kodovima koji razlikuju samo dva stanja.
Potencijalni kod s inverzijom na jedan. Postoji kod sličan AMI-ju, ali sa 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 jednom (Ne Povratak do Nula s one Obrnuto, NRZI). Ovaj kod je prikladan u slučajevima kada je upotreba treće razine signala vrlo nepoželjna, na primjer u optičkim kabelima, gdje se dva stanja signala - svjetlo i tama - stabilno prepoznaju.
Bipolarni pulsni kod Osim potencijalnih kodova, u mrežama se koriste i impulsni kodovi, kada se podatak prikazuje punim impulsom ili njegovim dijelom – frontom. Najjednostavniji slučaj ovog pristupa je bipolarni pulsni kod, u kojem je jedan predstavljen pulsom jednog polariteta, a nula drugim . Svaki puls traje pola otkucaja. Takav kod ima izvrsna svojstva samosinkronizacije, ali konstantna komponenta može biti prisutna, na primjer, kada se prenosi 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 NHz, što je dva puta više od osnovnog harmonika NRZ koda i četiri puta više od osnovnog harmonika AMI koda kada prenoseći naizmjenične jedinice i nule. Zbog preširokog spektra bipolarni pulsni kod se rijetko koristi.
Kod Manchestera. U lokalnim mrežama donedavno je najčešći način kodiranja bio tzv Kod Manchestera. Koristi se u Ethernet i TokenRing tehnologijama. 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 samosinkronizacije. Širina pojasa Manchesterskog koda je uža od one bipolarnog pulsa. 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. Manchesterski kod ima još jednu prednost u odnosu na bipolarni pulsni kod. Potonji koristi tri razine signala za prijenos podataka, a Manchester koristi dvije.
Potencijalni kod 2B 1Q. Potencijalni kod s četiri razine signala za kodiranje podataka. Ovo je šifra 2 U 1Q, čiji naziv odražava njegovu bit - svaka dva bita (2B) prenose se u jednom taktu signalom koji ima četiri stanja (1Q). Par bitova 00 odgovara potencijalu od -2,5 V, par bitova 01 odgovara potencijalu od -0,833 V, par 11 odgovara potencijalu od +0,833 V, a par 10 odgovara potencijalu od +2,5 V. S ovom metodom kodiranja potrebne su dodatne mjere za rad s dugim nizovima identičnih parova bitova, budući da se u tom slučaju signal pretvara u konstantnu komponentu. S nasumičnim izmjenjivanjem bitova, spektar signala dvostruko je uži od spektra NRZ koda, budući da se pri istoj brzini bita trajanje takta udvostručuje. Dakle, korištenjem 2B 1Q koda, možete prenijeti podatke preko iste linije dvostruko brže nego korištenjem AMI ili NRZI koda. Međutim, da bi se to provelo, snaga odašiljača mora biti veća tako da prijemnik jasno razlikuje četiri razine u odnosu na pozadinu smetnji.
Logičko kodiranje Logičko kodiranje se koristi za poboljšanje potencijalnih kodova kao što su AMI, NRZI ili 2Q.1B. Logičko kodiranje mora zamijeniti duge nizove bitova koji dovode do konstantnog potencijala s isprekidanim. Kao što je gore navedeno, 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.
Kako bi se osigurao zadani kapacitet linije, odašiljač koji koristi redundantni kod mora raditi s povećanim taktna frekvencija. Dakle, za prijenos 4V/5V kodova brzinom od 100 Mb/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.
Šibanje. Miješanje podataka s kodiranjem prije nego što se proslijede u liniju pomoću potencijalnog koda još je jedan način logičkog kodiranja. Metode kodiranja sastoje se od bitovnog izračuna rezultirajućeg koda na temelju bitova izvorni kod i rezultirajuće kodne bitove primljene u prethodnim ciklusima takta. Na primjer, scrambler može implementirati sljedeću relaciju:
Asinkroni i sinkroni prijenos
Prilikom razmjene podataka na fizičkom sloju, jedinica informacije je bit, tako da fizički sloj uvijek održava bitnu sinkronizaciju između prijamnika i odašiljača. Obično je dovoljno osigurati sinkronizaciju na ove dvije razine - bit i okvir - kako bi odašiljač i prijamnik mogli osigurati stabilnu razmjenu informacija. Međutim, kada je kvaliteta komunikacijske linije loša (obično se to odnosi na telefonske dial-up kanale), uvode se dodatna sredstva sinkronizacije na razini bajtova kako bi se smanjio trošak opreme i povećala pouzdanost prijenosa podataka.
Ovakav način rada naziva se asinkroni ili start-stop. U asinkronom načinu rada, svaki bajt podataka popraćen je posebnim startnim i stop signalom. Svrha ovih signala je, prvo, obavijestiti prijamnik o pristizanju podataka i, drugo, dati prijamniku dovoljno vremena da izvrši neke funkcije povezane sa sinkronizacijom prije nego što stigne sljedeći bajt. Početni signal ima trajanje jednog taktnog intervala, a stop signal može trajati jedan, jedan i pol ili dva takta, pa se kaže da se kao stop signal koriste jedan, jedan i pol ili dva bita. , iako ti signali ne predstavljaju korisničke bitove.
U načinu sinkronog prijenosa nema start-stop bitova između svakog para bajtova. zaključke
Kod prijenosa diskretnih podataka preko uskopojasnog kanala glasovne frekvencije koji se koristi u telefoniji, najprikladnije metode su analogna modulacija, u kojoj se sinusoid nositelja modulira izvornim nizom binarnih znamenki. Ovu operaciju provode posebni uređaji - modemi.
Za prijenos podataka male brzine koristi se promjena frekvencije sinusoide nositelja. Modemi veće brzine rade koristeći kombinirane metode kvadraturne amplitudne modulacije (QAM), koju karakteriziraju 4 razine amplitude sinusoide nosača i 8 razina faze. Ne koriste se sve od 32 moguće kombinacije QAM metode za prijenos podataka, zabranjene kombinacije omogućuju prepoznavanje oštećenih podataka na fizičkoj razini.
Na širokopojasnim komunikacijskim kanalima koriste se metode kodiranja potencijala i impulsa, u kojima se podaci predstavljaju različitim razinama konstantnog potencijala signala ili polariteta impulsa ili njegov ispred.
Kod korištenja potencijalnih kodova zadatak sinkronizacije prijemnika s odašiljačem postaje od posebne važnosti, budući da se pri prijenosu dugih nizova nula ili jedinica signal na ulazu prijemnika ne mijenja i prijamniku je teško odrediti trenutak preuzimanje sljedećeg podatkovnog bita.
Najjednostavniji potencijalni kod je kod bez povratka na nulu (NRZ), ali on nema samotaktiranje i proizvodi istosmjernu komponentu.
Najpopularniji pulsni kod je Manchesterski kod, u kojem se informacije prenose prema smjeru pada signala u sredini svakog takta. Manchester kod se koristi u Ethernet i TokenRing tehnologijama.
Kako bi se poboljšala svojstva potencijalnog NRZ koda, koriste se metode logičkog kodiranja koje eliminiraju dugačke nizove nula. Ove se metode temelje na:
O uvođenju redundantnih bitova u izvorne podatke (kodovi tipa 4B/5B);
Kodiranje izvornih podataka (kodovi poput 2B 1Q).
Poboljšani potencijalni kodovi imaju uži spektar od impulsnih kodova, pa se koriste u tehnologijama velikih brzina kao što su FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.
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 korisnicima javnih telefonskih mreža. Ova komunikacijska linija prenosi analogni signali 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 pogreške na fizičkom sloju štedi vrijeme, jer 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.
|
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 bita na liniji, što je uobičajeni nedostatak kodova s višestrukim stanjima signala u usporedbi s kodovima koji razlikovati samo dva stanja.
Najviše jednostavne 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 redundantnost i kodirani kodovi koriste se u modernim mrežnim tehnologijama velike brzine umjesto Manchesterskog i bipolarnog pulsnog kodiranja.
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, kada se razmjenjuju podaci pomoću modema putem telefonska mreža, dvostruki način rada organiziran je na temelju dijeljenja kanala u dva logička podkanala pomoću FDM ili TDM tehnologija. 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.
Širina pojasa Komunikacijska linija 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 komunikacijske linije.
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?
2 Funkcije fizičkog sloja Predstavljanje bitova električnim/optičkim signalima Kodiranje bitova Sinkronizacija bitova Prijenos/prijem bitova preko fizičkih komunikacijskih kanala Koordinacija s fizičkim okruženjem Brzina prijenosa Raspon Razine signala, konektori U svim mrežnim uređajima Hardverska implementacija (mrežni adapteri) ) Primjer: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100 m, 10 Mbit/s, MII kod, RJ-45
5 Oprema za prijenos podataka Pretvarač poruka - El. Koder signala (kompresija, kodovi za korekciju) Modulator Srednja oprema Poboljšanje kvalitete komunikacije - (Pojačalo) Stvaranje kompozitnog kanala - (Sklopka) Multipleksiranje kanala - (Multiplekser) (PA može biti odsutan u LAN-u)
6 Glavne karakteristike komunikacijskih linija Propusnost (Protokol) Pouzdanost prijenosa podataka (Protokol) Kašnjenje širenja Amplitudno-frekvencijski odziv (AFC) Širina pojasa Prigušenje Otpornost na šum Preslušavanje na bližem kraju linije Jedinični trošak
9 Prigušenje A – jedna točka na frekvencijskom odzivu A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Primjer 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Prigušenje = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Primjer 2: UTP cat 5 Prigušenje >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Tipično je označeno A za osnovnu frekvenciju signala = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Tipično je A naznačeno za glavnu frekvenciju signala"> 
11 Otpornost na buku Vodovi od optičkih vlakana Kabelske linijeŽičani nadzemni vodovi Radio veze (oklop, uvijanje) Otpornost na vanjske smetnje Otpornost na unutarnje smetnje Prigušenje preslušavanja na bližem kraju (SLJEDEĆE) Prigušenje preslušavanja na udaljenom kraju (FEXT) (FEXT - Dva para u jednom smjeru)
12 Near End Cross Talk gubitak – SLJEDEĆE Za kabele s više parica SLJEDEĆE = 10 log Pout/Pin dB SLJEDEĆE = SLJEDEĆE (L) UTP 5: SLJEDEĆE 
13 Pouzdanost prijenosa podataka Bit Error Rate – BER Vjerojatnost oštećenja bita podataka Uzroci: vanjske i unutarnje smetnje, uska propusnost Borba: povećanje otpornosti na buku, smanjenje NEXT smetnji, proširenje propusnosti Upletena parica BER ~ Kabel od optičkih vlakana BER ~ Nema dodatnih sredstava zaštite :: korektivne šifre, protokoli s ponavljanjem
16 Upletena parica Upletena parica (TP) folija ekran pletena žica ekran izolirana žica vanjski omotač UTP neoklopljeni upredeni par kategorija 1, UTP mačkasti parovi u omotaču STP oklopljeni upredeni par Tipovi 1…9 Svaki par ima svoj vlastiti zaslon Svaki par ima svoj vlastiti korak zaokreti, vlastita boja Otpornost na buku Trošak Složenost polaganja
18 Svjetlovodna optika Potpuna unutarnja refleksija zrake na sučelju dva medija n1 > n2 - (indeks loma) n1 n2 n2 - (indeks loma) n1 n2"> n2 - (indeks loma) n1 n2"> n2 - (indeks loma) n1 n2" title="18 Fiber Optics Potpuna unutarnja refleksija zrake na granici dva mediji n1 > n2 - (indeks loma) n1 n2"> title="18 Svjetlovodna optika Potpuna unutarnja refleksija zrake na sučelju dva medija n1 > n2 - (indeks loma) n1 n2"> !}
22 Optički kabel Multi Mode Fiber MMF50/125, 62.5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9.5/125 D = 250 µm 1 GHz – 100 km BaseLH5000 km - 1 Gbit/s (2005) MMSM
23 Optički izvori signala Kanal: izvor - nosač - prijemnik (detektor) Izvori LED (Light Emitting Diode) nm inkoherentni izvor - MMF Poluvodički laserski koherentni izvor - SMF - Snaga = f (t o) Detektori Fotodiode, pin diode, lavinske diode
25 Strukturirani kablovski sustav - SCS Prvi LAN-ovi - razni kabeli i topologije Unifikacija kabelski sustav SCS – otvorena LAN kabelska infrastruktura (podsustavi, komponente, sučelja) – neovisnost o mrežna tehnologija- LAN kablovi, TV, sigurnosni sustavi itd. - univerzalno kabliranje bez veze s određenom mrežnom tehnologijom - Konstruktor
27 SCS standardi (osnovni) EIA/TIA-568A Telekomunikacijski standard ožičenja komercijalnih zgrada (SAD) CENELEC EN50173 Zahtjevi izvedbe generičkih shema kabliranja (Europa) ISO/IEC IS Informacijska tehnologija - Generičko kabliranje za kabliranje u prostorijama korisnika Za svaki podsustav: Medij za prijenos podataka . Topologija Dopuštene udaljenosti(duljina kabela) Korisničko sučelje za povezivanje. Kabeli i priključna oprema. Propusnost (Performanse). Praksa ugradnje (horizontalni podsustav - UTP, zvijezda, 100 m...)
28 Bežične komunikacije Bežični prijenos Prednosti: praktičnost, nedostupna područja, mobilnost. brza implementacija... Nedostaci: visoka razina smetnji (specijalna sredstva: kodovi, modulacija...), poteškoće u korištenju nekih raspona Komunikacijski vod: odašiljač - medij - prijamnik LAN karakteristike ~ F(Δf, fn);
34 2. Mobilna telefonija Podjela teritorija na ćelije Ponovno korištenje frekvencije Mala snaga (dimenzije) U sredini – bazna stanica Europa – globalni sustav za mobitel- GSM bežični telefonske komunikacije 1. Radio postaja male snage - (baza slušalice, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - prebacivanje s jedne jezgrena mreža na drugu - bazu mobilne komunikacije
35 Satelitske komunikacije Na temelju satelita (reflektor-pojačalo) Primopredajnici - transponderi H~50 MHz (1 satelit ~ 20 transpondera) Frekvencijski rasponi: C. Ku, Ka C - Dolje 3,7 - 4,2 GHz Gore 5,925-6,425 GHz Ku - Dolje 11,7-12,2 GHz Gore 14,0-14,5 GHz Ka - Dolje 17,7-21,7 GHz Gore 27,5-30,5 GHz
36 Satelitske komunikacije. Vrste satelita Satelitska komunikacija: mikrovalna - linija vidokruga Geostacionarna Velika pokrivenost Fiksna, Slabo trošenje Satelitski repetitor, emitiranje, niska cijena, cijena ne ovisi o udaljenosti, Trenutačno uspostavljanje veze (Mil) Tz=300ms Niska sigurnost, U početku velika antena (ali VSAT) Srednja orbita km Global Positioning System GPS - 24 satelita Niska orbita km mala pokrivenost mala latencija Pristup internetu
40 Tehnike proširenog spektra Posebne tehnike modulacije i kodiranja za bežična komunikacija C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Smanjenje snage Otpornost na buku Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA
