Tema 2. Stratul fizic

Plan

Bazele teoretice ale transmisiei de date

Informațiile pot fi transmise prin fire prin modificarea unei cantități fizice, cum ar fi tensiunea sau curentul. Reprezentând valoarea tensiunii sau a curentului ca o funcție cu o singură valoare a timpului, este posibil să se modeleze comportamentul semnalului și să-l supună analizei matematice.

Seria Fourier

La începutul secolului al XIX-lea, matematicianul francez Jean-Baptiste Fourier a demonstrat că orice funcție periodică cu perioada T poate fi extinsă într-o serie (posibil infinită) constând din sume de sinusuri și cosinusuri:
(2.1)
unde este frecvența fundamentală (armonică) și sunt amplitudinile sinusurilor și cosinusurilor celei de-a n-a armonice, iar c este o constantă. O astfel de expansiune se numește serie Fourier. Funcția extinsă în seria Fourier poate fi restabilită de elementele acestei serii, adică dacă se cunosc perioada T și amplitudinile armonicilor, atunci funcția inițială poate fi restabilită folosind suma seriei (2.1).
Un semnal de informare care are o durată finită (toate semnalele de informație au o durată finită) poate fi extins într-o serie Fourier dacă ne imaginăm că întregul semnal se repetă la nesfârșit iar și iar (adică intervalul de la T la 2T repetă complet interval de la 0 la T și etc.).
Amplitudinile pot fi calculate pentru orice funcție dată. Pentru a face acest lucru, trebuie să înmulțiți părțile stânga și dreaptă ale ecuației (2.1) cu și apoi să integrați de la 0 la T. Deoarece:
(2.2)
rămâne doar un membru al seriei. Linia dispare complet. În mod similar, înmulțind ecuația (2.1) cu și integrând în timp de la 0 la T, se pot calcula valorile. Dacă integrăm ambele părți ale ecuației fără a o modifica, putem obține valoarea constantei Cu. Rezultatele acestor acțiuni vor fi următoarele:
(2.3.)

Suporturi de stocare gestionate

Scopul stratului fizic al unei rețele este de a transfera fluxul de biți brut de la o mașină la alta. Pentru transmisie pot fi utilizate diverse medii fizice, numite și medii de propagare a semnalului. Fiecare dintre ele are un set caracteristic de lățimi de bandă, întârzieri, prețuri și ușurință de instalare și utilizare. Mediile pot fi împărțite în două grupuri: medii orientabile, cum ar fi firul de cupru și cablul cu fibră optică, și mediile nedirecționate, cum ar fi transmisia radio și laser fără cablu.

Medii magnetice

Una dintre cele mai moduri simple transferați date de la un computer la altul - scrieți-le pe o bandă magnetică sau pe alt suport amovibil (de exemplu, un DVD reinscriptibil), transferați fizic aceste benzi și discuri la destinație și citiți-le acolo.
Debit ridicat. Un cartuş de bandă Ultrium standard are 200 GB. Aproximativ 1000 dintre aceste casete sunt plasate într-o cutie de 60x60x60, ceea ce oferă o capacitate totală de 1600 Tbit (1,6 Pbit). O cutie de casete poate fi expediată în SUA în 24 de ore de către Federal Express sau o altă companie. Lățimea de bandă efectivă pentru această transmisie este de 1600 Tbps/86400 s sau 19 Gbps. Dacă destinația este la doar o oră distanță, atunci debitul va fi de peste 400 Gbps. Nicio rețea de calculatoare nu este încă capabilă să se apropie de astfel de indicatori.
Rentabilitatea. Prețul cu ridicata al casetei este de aproximativ 40 USD. O cutie de panglici va costa 4.000 de dolari, iar aceeași panglică poate fi folosită de zeci de ori. Să adăugăm 1000 USD pentru expediere (de fapt, mult mai puțin) și să obținem aproximativ 5000 USD pentru transferul a 200 TB, sau 3 cenți per gigaoctet.
Defecte. Deși viteza de transfer de date folosind benzi magnetice este excelentă, totuși, cantitatea de întârziere într-un astfel de transfer este foarte mare. Timpul de transfer este măsurat în minute sau ore, nu în milisecunde. Multe aplicații necesită răspuns imediat din partea sistemului de la distanță (în modul conectat).

pereche răsucită

O pereche răsucită constă din două fire de cupru izolate cu un diametru tipic de 1 mm. Firele se răsucesc una în jurul celeilalte sub formă de spirală. Acest lucru vă permite să reduceți interacțiunea electromagnetică a mai multor adiacente pereche răsucită.
Aplicație - linie telefonică, rețea de calculatoare. Poate transmite un semnal fără atenuare a puterii pe o distanță de câțiva kilometri. Sunt necesare repetoare pentru distanțe mai lungi. Acestea sunt combinate într-un cablu, cu un strat protector. O pereche de fire sunt răsucite în cablu pentru a evita suprapunerea semnalului. Ele pot fi folosite pentru a transmite atât date analogice, cât și digitale. Lățimea de bandă depinde de diametrul și lungimea firului, dar în cele mai multe cazuri, câțiva megabiți pe secundă pot fi atinși pe distanțe de câțiva kilometri. Datorită lățimii de bandă destul de ridicate și costurilor reduse, cablurile perechi răsucite sunt utilizate pe scară largă și, cel mai probabil, vor continua să fie populare în viitor.
Cablurile cu perechi răsucite vin în mai multe forme, dintre care două sunt deosebit de importante în domeniul retele de calculatoare. Perechea răsucită de categoria 3 (CAT 3) constă din două fire izolate răsucite împreună. Patru astfel de perechi sunt de obicei plasate împreună într-o carcasă de plastic.
Perechea răsucită de categoria 5 (CAT 5) este similară cu perechea răsucită de categoria 3, dar are mai multe spire pe centimetru de lungime a firului. Acest lucru face posibilă reducerea în continuare a interferențelor dintre diferite canale și asigurarea unei calități îmbunătățite a transmisiei semnalului pe distanțe lungi (Fig. 1).

Orez. 1. UTP categoria 3 (a), UTP categoria 5 (b).
Toate aceste tipuri de conexiuni sunt adesea denumite UTP (unshielded twisted pair - unshielded twisted pair)
Cablurile ecranate cu perechi răsucite de la IBM nu au devenit populare în afara IBM.

Cablu coaxial

Un alt mijloc comun de transmitere a datelor este cablul coaxial. Este mai bine ecranat decât perechea răsucită, astfel încât poate transporta date pe distanțe mai mari la viteze mai mari. Două tipuri de cabluri sunt utilizate pe scară largă. Unul dintre ele, de 50 ohmi, este folosit de obicei pentru transmiterea datelor exclusiv digitale. Un alt tip de cablu, de 75 ohmi, este adesea folosit pentru a transmite informații analogice, precum și în televiziunea prin cablu.
Vederea în secțiune a cablului este prezentată în Figura 2.

Orez. 2. Cablu coaxial.
Designul și tipul special de ecranare a cablului coaxial asigură o lățime de bandă mare și o imunitate excelentă la zgomot. Debitul maxim depinde de calitatea, lungimea și raportul semnal-zgomot al liniei. Cablurile moderne au o lățime de bandă de aproximativ 1 GHz.
Aplicație - sisteme de telefonie (rețea), televiziune prin cablu, rețele regionale.

fibre optice

Tehnologia actuală cu fibră optică poate atinge rate de date de până la 50.000 Gb/s (50 Tb/s), iar mulți oameni caută materiale mai bune. Limita practică de astăzi de 10 Gbps se datorează incapacității de a converti semnalele electrice în semnale optice și invers mai rapid, deși 100 Gbps pe o singură fibră au fost deja atinse în condiții de laborator.
Un sistem de transmisie a datelor din fibră optică constă din trei componente principale: o sursă de lumină, un purtător prin care se propagă semnalul luminos și un receptor de semnal sau detector. Un impuls de lumină este considerat unul, iar absența unui puls este considerată zero. Lumina se propagă într-o fibră de sticlă ultra-subțire. Când lumina îl lovește, detectorul generează un impuls electric. Prin atașarea unei surse de lumină la un capăt al unei fibre optice și a unui detector la celălalt, se obține un sistem de transmisie unidirecțională a datelor.
La transmiterea unui semnal luminos, se utilizează proprietatea de reflexie și refracție a luminii în timpul tranziției de la 2 medii. Astfel, atunci când lumina este furnizată la un anumit unghi față de limita media, fasciculul de lumină este complet reflectat și blocat în fibră (Fig. 3).

Orez. 3. Proprietatea refracției luminii.
Există 2 tipuri de cablu de fibră optică: multimod - transmite un fascicul de lumină, monomod - subțire la limita mai multor lungimi de undă, acționează aproape ca un ghid de undă, lumina se mișcă în linie dreaptă fără reflexie. Legăturile de fibră monomod de astăzi pot funcționa la 50 Gbps pe distanțe de până la 100 km.
În sistemele de comunicație sunt utilizate trei intervale de lungimi de undă: 0,85, 1,30 și, respectiv, 1,55 µm.
Structura cablului de fibră optică este similară cu cea a firului coaxial. Singura diferență este că primul nu are grilă de screening.
În centrul miezului de fibră optică se află un miez de sticlă prin care se propagă lumina. Fibra multimodală are un diametru al miezului de 50 µm, care este aproximativ grosimea unui păr uman. Miezul dintr-o fibră monomod are un diametru de 8 până la 10 µm. Miezul este acoperit cu un strat de sticlă cu un indice de refracție mai mic decât cel al miezului. Este proiectat pentru a preveni mai fiabil lumina să iasă din miez. Stratul exterior este o carcasă de plastic care protejează geamul. Miezurile de fibră optică sunt de obicei grupate în mănunchiuri protejate de o manta exterioară. Figura 4 prezintă un cablu cu trei fire.

Orez. 4. Cablu de fibră optică cu trei fire.
În cazul unei întreruperi, conectarea segmentelor de cablu poate fi efectuată în trei moduri:

La capătul cablului poate fi atașat un conector special, cu ajutorul căruia cablul este introdus într-o priză optică. Pierderea este de 10-20% din intensitatea luminii, dar ușurează schimbarea configurației sistemului.

Îmbinare - două capete tăiate frumos ale cablului sunt așezate unul lângă celălalt și prinse cu un manșon special. Transmisia îmbunătățită a luminii se realizează prin alinierea capetelor cablului. Pierdere - 10% din puterea luminii.

Fuziune. Practic nu există nicio pierdere.

Două tipuri de surse de lumină pot fi utilizate pentru a transmite un semnal printr-un cablu de fibră optică: diode emițătoare de lumină (LED, Diode emițătoare de lumină) și lasere cu semiconductor. Caracteristicile lor comparative sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1.
Tabel de comparație a utilizării LED-urilor și laserului semiconductor
Capătul de recepție al unui cablu optic este o fotodiodă care generează un impuls electric atunci când lumina cade pe el.

Caracteristici comparative ale cablului de fibră optică și firului de cupru.

Fibra optică are mai multe avantaje:

De mare viteză.

Mai puțină atenuare a semnalului, mai puține ieșiri de repetoare (unul la 50 km, nu 5)

Inert la exterior radiatie electromagnetica, neutru din punct de vedere chimic.

Mai ușor în greutate. 1000 de perechi răsucite de cupru de 1 km lungime cântăresc aproximativ 8000 kg. O pereche de cabluri de fibră optică cântărește doar 100 kg cu o lățime de bandă mai mare

Costuri reduse de pozare

Defecte:

Dificultate și competență în instalare.

transmisie în modul simplex, este necesar un minim de 2 fire între rețele.

Conexiune fără fir

spectru electromagnetic

Mișcarea electronilor generează unde electromagnetice care se pot propaga în spațiu (chiar și în vid). Numărul de oscilații ale oscilațiilor electromagnetice pe secundă se numește frecvență și se măsoară în herți. Distanța dintre două maxime (sau minime) succesive se numește lungime de undă. Această valoare este indicată în mod tradițional de litera greacă (lambda).
Dacă în circuit electric porniți o antenă de dimensiune adecvată, apoi undele electromagnetice pot fi recepționate cu succes de receptor la o anumită distanță. Toate sistemele de comunicații fără fir se bazează pe acest principiu.
În vid, toate undele electromagnetice se deplasează cu aceeași viteză, indiferent de frecvența lor. Această viteză se numește viteza luminii, - 3*108 m/s. În cupru sau sticlă, viteza luminii este de aproximativ 2/3 din această valoare și depinde, de asemenea, puțin de frecvență.
Relația cantităților și:

Dacă frecvența () este măsurată în MHz, iar lungimea de undă () în metri atunci.
Totalitatea tuturor undelor electromagnetice formează așa-numitul spectru continuu al radiațiilor electromagnetice (Fig. 5). Radio, microunde, infraroșu și lumina vizibilă pot fi folosite pentru a transmite informații folosind modularea în amplitudine, frecvență sau fază a undelor. Radiațiile ultraviolete, razele X și gama ar fi și mai bune datorită frecvențelor lor înalte, dar sunt greu de generat și modulat, nu trec bine prin clădiri și, în plus, sunt periculoase pentru toate viețuitoarele. Denumirea oficială a intervalelor este dată în tabelul 6.

Orez. 5. Spectrul electromagnetic și aplicarea lui în comunicații.
Masa 2.
Denumirile oficiale ale benzilor ITU
Cantitatea de informații pe care o poate transporta o undă electromagnetică este legată de intervalul de frecvență al canalului. Tehnologiile moderne fac posibilă codificarea mai multor biți pe hertz per frecvente joase. În anumite condiții, acest număr poate crește de opt ori frecvente inalte.
Cunoscând lățimea intervalului de lungimi de undă, este posibil să se calculeze intervalul de frecvență și rata de date corespunzătoare.

Exemplu: pentru o gamă de cablu de fibră optică de 1,3 microni, atunci. Apoi, la 8 bps, se dovedește că puteți obține o rată de transfer de 240 Tbps.

Comunicare radio

Undele radio sunt ușor de generat, parcurg distanțe lungi, trec prin pereți, ocolesc clădiri, se propagă în toate direcțiile. Proprietățile undelor radio depind de frecvență (Fig. 6). Când funcționează la frecvențe joase, undele radio trec bine prin obstacole, dar puterea semnalului în aer scade brusc pe măsură ce te îndepărtezi de transmițător. Raportul dintre putere și distanța de la sursă se exprimă aproximativ astfel: 1/r2. La frecvențe înalte, undele radio tind, în general, să se deplaseze numai în linie dreaptă și să sară de obstacole. În plus, ele sunt absorbite, de exemplu, de ploaie. Semnalele radio de orice frecvență sunt supuse interferențelor de la motoarele cu perii cu scânteie și alte echipamente electrice.

Orez. 6. Undele benzilor VLF, LF, MF înconjoară rugozitatea suprafeței pământului (a), undele benzilor HF și VHF sunt reflectate din ionosferă și absorbite de pământ (b).

Comunicare în intervalul de microunde

La frecvențe de peste 100 MHz, undele radio se propagă aproape în linie dreaptă, astfel încât să poată fi focalizate în fascicule înguste. Concentrarea energiei sub formă de fascicul îngust folosind o antenă parabolică (precum binecunoscuta antenă de televiziune prin satelit) duce la o îmbunătățire a raportului semnal-zgomot, dar pentru o astfel de conexiune, antenele de transmisie și recepție trebuie să fie îndreptate destul de precis unul către celălalt.
Spre deosebire de undele radio cu frecvențe mai mici, microundele nu trec bine prin clădiri. Radioul cu microunde a devenit atât de utilizat în telefonia pe distanțe lungi, telefoane mobile, emisiuni de televiziune și alte domenii încât a existat o lipsă gravă de spectru.
Această conexiune are o serie de avantaje față de fibra optică. Principalul este că nu este nevoie să așezați un cablu și, în consecință, nu este nevoie să plătiți pentru închirierea terenului de-a lungul căii de semnal. Este suficient să cumpărați mici terenuri la fiecare 50 de km și să instalați turnuri de releu pe ele.

Unde infraroșii și milimetrice

Radiația infraroșie și milimetrică fără utilizarea unui cablu este utilizată pe scară largă pentru comunicare Nu distante lungi(exemplu telecomenzi). Sunt relativ direcționale, ieftine și ușor de instalat, dar nu vor trece prin obiecte solide.
Comunicarea în intervalul infraroșu este utilizată în sistemele de calcul desktop (de exemplu, pentru a conecta laptopuri cu imprimante), dar încă nu joacă un rol semnificativ în telecomunicații.

Sateliți de comunicații

Se folosesc tipuri E de sateliți: geostaționari (GEO), altitudine medie (MEO) și orbita joasă (LEO) (Fig. 7).

Orez. 7. Sateliți de comunicații și proprietățile acestora: înălțimea orbitei, întârzierea, numărul de sateliți necesari pentru a acoperi întreaga suprafață a globului.

Rețea telefonică publică comutată

Structura sistemului telefonic

Structura unei rute tipice de comunicație telefonică pe distanțe medii este prezentată în Figura 8.

Orez. 8. Rută de comunicație tipică cu o distanță medie între abonați.

Linii locale: modemuri, ADSL, wireless

Deoarece computerul funcționează cu un semnal digital, iar linia telefonică locală este transmisia unui semnal analog, un dispozitiv modem este utilizat pentru a converti digital în analog și invers, iar procesul în sine se numește modulare / demodulare (Fig. 9). .

Orez. 9. Utilizarea unei linii telefonice la transmiterea unui semnal digital.
Există 3 metode de modulare (Fig. 10):

modularea amplitudinii - sunt utilizate 2 amplitudini de semnal diferite (pentru 0 și 1),

frecvență - sunt utilizate mai multe frecvențe de semnal diferite (pentru 0 și 1),

fază - schimbările de fază sunt utilizate în timpul tranziției între unitățile logice (0 și 1). Unghiuri de forfecare - 45, 135, 225, 180.

În practică, sunt utilizate sisteme de modulație combinată.

Orez. 10. Semnal binar (a); modulația de amplitudine (b); modulația de frecvență (c); modularea fazei.
Toate modemurile moderne vă permit să transferați date în ambele direcții, acest mod de operare se numește duplex. O conexiune cu capacitate de transmisie în serie se numește half-duplex. O conexiune în care transmisia are loc într-o singură direcție se numește simplex.
Viteza maximă a modemului care poate fi atinsă în acest moment este de 56 Kb/s. V.90 standard.

Linii digitale de abonat. Tehnologia xDSL.

După ce viteza prin modemuri a atins limita, companiile de telefonie au început să caute o cale de ieșire din această situație. Astfel, multe propuneri au apărut sub denumirea generală xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - linie digitală de abonat, unde în loc de X pot exista si alte litere. Cea mai cunoscută tehnologie din aceste propuneri este ADSL (Asymmetric DSL).
Motivul pentru limita de viteză a modemurilor a fost că au folosit intervalul de transmisie al vorbirii umane pentru transmisia de date - 300 Hz până la 3400 Hz. Împreună cu frecvențele de limită, lățimea de bandă nu era de 3100 Hz, ci de 4000 Hz.
Deși spectrul liniei telefonice locale este de 1,1 Hz.
Prima propunere de tehnologie ADSL a folosit întregul spectru al liniei telefonice locale, care este împărțită în 3 benzi:

POTS - raza de acțiune a rețelei telefonice convenționale;

interval de ieșire;

domeniul de intrare.

O tehnologie care utilizează frecvențe diferite în scopuri diferite se numește multiplexare de frecvență sau multiplexare de frecvență.
O metodă alternativă numită modulare multiton discretă, DMT (Discrete MultiTone) constă în împărțirea întregului spectru al unei linii locale cu o lățime de 1,1 MHz în 256 de canale independente de 4312,5 Hz fiecare. Canalul 0 este POTS. Canalele de la 1 la 5 nu sunt utilizate, astfel încât semnalul vocal să nu interfereze cu semnalul informațional. Dintre celelalte 250 de canale, unul este ocupat cu controlul transmisiei către furnizor, unul - către utilizator, iar toate celelalte sunt disponibile pentru transmiterea datelor utilizatorului (Fig. 11).

Orez. 11. Funcționare ADSL folosind modulație multiton discretă.
Standardul ADSL vă permite să primiți până la 8 Mb/s și să trimiteți până la 1 Mb/s. ADSL2+ - ieșire până la 24 Mb/s, intrare până la 1,4 Mb/s.
O configurație tipică de echipament ADSL conține:

DSLAM - Multiplexor de acces DSL;

NID este un dispozitiv de interfață de rețea care separă proprietatea companiei de telefonie și a abonatului.

Un splitter (splitter) este un splitter de frecvență care separă banda POTS și datele ADSL.

Orez. 12. Configurația tipică a echipamentelor ADSL.

Linii și sigilii

Economisirea resurselor joacă un rol important în sistemul telefonic. Costul așezării și întreținerii unei coloane vertebrale de mare capacitate și a unei linii de calitate scăzută este aproape același (adică partea leului din acest cost este cheltuită pentru săparea șanțurilor și nu pe cablul de cupru sau fibră optică în sine).
Din acest motiv, companiile de telefonie au colaborat pentru a dezvolta mai multe scheme de transmitere a mai multor conversații pe un singur cablu fizic. Schemele de multiplexare (compresie) pot fi împărțite în două categorii principale FDM (Frequency Division Multiplexing - multiplexarea pe diviziune în frecvență) și TDM (Time Division Multiplexing - time division multiplexing) (Fig. 13).
Cu multiplexarea de frecvență, spectrul de frecvență este împărțit între canale logice și fiecare utilizator primește proprietatea exclusivă a sub-benzii sale. În multiplexarea pe diviziune în timp, utilizatorii folosesc pe rând (ciclic) același canal și fiecăruia i se oferă întreaga capacitate a canalului pentru o perioadă scurtă de timp.
Canalele de fibră optică utilizează o variantă specială de multiplexare a frecvenței. Se numește multiplexare prin diviziune spectrală (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Orez. 13. Un exemplu de multiplexare în frecvență: spectre originale ale semnalelor 1 (a), spectre cu deplasare în frecvență (b), canal multiplexat (c).

Comutare

Din punctul de vedere al inginerului de telefonie medie, un sistem telefonic este format din două părți: echipament extern (local linii telefoniceși trunchiuri, în afara comutatoarelor) și echipamente interne (întrerupătoare) situate la centrala telefonică.
Orice rețele de comunicații acceptă o modalitate de comutare (comunicare) a abonaților lor între ei. Este practic imposibil să ofere fiecărei perechi de abonați care interacționează propria linie de comunicație fizică necomutată, pe care să o monopolizeze „proprie” pentru o lungă perioadă de timp. Prin urmare, în orice rețea, se utilizează întotdeauna o anumită metodă de comutare a abonaților, care asigură disponibilitatea canalelor fizice disponibile simultan pentru mai multe sesiuni de comunicare între abonații rețelei.
În sistemele telefonice sunt utilizate două tehnici diferite: comutarea de circuite și comutarea de pachete.

Comutare circuit

Comutarea circuitelor implică formarea unui canal fizic compozit continuu din secțiuni de canal individuale conectate în serie pentru transmiterea directă a datelor între noduri. Într-o rețea cu comutare de circuite, înainte de transmiterea datelor, este întotdeauna necesar să se efectueze o procedură de stabilire a conexiunii, în timpul căreia se creează un canal compus (Fig. 14).

Comutare de pachete

În comutarea de pachete, toate mesajele transmise de utilizatorul rețelei sunt împărțite la nodul sursă în părți relativ mici, numite pachete. Fiecare pachet este prevăzut cu un antet care specifică informațiile de adresă necesare pentru a livra pachetul către gazda destinație, precum și numărul pachetului care va fi folosit de gazda destinație pentru a asambla mesajul. Pachetele sunt transportate în rețea ca unități informaționale independente. Switch-urile de rețea primesc pachete de la nodurile terminale și, pe baza informațiilor despre adresă, le transmit unul altuia și, în cele din urmă, la nodul destinație (Fig. 14).
etc.................

7. STRAT FIZIC

7.2. Metode discrete de transmitere a datelor

La transmiterea datelor discrete pe canalele de comunicație, sunt utilizate două tipuri principale de codare fizică - bazată pe un semnal purtător sinusoidal și pe o secvență de impulsuri dreptunghiulare. Prima metodă este adesea numită și modulare sau modulație analogică , subliniind faptul că codificarea se realizează prin modificarea parametrilor semnalului analogic. A doua cale este numită codificare digitală . Aceste metode diferă prin lățimea spectrului semnalului rezultat și complexitatea echipamentului necesar pentru implementarea lor.

Când se utilizează impulsuri dreptunghiulare, spectrul semnalului rezultat este foarte larg. Utilizarea unei sinusoide are ca rezultat un spectru mai îngust la aceeași rată de informare. Cu toate acestea, implementarea modulării necesită echipamente mai complexe și mai costisitoare decât implementarea impulsurilor dreptunghiulare.

În prezent, din ce în ce mai des date care au inițial o formă analogică - vorbire, imagine TV, - sunt transmise prin canalele de comunicare în formă discretă, adică ca o secvență de unu și zero. Procesul de reprezentare a informațiilor analogice în formă discretă se numește modulație discretă .

Modulația analogică este utilizată pentru a transmite date discrete pe canale cu o bandă de frecvență îngustă - canal de frecvență vocală (rețele publice de telefonie). Acest canal transmite frecvențe în intervalul de la 300 la 3400 Hz, deci lățimea de bandă este de 3100 Hz.

Un dispozitiv care îndeplinește funcțiile de modulare a unui sinusoid purtător pe partea de transmisie și demodularea pe partea de recepție se numește modem (modulator-demodulator).

Modulația analogică este o metodă de codare fizică în care informația este codificată prin modificarea amplitudinii, frecvenței sau fazei unui semnal de frecvență purtătoare sinusoidală (Fig. 27).

La modulație de amplitudine (Fig. 27, b) pentru o unitate logică, se selectează un nivel al amplitudinii sinusoidei frecvenței purtătoare, iar pentru un zero logic, altul. Această metodă este rareori folosită în forma sa pură în practică, datorită imunității scăzute la zgomot, dar este adesea folosită în combinație cu un alt tip de modulație - modulația de fază.

La modulația de frecvență (Fig. 27, c) valorile 0 și 1 ale datelor inițiale sunt transmise de sinusoide cu frecvențe diferite - f 0 și f 1,. Această metodă de modulație nu necesită circuite complexe în modemuri și este de obicei utilizată în modemurile cu viteză redusă care funcționează la 300 sau 1200 bps.

La modularea fazei (Fig. 27, d) valorile datelor 0 și 1 corespund semnalelor de aceeași frecvență, dar cu o fază diferită, de exemplu, 0 și 180 de grade sau 0, 90, 180 și 270 de grade.

În modemurile de mare viteză, metodele de modulație combinată sunt adesea folosite, de regulă, amplitudinea în combinație cu faza.

Orez. 27. Tipuri variate modulare

Spectrul semnalului modulat rezultat depinde de tipul și rata de modulație.

Pentru codificarea potențială, spectrul este obținut direct din formulele Fourier pentru funcția periodică. Dacă datele discrete sunt transmise la o rată de biți N biți/s, atunci spectrul constă dintr-o componentă constantă de frecvență zero și o serie infinită de armonici cu frecvențele f 0 , 3f 0 , 5f 0 , 7f 0 , ... , unde f 0 = N/2. Amplitudinile acestor armonice scad destul de lent - cu coeficienți 1/3, 1/5, 1/7, ... ai amplitudinii armonice f 0 (Fig. 28, a). Ca rezultat, spectrul de cod potențial necesită o lățime de bandă largă pentru o transmisie de înaltă calitate. În plus, trebuie luat în considerare faptul că, în realitate, spectrul semnalului este în continuă schimbare în funcție de natura datelor. Prin urmare, spectrul semnalului de cod potențial rezultat în timpul transmiterii de date arbitrare ocupă o bandă de la o valoare apropiată de 0 Hz până la aproximativ 7f 0 (armonicele cu frecvențe peste 7f 0 pot fi neglijate datorită contribuției mici a acestora la semnalul rezultat) . Pentru un canal cu frecvență vocală, limita superioară pentru codificare potențială este atinsă la o rată a datelor de 971 bps. Ca urmare, codurile potențiale de pe canalele de frecvență vocală nu sunt niciodată utilizate.

Cu modulația de amplitudine, spectrul constă dintr-o sinusoidă a frecvenței purtătoare f cși două armonice laterale: (f c + f m) și ( f c- f m), unde f m - frecvența de modificare a parametrului informațional al sinusoidei, care coincide cu rata de transfer de date la utilizarea a două niveluri de amplitudine (Fig. 28, b). Frecvența f m determină lățimea de bandă a liniei pentru o anumită metodă de codare. La o frecvență de modulație scăzută, lățimea spectrului de semnal va fi, de asemenea, mică (egal cu 2f m ), astfel încât semnalele nu vor fi distorsionate de linie dacă lățimea de bandă este mai mare sau egală cu 2f m . Pentru un canal de frecvență vocală, această metodă de modulare este acceptabilă la o rată de date de cel mult 3100/2=1550 bps. Dacă sunt folosite 4 niveluri de amplitudine pentru a reprezenta datele, atunci capacitatea canalului crește la 3100 bps.

Orez. 28. Spectre de semnale în timpul codificării potențiale

și modulația de amplitudine

Cu modulația de fază și frecvență, spectrul semnalului este mai complex decât cu modulația de amplitudine, deoarece aici se formează mai mult de două armonice laterale, dar sunt și situate simetric față de frecvența purtătoare principală, iar amplitudinile lor scad rapid. Prin urmare, aceste modulații sunt, de asemenea, potrivite pentru transmisia de date pe un canal de frecvență vocală.

La codificarea digitală a informațiilor discrete, se folosesc coduri de potențial și de impuls. În codurile de potențial, doar valoarea potențialului semnal este utilizată pentru a reprezenta cele logice și zerouri, iar scăderile sale nu sunt luate în considerare. Codurile de impulsuri permit ca datele binare să fie reprezentate fie prin impulsuri cu o anumită polaritate, fie printr-o parte a pulsului - printr-o scădere potențială a unei anumite direcții.

Când folosiți impulsuri dreptunghiulare pentru a transmite informații discrete, este necesar să alegeți o metodă de codare care să atingă simultan mai multe obiective:

· avea la aceeași rată de biți cea mai mică lățime a spectrului semnalului rezultat;

· asigurat sincronizarea între emițător și receptor;

· avea capacitatea de a recunoaște greșelile;

· a avut un cost redus de implementare.

Un spectru mai restrâns de semnale vă permite să obțineți o rată de transfer de date mai mare pe aceeași linie. Adesea, spectrul semnalului necesită absența unei componente constante.

Sincronizarea emițătorului și receptorului este necesară, astfel încât receptorul să știe exact în ce moment este necesar să citească informații noi de pe linia de comunicație. Această problemă este mai dificil de rezolvat în rețele decât în schimbul de date între dispozitive strâns distanțate, de exemplu, între unități dintr-un computer sau între un computer și o imprimantă. Prin urmare, în rețele sunt folosite așa-numitele coduri de auto-sincronizare, ale căror semnale poartă instrucțiuni pentru transmițător despre momentul în care este necesar să recunoască următorul bit (sau mai mulți biți). Orice muchie ascuțită a semnalului - așa-numita față - poate fi un bun indiciu pentru sincronizarea receptorului cu transmițătorul.

Când se utilizează sinusoide ca semnal purtător, codul rezultat are proprietatea de auto-sincronizare, deoarece o modificare a amplitudinii frecvenței purtătoare permite receptorului să determine momentul în care apare codul de intrare.

Cerințele pentru metodele de codificare sunt reciproc contradictorii, astfel încât fiecare dintre metodele de codare digitală populare discutate mai jos are propriile avantaje și dezavantaje în comparație cu altele.

Pe fig. 29a prezintă o metodă de codificare potențială, numită și codificare nicio întoarcere la zero (Non Întoarce-te la Zero, NRZ) . Numele de familie reflectă faptul că atunci când se transmite o secvență de unii, semnalul nu revine la zero în timpul ciclului. Metoda NRZ este ușor de implementat, are o recunoaștere bună a erorilor (datorită a două potențiale puternic diferite), dar nu are proprietatea de auto-sincronizare. Când transmiteți o secvență lungă de unu sau zero, semnalul pe linie nu se schimbă, astfel încât receptorul nu poate determina din semnalul de intrare momentele în timp în care datele ar trebui citite. Chiar și cu un generator de ceas foarte precis, receptorul poate face o greșeală în momentul achiziției datelor, deoarece frecvențele celor două generatoare nu sunt niciodată complet identice. Prin urmare, când viteze mari schimbul de date și secvențele lungi de unu sau zero, o mică nepotrivire a frecvențelor de ceas poate duce la o eroare într-un întreg ciclu de ceas și, în consecință, citirea unei valori incorecte a bitului.

Un alt dezavantaj serios al metodei NRZ este prezența unei componente de frecvență joasă care se apropie de zero atunci când transmit secvențe lungi de unu sau zero. Din această cauză, multe canale de comunicație care nu asigură o conexiune galvanică directă între receptor și sursă nu acceptă acest tip de codificare. Drept urmare, în forma sa pură, codul NRZ nu este utilizat în rețele. Cu toate acestea, sunt utilizate diversele sale modificări, în care sunt eliminate atât autosincronizarea slabă a codului NRZ, cât și prezența unei componente constante. Atractivitatea codului NRZ, din cauza căruia are sens să-l îmbunătățim, constă în frecvența destul de scăzută a armonicii fundamentale f 0, care este egală cu N/2 Hz. Alte metode de codare, cum ar fi Manchester, au o frecvență fundamentală mai mare.

Orez. 29. Modalități de codificare a datelor discrete

Una dintre modificările metodei NRZ este metoda codificare bipolară cu inversare alternativă (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). Această metodă (Fig. 29, b) utilizează trei niveluri potențiale - negativ, zero și pozitiv. Pentru a codifica un zero logic, se folosește un potențial zero, iar o unitate logică este codificată fie de un potențial pozitiv, fie de unul negativ, în timp ce potențialul fiecărei unități noi este opus potențialului precedent.

Codul AMI elimină parțial DC și lipsa problemelor de sincronizare automată inerente codului NRZ. Acest lucru se întâmplă la trimiterea unor secvențe lungi. În aceste cazuri, semnalul de pe linie este o secvență de impulsuri bipolare cu același spectru ca și codul NRZ care transmit alternativ zero și unu, adică fără componentă constantă și cu o armonică fundamentală de N/2 Hz (unde N este rata de biți a datelor). Secvențele lungi de zerouri sunt, de asemenea, periculoase pentru codul AMI, precum și pentru codul NRZ - semnalul degenerează într-un potențial constant de amplitudine zero. Prin urmare, codul AMI necesită îmbunătățiri suplimentare.

În general, pentru diferite combinații de biți de pe linie, utilizarea codului AMI duce la un spectru de semnal mai îngust decât pentru codul NRZ și, prin urmare, la un randament de linie mai mare. De exemplu, la transmiterea unora și zerouri alternative, armonica fundamentală f 0 are o frecvență de N/4 Hz. Codul AMI oferă și câteva caracteristici pentru recunoașterea semnalelor eronate. Astfel, o încălcare a alternanței stricte a polarității semnalelor indică un impuls fals sau dispariția unui impuls corect din linie. Un astfel de semnal este numit semnal interzis (semnal încălcare).

Codul AMI folosește nu două, ci trei niveluri de semnal pe linie. Stratul suplimentar necesită o creștere a puterii transmițătorului de aproximativ 3 dB pentru a oferi aceeași fidelitate a biților pe linie, ceea ce este dezavantaj comun coduri cu stări multiple de semnal în comparație cu codurile care disting doar între două stări.

Există un cod similar cu AMI, dar cu doar două niveluri de semnal. Când se transmite zero, transmite potențialul care a fost setat în ciclul anterior (adică nu îl schimbă), iar când este transmis unul, potențialul este inversat. Acest cod este numit cod potențial cu inversare la unitate (Nu întoarcere la Zero cu cele inversat , NRZI ) . Acest cod este util în cazurile în care utilizarea unui al treilea nivel de semnal este extrem de nedorită, de exemplu, în cablurile optice, în care două stări de semnal sunt recunoscute în mod fiabil - lumină și umbră.

Pe lângă codurile potențiale, rețelele folosesc și coduri de impuls, atunci când datele sunt reprezentate de un impuls complet sau o parte a acestuia - un front. Cel mai simplu caz al acestei abordări este codul pulsului bipolar , în care unitatea este reprezentată printr-un impuls de o polaritate, iar zero este cealaltă (Fig. 29, c). Fiecare puls durează o jumătate de ciclu. Acest cod are excelent autosincronizante proprietăți, dar o componentă constantă poate fi prezentă, de exemplu, atunci când se transmite o secvență lungă de unu sau zero. În plus, spectrul său este mai larg decât cel al codurilor potențiale. Deci, la transmiterea tuturor zerourilor sau unuurilor, frecvența armonicii fundamentale a codului va fi egală cu N Hz, care este de două ori mai mare decât armonica fundamentală a codului NRZ și de patru ori mai mare decât armonica fundamentală a codului AMI la transmiterea alternante a unor şi zerouri. Din cauza spectrului prea larg, codul pulsului bipolar este rar folosit.

ÎN rețele locale Până de curând, cea mai comună metodă de codare era așa-numita Codul Manchester (Fig. 29, d). Este folosit în tehnologiile Ethernet și Token Ring.

În codul Manchester, o scădere de potențial, adică partea din față a pulsului, este folosită pentru a codifica unii și zerourile. În codificarea Manchester, fiecare ceas este împărțit în două părți. Informațiile sunt codificate de potențiale scăderi care apar la mijlocul fiecărui ciclu. Unitatea este codificată printr-o diferență de nivel scăzut semnal la mare și zero - margine inversă. La începutul fiecărui ciclu, poate apărea o margine de semnal de serviciu dacă trebuie să reprezentați mai multe uni sau zerouri la rând. Deoarece semnalul se schimbă cel puțin o dată pe ciclu de transmisie a unui bit de date, codul Manchester este bun autosincronizante proprietăți. Lățimea de bandă a codului Manchester este mai îngustă decât cea a pulsului bipolar. De asemenea, nu are o componentă constantă, iar armonica fundamentală în cel mai rău caz (când se transmite o secvență de uni sau zerouri) are o frecvență de N Hz, iar în cel mai bun caz (când se transmite alternant uni și zerouri) este egală. la N / 2 Hz, ca în codurile AMI sau NRZ. În medie, lățimea de bandă a codului Manchester este de o ori și jumătate mai îngustă decât cea a codului de impuls bipolar, iar armonica fundamentală oscilează în jurul valorii de 3N/4. Codul Manchester are un alt avantaj față de codul pulsului bipolar. Acesta din urmă utilizează trei niveluri de semnal pentru transmiterea datelor, în timp ce Manchester utilizează două.

Pe fig. 29, e arată un cod potențial cu patru nivele de semnal pentru codificarea datelor. Acesta este un cod 2B1Q, al cărui nume reflectă esența sa - fiecare doi biți (2B) sunt transmisi într-un ciclu de un semnal care are patru stări (1Q). Bit 00 este -2,5 V, bit 01 este -0,833 V, bit 11 este +0,833 V, iar bitul 10 este +2,5 V. secvențe de perechi identice de biți, deoarece în acest caz semnalul este convertit într-o componentă constantă. Cu intercalarea aleatoare a biților, spectrul semnalului este de două ori mai îngust decât cel al codului NRZ, deoarece la aceeași rată de biți durata ceasului este dublată. Astfel, folosind codul 2B1Q, puteți transfera date pe aceeași linie de două ori mai repede decât folosind codul AMI sau NRZI. Cu toate acestea, pentru implementarea sa, puterea emițătorului trebuie să fie mai mare, astfel încât cele patru niveluri să fie clar distinse de receptor pe fundalul interferenței.

La transmiterea datelor discrete pe canalele de comunicație, sunt utilizate două tipuri principale de codare fizică -bazat semnal purtător sinusoidal și bazat pe o succesiune de impulsuri dreptunghiulare. Prima metodă este adesea numită și modulare sau modulație analogică, subliniind faptul că codarea se realizează prin modificarea parametrilor semnalului analogic. A doua cale este de obicei numită codificare digitală. Aceste metode diferă prin lățimea spectrului semnalului rezultat și complexitatea echipamentului necesar pentru implementarea lor.

Când se utilizează impulsuri dreptunghiulare, spectrul semnalului rezultat este foarte larg. Acest lucru nu este surprinzător dacă ne amintim că spectrul unui impuls ideal are o lățime infinită. Utilizarea unei sinusoide are ca rezultat un spectru mult mai mic la aceeași rată de informare. Cu toate acestea, implementarea modulației sinusoidale necesită echipamente mai complexe și mai costisitoare decât implementarea impulsurilor dreptunghiulare.

În prezent, din ce în ce mai des, datele care au inițial o formă analogică - vorbire, o imagine de televiziune - sunt transmise pe canalele de comunicare într-o formă discretă, adică sub forma unei secvențe de unu și zero. Procesul de reprezentare a informațiilor analogice în formă discretă se numește modulație discretă. Termenii „modulare” și „codare” sunt adesea folosiți interschimbabil.

La codificare digitală sunt utilizate informații discrete, coduri de potențial și de impuls. În codurile de potențial, doar valoarea potențialului de semnal este folosită pentru a reprezenta cele și zerouri logice, iar picăturile sale, care formează impulsuri complete, nu sunt luate în considerare. Codurile de impulsuri permit ca datele binare să fie reprezentate fie prin impulsuri cu o anumită polaritate, fie printr-o parte a pulsului - o scădere potențială a unei anumite direcții.

Atunci când se utilizează impulsuri dreptunghiulare pentru a transmite informații discrete, este necesar să se aleagă o metodă de codare care să atingă simultan mai multe obiective: la aceeași rată de biți, să aibă cea mai mică lățime a spectrului semnalului rezultat; asigurat sincronizarea între emițător și receptor;

A avut capacitatea de a recunoaște greșelile; a avut un cost redus de implementare.

Rețelele folosesc așa-numitele coduri de auto-sincronizare, ale căror semnale poartă indicații pentru transmițător în ce moment în timp este necesar să recunoască următorul bit (sau mai mulți biți, dacă codul este orientat către mai mult de două stări de semnal). Orice muchie ascuțită din semnal - așa-numita muchie - poate servi ca un bun indiciu pentru sincronizarea receptorului cu emițătorul. Recunoașterea și corectarea datelor distorsionate este dificil de implementat prin intermediul stratului fizic, prin urmare, cel mai adesea această muncă este întreprinsă de protocoalele care se află mai sus: canal, rețea, transport sau aplicație. Pe de altă parte, detectarea erorilor nivel fizic economisește timp, deoarece receptorul nu așteaptă ca cadrul să fie complet plasat în buffer, ci îl respinge imediat după plasare. cunoașterea erorilor de biți dintr-un cadru.

Cod potențial care nu se întoarce la zero, o metodă de codificare potențială, numită și codificare fără a reveni la zero (Non întoarcere la Zero, NRZ). Numele de familie reflectă faptul că la transmiterea unei secvențe de unii, semnalul nu revine la zero în timpul ciclului (cum vom vedea mai jos, în alte metode de codare, în acest caz are loc o revenire la zero). Metoda NRZ este ușor de implementat, are o recunoaștere bună a erorilor (datorită a două potențiale puternic diferite), dar nu are proprietatea de auto-sincronizare. La transmiterea unei secvențe lungi de unu sau zero, semnalul pe linie nu se modifică, astfel încât receptorul nu poate determina din semnalul de intrare momentele în care este necesar să citească din nou datele. Chiar și cu un generator de ceas foarte precis, receptorul poate face o greșeală în momentul achiziției datelor, deoarece frecvențele celor două generatoare nu sunt niciodată complet identice. Prin urmare, la rate mari de date și secvențe lungi de unu sau zero, o mică nepotrivire a frecvențelor de ceas poate duce la o eroare într-un întreg ciclu și, în consecință, la citirea unei valori de bit incorecte.

Metoda de codare bipolară cu inversare alternativă. Una dintre modificările metodei NRZ este metoda codificare bipolară cu inversare alternativă (Bipolar Alterna marcă inversiune, AMI). Această metodă utilizează trei niveluri de potențial - negativ, zero și pozitiv. Pentru a codifica un zero logic, se folosește un potențial zero, iar o unitate logică este codificată fie de un potențial pozitiv, fie de unul negativ, în timp ce potențialul fiecărei unități noi este opus potențialului precedent. Astfel, o încălcare a alternanței stricte a polarității semnalelor indică un impuls fals sau dispariția unui impuls corect din linie. Se numește un semnal cu polaritate incorectă semnal interzis (semnal încălcare). În codul AMI, nu sunt utilizate două, ci trei niveluri de semnal pe linie. Stratul suplimentar necesită o creștere a puterii emițătorului de aproximativ 3 dB pentru a oferi aceeași fidelitate a biților pe linie, ceea ce este un dezavantaj general al codurilor cu stări multiple de semnal în comparație cu codurile care disting doar două stări.

Cod potențial cu inversare la unitate. Există un cod similar cu AMI, dar cu doar două niveluri de semnal. Când se transmite zero, transmite potențialul care a fost setat în ciclul anterior (adică nu îl schimbă), iar când este transmis unul, potențialul este inversat. Acest cod este numit cod potențial cu inversare la unitate (Non întoarcere la Zero cu cele inversat, NRZI). Acest cod este util în cazurile în care utilizarea unui al treilea nivel de semnal este extrem de nedorită, de exemplu, în cablurile optice, în care două stări de semnal sunt recunoscute în mod fiabil - lumină și întuneric.

Cod puls bipolar Pe lângă codurile potențiale, rețelele folosesc și coduri de impuls atunci când datele sunt reprezentate de un impuls complet sau o parte a acestuia - un front. Cel mai simplu caz al acestei abordări este codul pulsului bipolar,în care unitatea este reprezentată printr-un impuls de o polaritate, iar zero este cealaltă . Fiecare puls durează o jumătate de ciclu. Un astfel de cod are proprietăți excelente de auto-tac, dar o componentă DC poate fi prezentă, de exemplu, la transmiterea unei secvențe lungi de unu sau zero. În plus, spectrul său este mai larg decât cel al codurilor potențiale. Deci, la transmiterea tuturor zerourilor sau unuurilor, frecvența armonicii fundamentale a codului va fi egală cu NHz, care este de două ori mai mare decât armonica fundamentală a codului NRZ și de patru ori mai mare decât armonica fundamentală a codului AMI atunci când transmiterea alternante a unor si zerouri. Din cauza spectrului prea larg, codul pulsului bipolar este rar folosit.

Codul Manchester.În rețelele locale, până de curând, cea mai comună metodă de codare era așa-numita Codul Manchester. Este folosit în tehnologiile Ethernet și TokenRing. În codul Manchester, o scădere de potențial, adică partea din față a pulsului, este folosită pentru a codifica unii și zerourile. În codificarea Manchester, fiecare ceas este împărțit în două părți. Informațiile sunt codificate de potențiale scăderi care apar la mijlocul fiecărui ciclu. O unitate este codificată printr-un nivel de semnal scăzut spre ridicat, iar un zero este codificat printr-o margine inversă. La începutul fiecărui ciclu, poate apărea o margine de semnal de serviciu dacă trebuie să reprezentați mai multe uni sau zerouri la rând. Deoarece semnalul se schimbă cel puțin o dată pe ciclu de transmisie a unui bit de date, codul Manchester are proprietăți bune de auto-sincronizare. Lățimea de bandă a codului Manchester este mai îngustă decât cea a pulsului bipolar. În medie, lățimea de bandă a codului Manchester este de o ori și jumătate mai îngustă decât cea a codului de impuls bipolar, iar armonica fundamentală oscilează în jurul valorii de 3N/4. Codul Manchester are un alt avantaj față de codul pulsului bipolar. Acesta din urmă utilizează trei niveluri de semnal pentru transmiterea datelor, în timp ce Manchester utilizează două.

Cod potențial 2B 1Q. Cod potențial cu patru niveluri de semnal pentru codificarea datelor. Acesta este codul 2 ÎN 1Q, al cărui nume reflectă esența sa - fiecare doi biți (2B) sunt transmisi într-un ciclu de un semnal care are patru stări (1Q). Bit 00 este -2,5 V, bit 01 este -0,833 V, 11 este +0,833 V și 10 este +2,5 V. Cu această metodă de codificare, sunt necesare măsuri suplimentare pentru a trata secvențe lungi de perechi de biți identice, deoarece semnalul este apoi convertit într-o componentă constantă. Cu intercalarea aleatoare a biților, spectrul semnalului este de două ori mai îngust decât cel al codului NRZ, deoarece la aceeași rată de biți durata ceasului este dublată. Astfel, folosind codul 2B 1Q, poți transfera date de două ori mai rapid pe aceeași linie decât folosind codul AMI sau NRZI. Cu toate acestea, pentru implementarea sa, puterea emițătorului trebuie să fie mai mare, astfel încât cele patru niveluri să fie clar distinse de receptor pe fundalul interferenței.

Codare logica Codarea logică este folosită pentru a îmbunătăți codurile potențiale precum AMI, NRZI sau 2Q.1B. Codarea logică ar trebui să înlocuiască secvențele lungi de biți care conduc la un potențial constant cu unele intercalate. După cum sa menționat mai sus, două metode sunt caracteristice codării logice -. coduri redundante și amestecare.

Pentru a asigura o capacitate de linie dată, un transmițător care utilizează un cod redundant trebuie să funcționeze cu creștere frecvența ceasului. Deci, pentru a transmite coduri 4V / 5V la o rată de 100 Mb/s, transmițătorul trebuie să funcționeze la o frecvență de ceas de 125 MHz. În acest caz, spectrul semnalului pe linie este extins în comparație cu cazul în care un cod pur, neredundant este transmis pe linie. Cu toate acestea, spectrul codului potențial redundant se dovedește a fi mai îngust decât spectrul codului Manchester, ceea ce justifică etapa suplimentară de codificare logică, precum și funcționarea receptorului și emițătorului la o frecvență de ceas crescută.

Scurtă. Amestecarea datelor cu un codificator înainte de a le pune pe linie cu un cod sincer este o altă modalitate de codificare logică. Metodele de codificare constau în calculul bit cu bit al codului rezultat pe baza de biți cod sursași biți din codul rezultat primiți în ciclurile anterioare. De exemplu, un scrambler poate implementa următoarea relație:

Transmisie asincronă și sincronă

Când datele sunt schimbate la nivelul fizic, unitatea de informație este un bit, astfel încât stratul fizic înseamnă să mențină întotdeauna sincronizarea bit cu bit între receptor și transmițător. De obicei este suficient să se asigure sincronizarea la aceste două niveluri - bit și cadru - astfel încât emițătorul și receptorul să poată asigura un schimb stabil de informații. Cu toate acestea, dacă calitatea liniei de comunicație este slabă (acest lucru se aplică de obicei canalelor telefonice comutate), sunt introduse mijloace suplimentare de sincronizare la nivel de octet pentru a reduce costul echipamentului și a crește fiabilitatea transmisiei datelor.

Acest mod de operare este numit asincron sau start Stop.În modul asincron, fiecare octet de date este însoțit de semnale speciale de pornire și oprire. Scopul acestor semnale este, în primul rând, de a anunța receptorul cu privire la sosirea datelor și, în al doilea rând, de a oferi receptorului suficient timp pentru a efectua unele funcții legate de temporizare înainte de sosirea următorului octet. Semnalul de pornire are o durată de un interval de ceas, iar semnalul de oprire poate dura unul, unu și jumătate sau două ceasuri, așa că se spune că unul, unu și jumătate sau doi biți sunt folosiți ca semnal de oprire, deși aceste semnale nu reprezintă biți utilizator.

În modul de transfer sincron, nu există biți de pornire-oprire între fiecare pereche de octeți. concluzii

Când se transmit date discrete pe un canal de frecvență vocală în bandă îngustă utilizat în telefonie, metodele de modulație analogică sunt cele mai potrivite, în care sinusoidul purtător este modulat de secvența originală de cifre binare. Această operațiune este efectuată de dispozitive speciale - modemuri.

Pentru transmisia de date cu viteză mică, se utilizează o modificare a frecvenței sinusoidei purtătoare. Modemurile cu viteză mai mare funcționează pe metode combinate de modulare a amplitudinii în cuadratura (QAM), care sunt caracterizate prin 4 niveluri de amplitudine sinusoidă purtătoare și 8 niveluri de fază. Nu toate cele 32 de combinații posibile ale metodei QAM sunt folosite pentru transmiterea datelor, combinațiile interzise fac posibilă recunoașterea datelor distorsionate la nivel fizic.

Pe canalele de comunicație în bandă largă, sunt utilizate metode de codare a potențialului și a impulsurilor, în care datele sunt reprezentate de diferite niveluri ale unui potențial de semnal constant sau polaritate a impulsului sau a lui față.

Când se utilizează coduri potențiale, sarcina de sincronizare a receptorului cu emițătorul este de o importanță deosebită, deoarece atunci când se transmit secvențe lungi de zerouri sau unu, semnalul la intrarea receptorului nu se modifică și este dificil pentru receptor să determine momentul de preluarea următorului bit de date.

Cel mai simplu cod potențial este codul non-return-to-zero (NRZ), cu toate acestea nu este auto-tac și creează o componentă DC.

Cel mai popular cod de puls este codul Manchester, în care informația este transportată de direcția marginii semnalului la mijlocul fiecărui ciclu. Codul Manchester este utilizat în tehnologiile Ethernet și TokenRing.

Pentru a îmbunătăți proprietățile unui potențial cod NRZ, sunt utilizate metode de codare logică care exclud secvențele lungi de zerouri. Aceste metode se bazează pe:

Cu privire la introducerea de biți redundanți în datele originale (coduri de tip 4V/5V);

Amestecarea datelor originale (coduri precum 2B 1Q).

Codurile potențiale îmbunătățite au un spectru mai îngust decât codurile cu impulsuri, așa că sunt utilizate în tehnologii de mare viteză precum FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

Pentru transmiterea de date discrete prin linii de comunicație cu o bandă de frecvență îngustă, modulație analogică. Un reprezentant tipic al unor astfel de linii este o linie de comunicație voce-frecvență pusă la dispoziția utilizatorilor rețelelor publice de telefonie. Această legătură transmite semnale analogiceîn intervalul de frecvență de la 300 la 3400 Hz (astfel lățimea de bandă a liniei este de 3100 Hz). Limitarea strictă a lățimii de bandă a liniilor de comunicație în acest caz este asociată cu utilizarea echipamentelor de multiplexare și comutare de circuite în rețelele de telefonie.

Un dispozitiv care îndeplinește funcțiile de modulare a unui sinusoid purtător pe partea de transmisie și demodularea pe partea de recepție se numește modem (modulator-demodulator).

Modulația analogică este o metodă de codare fizică în care informațiile sunt codificate prin schimbare amplitudini, frecvente sau faze un semnal sinusoidal al frecvenței purtătoare. La modulație de amplitudine pentru unul logic se selectează un nivel al amplitudinii sinusoidei frecvenței purtătoare, iar pentru un zero logic, altul. Această metodă este rar folosită în practică în forma sa pură din cauza imunității scăzute la zgomot, dar este adesea folosită în combinație cu alte tipuri de modulație. La modulația de frecvență valorile 0 și 1 ale datelor originale sunt transmise prin sinusoide cu frecvențe diferite . Această metodă de modulare nu necesită electronică complexă a modemului și este utilizată în mod obișnuit în modemurile cu viteză redusă care funcționează la 300 sau 1200 bps. La modularea fazei valorile datelor 0 și 1 corespund unor semnale cu aceeași frecvență, dar cu fază diferită, cum ar fi 0 și 180 de grade sau 0, 90, 180 și 270 de grade. În modemurile de mare viteză, metodele de modulație combinată sunt adesea folosite, de regulă, amplitudinea în combinație cu faza. Metode de modulare combinate sunt utilizate pentru a crește rata de date. Cele mai comune metode sunt Modularea amplitudinii în cuadratura-QAM). Aceste metode se bazează pe o combinație de modulare de fază cu 8 valori de defazare și modulare de amplitudine cu 4 niveluri de amplitudine. Cu toate acestea, nu sunt utilizate toate cele 32 de combinații de semnale posibile. O astfel de redundanță de codare este necesară pentru ca modemul să recunoască semnale eronate, care sunt rezultatul distorsiunii datorate interferențelor, care pe canalele telefonice (în special pe cele comutate) sunt foarte semnificative ca amplitudine și lungi în timp.

La codificare digitală sunt folosite informații discrete potenţialȘi impuls coduri. ÎN potenţialÎn coduri, doar valoarea potențialului semnal este folosită pentru a reprezenta cele logice și zerouri, iar picăturile sale, care formează impulsuri complete, nu sunt luate în considerare. Puls codurile permit ca datele binare să fie reprezentate fie prin impulsuri cu o anumită polaritate, fie printr-o parte a pulsului - o scădere potențială a unei anumite direcții.

Un spectru de semnal mai restrâns vă permite să obțineți o rată de transfer de date mai mare pe aceeași linie (cu aceeași lățime de bandă). Este necesară sincronizarea emițătorului și receptorului, astfel încât receptorul să știe exact în ce moment este necesar să citească informație nouă de la linia de comunicare. Această problemă este mai dificil de rezolvat în rețele decât atunci când se comunică între dispozitive aflate în imediata apropiere, cum ar fi între dispozitivele din interiorul unui computer sau între un computer și o imprimantă. La distanțe scurte, o schemă bazată pe o linie de comunicare separată de ceas funcționează bine, iar informațiile sunt eliminate din linia de date numai în momentul în care sosește un impuls de ceas. În rețele, utilizarea acestei scheme provoacă dificultăți din cauza eterogenității caracteristicilor conductoarelor din cabluri. Pe distanțe lungi, ondulațiile vitezei semnalului pot face ca ceasul să ajungă atât de târziu sau prea devreme pentru semnalul de date corespunzător încât un bit de date este sărit sau recitit. Un alt motiv pentru care rețelele refuză să folosească impulsuri de ceas este acela de a salva conductorii în cabluri scumpe. Prin urmare, rețelele folosesc așa-numitele coduri de auto-sincronizare, ale căror semnale poartă indicații pentru transmițător în ce moment în timp este necesar să recunoască următorul bit (sau mai mulți biți, dacă codul este orientat către mai mult de două stări de semnal). Orice scădere bruscă a semnalului - așa-numitul față- poate servi ca un bun indiciu pentru sincronizarea receptorului cu transmițătorul. Când se utilizează sinusoide ca semnal purtător, codul rezultat are proprietatea de auto-sincronizare, deoarece o modificare a amplitudinii frecvenței purtătoare permite receptorului să determine momentul în care apare codul de intrare.

Recunoașterea și corectarea datelor distorsionate este dificil de implementat prin intermediul stratului fizic, prin urmare, cel mai adesea această muncă este întreprinsă de protocoalele care se află mai sus: canal, rețea, transport sau aplicație. Pe de altă parte, recunoașterea erorilor la nivelul fizic economisește timp, deoarece receptorul nu așteaptă ca cadrul să fie complet plasat în buffer, ci îl respinge imediat după recunoașterea biților eronați din cadrul cadru.

Una dintre cele mai simple metode potenţial codificarea este cod de potențial unipolar, numită și codificare fără a reveni la zero (Non Return to Zero-NRZ) (fig.7.1.a). Numele de familie reflectă faptul că atunci când se transmite o secvență de unii, semnalul nu revine la zero în timpul ciclului. Metoda NRZ are o detectare bună a erorilor (datorită a două potențiale puternic diferite), dar nu are proprietatea de auto-sincronizare. La transmiterea unei secvențe lungi de unu sau zero, semnalul de linie nu se modifică, astfel încât receptorul nu este capabil să determine din semnalul de intrare momentele de timp în care este necesar să citească din nou datele. Chiar și cu un generator de ceas foarte precis, receptorul poate face o greșeală în momentul achiziției datelor, deoarece frecvențele celor două generatoare nu sunt aproape niciodată complet identice. Prin urmare, la rate mari de date și secvențe lungi de unu sau zero, o mică nepotrivire a frecvențelor de ceas poate duce la o eroare într-un întreg ciclu și, în consecință, la citirea unei valori de bit incorecte.

a B C D E F

Orez. 7.1. Metode de codificare a datelor binare: a-potențial unipolar

codul social; b- cod potenţial bipolar; V- im- unipolar

cod puls; G -codul pulsului bipolar; d-codul „Manchester”;

e- cod potențial cu patru nivele de semnal.

Una dintre modificările metodei NRZ este metoda Codarea potențialului bipolar cu inversare alternativă (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI).În această metodă ( orez. 7.1.b) sunt utilizate trei niveluri potențiale - negativ, zero și pozitiv. Pentru a codifica un zero logic, se folosește un potențial zero, iar o unitate logică este codificată fie de un potențial pozitiv, fie de unul negativ (în acest caz, potențialul fiecărei unități noi este opus potențialului precedent). Codul AMI elimină parțial DC și lipsa problemelor de sincronizare automată inerente codului NRZ. Acest lucru se întâmplă la trimiterea unor secvențe lungi. În aceste cazuri, semnalul de pe linie este o secvență de impulsuri bipolare cu același spectru ca și codul NRZ care transmit alternativ zero și unu, adică fără componentă constantă și cu o armonică fundamentală de N/2 Hz (unde N este rata de biți a datelor). Secvențele lungi de zerouri sunt, de asemenea, periculoase pentru codul AMI, precum și pentru codul NRZ - semnalul degenerează într-un potențial constant de amplitudine zero. În general, pentru diferite combinații de biți de pe linie, utilizarea codului AMI duce la un spectru de semnal mai îngust decât pentru codul NRZ și, prin urmare, la un randament de linie mai mare. De exemplu, la transmiterea unora și zerouri alternative, armonica fundamentală f 0 are o frecvență de N/4 Hz. Codul AMI oferă și câteva caracteristici pentru recunoașterea semnalelor eronate. Astfel, o încălcare a alternanței stricte a polarității semnalelor indică un impuls fals sau dispariția unui impuls corect din linie. Se numește un semnal cu polaritate incorectă semnal interzis (încălcarea semnalului). Deoarece codul AMI utilizează nu două, ci trei niveluri de semnal pe linie, nivelul suplimentar necesită o creștere a puterii transmițătorului pentru a oferi aceeași fidelitate a biților pe linie, ceea ce este un dezavantaj general al codurilor cu stări multiple de semnal în comparație cu codurile care numai disting două stări.

Cel mai metode simple impulsiv codificările sunt cod puls unipolar,în care unul este reprezentat de impuls și zero este reprezentat de absența lui ( orez. 7.1c), Și codul pulsului bipolar, în care unitatea este reprezentată printr-un impuls de o polaritate, iar zero este cealaltă ( orez. 7,1 g). Fiecare puls durează o jumătate de ciclu. Codul de impuls bipolar are proprietăți bune de auto-tac, dar o componentă de impuls DC poate fi prezentă, de exemplu, atunci când se transmite o secvență lungă de unu sau zero. În plus, spectrul său este mai larg decât cel al codurilor potențiale. Deci, la transmiterea tuturor zerourilor sau unuurilor, frecvența armonicii fundamentale a codului va fi egală cu N Hz, care este de două ori mai mare decât armonica fundamentală a codului NRZ și de patru ori mai mare decât armonica fundamentală a codului AMI la transmiterea alternante a unor şi zerouri. Din cauza spectrului prea larg, codul pulsului bipolar este rar folosit.

În rețelele locale, până de curând, cea mai comună metodă de codare a fost așa-numita „ codul Manchester"(orez. 7.1d). În codul Manchester, o scădere de potențial, adică partea din față a pulsului, este folosită pentru a codifica unii și zerourile. În codificarea Manchester, fiecare ceas este împărțit în două părți. Informațiile sunt codificate de potențiale scăderi care apar la mijlocul fiecărui ciclu. O unitate este codificată printr-o tranziție scăzută la mare, iar un zero este codificat printr-o tranziție inversă. La începutul fiecărui ciclu, poate apărea o margine de semnal de serviciu dacă trebuie să reprezentați mai multe uni sau zerouri la rând. Deoarece semnalul se schimbă cel puțin o dată pe ciclu de transmisie a unui bit de date, codul Manchester are proprietăți bune de auto-tac. Lățimea de bandă a codului Manchester este mai îngustă decât cea a pulsului bipolar. De asemenea, nu are o componentă constantă, iar armonica fundamentală în cel mai rău caz (când se transmite o secvență de uni sau zerouri) are o frecvență de N Hz, iar în cel mai bun caz (când se transmite alternant uni și zerouri) este egală. la N / 2 Hz, ca în codurile AMI sau NRZ. În medie, lățimea de bandă a codului Manchester este de o ori și jumătate mai îngustă decât cea a codului de impuls bipolar, iar armonica fundamentală oscilează în jurul valorii de 3N/4. Un alt avantaj al codului Manchester este că are doar două niveluri de semnal, în timp ce codul pulsului bipolar are trei.

Există, de asemenea, coduri potențiale cu un număr mare de nivele de semnal pentru codificarea datelor. Arată ca exemplu ( fig 7.1e) cod potențial 2B1Q cu patru nivele de semnal pentru codificarea datelor. În acest cod, fiecare doi biți sunt transmisi într-un ciclu de un semnal care are patru stări. O pereche de biți „00” corespunde unui potențial de -2,5 V, o pereche de biți „01” - un potențial de -0,833 V, o pereche de biți „11” - un potențial de +0,833 V și o pereche de biți „00” biți „10” - un potențial de +2,5 V. Această metodă de codare necesită măsuri suplimentare pentru a trata secvențe lungi de perechi de biți identice, de atunci semnalul se transformă într-o componentă constantă. Cu intercalarea aleatoare a biților, spectrul semnalului este de două ori mai îngust decât cel al codului NRZ (la aceeași rată de biți, timpul ciclului este dublat). Astfel, folosind codul 2B1Q prezentat, este posibil să transferați date pe aceeași linie de două ori mai rapid decât folosind codul AMI. Cu toate acestea, pentru implementarea sa, puterea emițătorului trebuie să fie mai mare, astfel încât cele patru niveluri să fie clar distinse de receptor pe fundalul interferenței.

Pentru a îmbunătăți codurile potențiale precum AMI și 2B1Q, codificare logica. Codarea logică este concepută pentru a înlocui secvențele lungi de biți, conducând la un potențial constant, intercalate cu unii. Două metode sunt caracteristice pentru codarea logică - coduri redundante și amestecare.

Coduri redundante se bazează pe împărțirea secvenței originale de biți în porțiuni, care sunt adesea numite caractere. Apoi fiecare caracter original este înlocuit cu unul nou care are mai mulți biți decât originalul. De exemplu, un cod logic 4B/5B înlocuiește caracterele originale de 4 biți cu caractere de 5 biți. Deoarece simbolurile rezultate conțin biți redundanți, numărul total de combinații de biți din ele este mai mare decât în cele originale. Deci, în codul 4B / 5B, simbolurile rezultate pot conține combinații de 32 de biți, în timp ce simbolurile originale - doar 16. Prin urmare, în codul rezultat, puteți selecta 16 astfel de combinații care nu conțin un număr mare de zerouri și numără restul coduri interzise (încălcarea codului).În plus față de eliminarea DC și de a face codul să se autosincronizeze, codurile redundante permit receptorului să recunoască biții corupti. Dacă receptorul primește un cod interzis, înseamnă că semnalul a fost distorsionat pe linie. Codul 4V/5V este transmis pe linie folosind codificare fizică folosind una dintre metodele de codificare potențiale care este sensibilă numai la secvențe lungi de zerouri. Simbolurile de cod 4V/5V, lungi de 5 biți, garantează că nu pot apărea mai mult de trei zerouri la rând pe linie pentru orice combinație a acestora. Litera B din numele de cod înseamnă că semnalul elementar are 2 stări (din engleză binar - binar). Există, de asemenea, coduri cu trei stări de semnal, de exemplu, în codul 8B / 6T, pentru a codifica 8 biți de informații inițiale, se utilizează un cod de 6 semnale, fiecare având trei stări. Redundanța codului 8B/6T este mai mare decât cea a codului 4B/5B, deoarece există 729 (3 la puterea lui 6) simboluri rezultate pentru 256 de coduri sursă. Utilizarea tabelului de căutare este o operație foarte simplă, așa că această abordare nu complică adaptoare de rețeași blocuri de interfață ale comutatoarelor și routerelor (vezi secțiunile 9,11).

Pentru a oferi o capacitate de linie dată, un transmițător care utilizează un cod redundant trebuie să funcționeze la o frecvență de ceas crescută. Deci, pentru a transmite coduri 4V / 5V la o rată de 100 Mbps, transmițătorul trebuie să funcționeze la o frecvență de ceas de 125 MHz. În acest caz, spectrul semnalului pe linie este extins în comparație cu cazul în care un cod pur, neredundant este transmis pe linie. Cu toate acestea, spectrul codului potențial redundant se dovedește a fi mai îngust decât spectrul codului Manchester, ceea ce justifică etapa suplimentară de codificare logică, precum și funcționarea receptorului și emițătorului la o frecvență de ceas crescută.

O altă modalitate de codificare logică se bazează pe „amestecarea” preliminară a informațiilor inițiale în așa fel încât probabilitățile de apariție a unor și zerouri pe linie să devină apropiate. Sunt apelate dispozitivele sau blocurile care efectuează această operație scramblers(scramble - groapa, asamblare dezordonată). La încurcătură se folosește un algoritm binecunoscut, astfel încât receptorul, după ce a primit date binare, le transmite către descifrator, care restabilește secvența inițială de biți. Biții în exces nu sunt transmisi pe linie. Redundanța potențială îmbunătățită și codurile amestecate sunt utilizate în tehnologiile moderne de rețea de mare viteză în loc de codarea „Manchester” și a impulsurilor bipolare.

7.6. Tehnologii de multiplexare a liniilor de comunicație

Pentru multiplexarea(„compactarea”) liniilor de comunicație se folosesc mai multe tehnologii. Tehnologie frecvențămultiplexarea(Multiplexarea cu diviziune în frecvență - FDM) a fost dezvoltat inițial pentru rețelele de telefonie, dar este folosit și pentru alte tipuri de rețele, cum ar fi rețelele televiziune prin cablu. Această tehnologie presupune transferul semnalelor fiecărui canal de abonat pe propriul său domeniu de frecvență și transmiterea simultană a semnalelor de la mai multe canale de abonat într-o linie de comunicație în bandă largă. De exemplu, intrările unui comutator FDM primesc semnale inițiale de la abonații rețelei telefonice. Comutatorul efectuează o translație de frecvență a fiecărui canal în propria sa bandă de frecvență. De obicei, intervalul de înaltă frecvență este împărțit în benzi care sunt alocate pentru transmiterea datelor de la canalele de abonat. În linia de comunicație dintre două comutatoare FDM, semnalele tuturor canalelor de abonat sunt transmise simultan, dar fiecare dintre ele ocupă propria sa bandă de frecvență. Comutatorul FDM de ieșire separă semnalele modulate ale fiecărei frecvențe purtătoare și le transmite către canalul de ieșire corespunzător la care este conectat direct telefonul abonatului. Comutatoarele FDM pot efectua atât comutare dinamică, cât și permanentă. În comutarea dinamică, un abonat inițiază o conexiune cu un alt abonat prin trimiterea în rețea a numărului de abonat apelat. Comutatorul alocă dinamic acestui abonat una dintre benzile libere. Cu comutare constantă, banda este atribuită abonatului pentru o lungă perioadă de timp. Principiul comutării pe baza diviziunii de frecvență rămâne neschimbat în rețelele de alt tip, se modifică doar limitele benzilor alocate unui canal separat de abonat, precum și numărul acestora.

Tehnologia de multiplexareîmpărțirea timpului(Multiplexarea cu diviziune în timp - TDM) sau temporar multiplexarea se bazează pe utilizarea echipamentelor TDM (multiplexoare, comutatoare, demultiplexoare) care funcționează în modul de partajare a timpului, deservind pe rând toate canalele de abonat în timpul unui ciclu. Fiecărei conexiuni i se alocă o porțiune de timp a ciclului de operare hardware, numită și interval de timp. Durata intervalului de timp depinde de numărul de canale de abonați deservite de echipament. Rețelele TDM pot suporta ambele dinamic, sau permanent comutare și, uneori, ambele moduri.

Rețele cu comutare dinamică necesită o procedură prealabilă pentru stabilirea unei legături între abonați. Pentru a face acest lucru, adresa abonatului apelat este transmisă rețelei, care trece prin comutatoare și le configurează pentru transmisia ulterioară a datelor. Solicitarea de conectare este direcționată de la un comutator la altul și ajunge în cele din urmă la partea apelată. Rețeaua poate refuza stabilirea unei conexiuni dacă capacitatea canalului de ieșire necesar a fost deja epuizată. Pentru un comutator FDM, capacitatea de ieșire este egală cu numărul de benzi de frecvență, iar pentru un comutator TDM, este egală cu numărul de intervale de timp în care este împărțit ciclul de funcționare a canalului. De asemenea, rețeaua refuză conexiunea dacă abonatul solicitat a stabilit deja o conexiune cu altcineva. În primul caz, ei spun că comutatorul este ocupat, iar în al doilea - abonatul. Posibilitatea defecțiunii conexiunii este un dezavantaj al metodei de comutare a circuitului. Dacă se poate stabili o conexiune, atunci i se alocă o lățime de bandă fixă în rețelele FDM sau o lățime de bandă fixă în rețelele TDM. Aceste valori rămân neschimbate pe toată perioada conexiunii. Debitul de rețea garantat după stabilirea unei conexiuni este o caracteristică importantă necesară pentru aplicații precum transmisia vocală și video sau controlul obiectelor în timp real.

Dacă există un singur canal de comunicație fizică, de exemplu, atunci când se schimbă date folosind modemuri prin reteaua telefonica, modul de operare duplex este organizat pe baza împărțirii canalului în două subcanale logice folosind tehnologii FDM sau TDM. Atunci când se utilizează tehnologia FDM, modemurile pentru organizarea funcționării duplex pe o linie cu două fire funcționează la patru frecvențe (două frecvențe - pentru codificarea unor și zerouri la transmiterea datelor într-o direcție, iar celelalte două frecvențe - pentru codare atunci când se transmit în sens opus ). În tehnologia TDM, unele intervale de timp sunt folosite pentru a transfera date într-o direcție, iar unele sunt folosite pentru a transfera date în cealaltă direcție. De obicei, se alternează intervalele de timp din direcții opuse.

În cablurile cu fibră optică pentru organizarea operațiunii duplex atunci când se utilizează o singură fibră optică, transmisia de date într-o direcție se realizează folosind un fascicul de lumină de o lungime de undă, iar în direcția opusă - o lungime de undă diferită. Această tehnologie este în esență legată de metoda FDM, dar pentru cablurile de fibră optică se numește tehnologii de multiplexare a lungimii de undă(Multiplexarea cu diviziune a undelor - WDM) sau val multiplexarea.

Tehnologieval densmultiplexarea (spectrală).(Multiplexarea cu diviziune a undelor dense - DWDM) este proiectat pentru a crea o nouă generație de backbone optice care funcționează la viteze multi-gigabit și terabit. Un astfel de salt calitativ în performanță este oferit datorită faptului că informațiile din fibra optică sunt transmise simultan o cantitate mare unde luminoase. Rețelele DWDM funcționează pe principiul comutării circuitelor, fiecare undă luminoasă reprezentând un canal spectral separat și purtând propriile sale informații. Unul dintre principalele avantaje ale tehnologiei DWDM este o creștere semnificativă a factorului de utilizare a potențialului de frecvență al fibrei optice, a cărei lățime de bandă teoretică este de 25.000 GHz.

rezumat

În sistemele moderne de telecomunicații, informațiile sunt transmise prin unde electromagnetice – semnale electrice, luminoase sau radio.

Liniile de comunicație, în funcție de tipul de mediu fizic pentru transmiterea informațiilor, pot fi prin cablu (cu fir) sau fără fir. Folosit ca linii de comunicare cabluri telefonice bazat pe conductori paraleli nerăsușiți, cabluri coaxiale, cabluri pe bază de perechi răsucite de conductoare (neecranate și ecranate), cabluri de fibră optică. Cele mai eficiente astăzi și promițătoare în viitorul apropiat sunt cablurile bazate pe perechi răsucite de conductori și cablurile de fibră optică. Liniile de comunicație fără fir sunt cel mai adesea implementate prin transmiterea de semnale radio în diferite benzi de unde radio. tehnologie infraroșu transmisie fără fir datele folosesc partea din spectrul electromagnetic dintre lumina vizibilă și cele mai scurte microunde. Cel mai de mare viteză și imun la zgomot este tehnologie laser conexiune fără fir.

Principalele caracteristici ale liniilor de comunicație sunt răspunsul în frecvență, lățimea de bandă și atenuarea la o anumită frecvență.

Lățimea de bandă linia de comunicație caracterizează rata maximă posibilă de transfer de date pe ea. Imunitatea la zgomot a unei linii de comunicație determină capacitatea acesteia de a reduce nivelul de interferență generat în mediul extern pe conductorii interni. Fiabilitatea transmisiei datelor caracterizează probabilitatea de distorsiune pentru fiecare bit de date transmis.

Reprezentarea informațiilor discrete într-o formă sau alta a semnalelor aplicate liniei de comunicație se numește codare fizică. Codarea logică implică înlocuirea biților din informațiile originale cu o nouă secvență de biți care poartă aceeași informație, dar are proprietăți suplimentare.

Pentru a transmite date discrete prin linii de comunicație cu o bandă de frecvență îngustă, se utilizează modulația analogică, în care informațiile sunt codificate prin modificarea amplitudinii, frecvenței sau fazei unui semnal de frecvență purtătoare sinusoidal. La codificarea digitală a informațiilor discrete, se folosesc coduri de potențial și de impuls. Pentru multiplexarea liniilor de comunicație se folosesc tehnologii de multiplexare în frecvență, timp și unde.

Controlați întrebările și sarcinile

1. Dați clasificarea liniilor de comunicare.

2. Descrieți cele mai comune linii de comunicație prin cablu.

3. Prezentați principalele linii de comunicații fără fir și dați caracteristicile comparative ale acestora.

4. Din cauza ce factori fizici canalele de comunicare distorsionează semnalele transmise?

5. Care este caracteristica amplitudine-frecvență a unui canal de comunicare?

6. În ce unități se măsoară lățimea de bandă a canalului de comunicație?

7. Descrieți conceptul de „imunitate la zgomot a liniei de comunicație”.

8. Ce determină caracteristica „fiabilitatea transmisiei datelor” și în ce unități se măsoară?

9. Ce este „modulația analogică” și ce tipuri de ea sunt folosite pentru a transmite date discrete?

10. Ce dispozitiv îndeplinește funcțiile de modulare a sinusoidului purtător pe partea de transmisie și demodularea acestuia pe partea de recepție?

11. Precizați diferența dintre codarea potențialului și a impulsului semnale digitale.

12. Ce sunt codurile de auto-sincronizare?

13. Care este scopul codificării logice a semnalelor digitale și ce metode sunt folosite?

14. Descrieți tehnologia multiplexării în frecvență a liniilor de comunicație.

15. Care sunt caracteristicile tehnologiei de multiplexare pe diviziune în timp?

16. Ce tehnologie de multiplexare este utilizată în cablurile de fibră optică pentru a organiza operațiunile duplex atunci când se utilizează o singură fibră optică?

17. Care este scopul tehnologiei de multiplexare a undelor dense?

2 Funcții ale stratului fizic Reprezentarea biților prin semnale electrice/optice Codificarea biților Sincronizarea biților Transmiterea/recepția biților pe canalele de comunicație fizică Coordonarea cu mediul fizic Rata de transmisie Distanța Niveluri de semnal, conectori În toate dispozitivele de rețea Implementare hardware (adaptoare de rețea) ) Exemplu: 10 BaseT - UTP cat. 3, 100 ohmi, 100 m, 10 Mbps, cod MII, RJ-45

5 Echipament de transmisie a datelor Convertor Mesaj - El. Codificator de semnal (compresie, coduri de corecție) Modulator Echipament intermediar Îmbunătățirea calității comunicației - (Amplificator) Crearea canalelor compozite - (Comutator) Multiplexarea canalelor - (Multiplexor) (PA poate să nu fie disponibil în LAN)

6 Principalele caracteristici ale liniilor de comunicație Lățimea de bandă (protocol) Fiabilitatea transmisiei de date (protocol) Întârziere de propagare Răspuns în frecvență (AFC) Atenuare lățime de bandă Imunitate la zgomot Diafonie la capătul apropiat al liniei Cost unitar

9 Atenuare A - un punct per răspuns în frecvență A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Exemplul 1: Pin = 10 mW, Pout =5 mW Atenuare = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Exemplul 2: UTP cat 5 Atenuare >= -23,6 dB F= 100MHz, L= 100M De obicei, A este indicat pentru elementul fundamental frecvența semnalului. \u003d -23,6 dB F \u003d 100 MHz, L \u003d 100 M De obicei, A este indicat pentru frecvența principală a semnalului ">

11 Imunitate Liniile de fibră optică linii de cablu Linii aeriene cablate Legături radio (Ecranare, răsucire) Imunitate la interferențe externe Imunitate la interferențe interne Atenuare a diafoniei la capătul apropiat (NEXT) Atenuare a diafoniei la capătul îndepărtat (FEXT) (FEXT - Două perechi într-o singură direcție)

12 Near End Cross Talk Pierde (URMĂTOR) Pentru cabluri cu mai multe perechi NEXT = 10 log Pout/Pout dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Fiabilitatea transmisiei datelor Rata de eroare - BER Probabilitatea distorsiunii biților de date Cauze: interferență externă și internă, lățime de bandă îngustă Luptă: imunitate sporită la zgomot, interferență redusă NEXT, lățime de bandă crescută Cablu pereche torsadată BER ~ Cablu fibră optică BER ~ Fără protecție suplimentară: : coduri corective, protocoale cu repetare

16 Pereche răsucită Pereche răsucită (TP) ecran de folie scut de sârmă împletită înveliș exterior de sârmă izolată UTP Pereche răsucită neecranată categoria 1, categoria perechii învelite UTP STP Tipuri de perechi răsucite ecranate Tip 1...9 Fiecare pereche are propriul ecran Fiecare pereche are propriul pas de răsucire , culoare proprie Imunitate la interferențe Cost Complexitatea așezării

18 Fibră optică Reflexia internă totală a unui fascicul la interfața dintre două medii n1 > n2 - (indice de refracție) n1 n2 n2 - (indice de refracție) n1 n2"> n2 - (indice de refracție) n1 n2"> n2 - (indice de refracție) n1 n2" title="18 Fibră optică Reflexia internă totală a unui fascicul la limita a două media n1 > n2 - (indicele de refracție) n1 n2"> title="18 Fibră optică Reflexia internă totală a unui fascicul la interfața dintre două medii n1 > n2 - (indice de refracție) n1 n2"> !}

22 Cablu fibră optică Fibră multimodală MMF50/125, 62,5/125, Fibră modul unic SMF8/125, 9,5/125 D = 250 µm 1 GHz - 100 km BaseLH5000km - 1 Gbps (2005) MMSM

23 Surse de semnal optic Canal: sursă - purtător - receptor (detector) Surse LED (LED-Light Emitting Diod) nm sursă incoerentă - MMF Semiconductor sursă coerentă laser - SMF - Putere = f (t o) Detectoare Fotodiode, diode pin, diode avalanșă

25 Sisteme de cablare structurată - SCS Sistem de cablare structurată - SCS Primele rețele LAN - diferite cabluri și topologii Unificare sistem de cabluri SCS - infrastructură de cablu LAN deschisă (subsisteme, componente, interfețe) - independență față de tehnologie de rețea- LAN, cabluri TV, sisteme de securitate etc. - cablare universală fără referire la o anumită tehnologie de rețea - Constructor

27 Standarde SCS (de bază) EIA/TIA-568A Standard de cablare pentru telecomunicații pentru clădiri comerciale (SUA) CENELEC EN50173 Cerințe de performanță ale schemelor de cablare generice (Europa) ISO/IEC IS Tehnologia informației - Cablare generică pentru cablarea sediului clientului Pentru fiecare subsistem: Mediu de comunicație . Topologie Distanțele admise(lungimea cablului) Interfață de conectare cu utilizatorul. Cabluri și echipamente de conectare. Lățimea de bandă (performanță). Practică de instalare (Subsistem orizontal - UTP, stea, 100 m...)

28 Comunicații fără fir Transmisie fără fir Beneficii: Comoditate, zone inaccesibile, mobilitate. desfășurare rapidă... Dezavantaje: nivel ridicat de interferență (mijloace speciale: coduri, modulație...), dificultate în utilizarea unor intervale Linie de comunicație: emițător - mediu - receptor Caracteristici LAN ~ F (Δf, fn);

34 2. Telefonie celulară Împărțirea teritoriului în celule Reutilizați frecvențe Putere redusă (dimensiuni) În centru - stație de bază Europa - Sistem global pentru mobil- Wireless GSM comunicatii telefonice 1. Stație radio de putere redusă - (bază cu tub, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - comutare de la unul rețea centrală pe de alta - baza comunicare celulară

35 Comunicații prin satelit Pe baza unui satelit (reflector-amplificator) Transceiver - transpondere H ~ 50 MHz (1 satelit ~ 20 transpondere) Game de frecvență: C. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 GHz Up 5,925-6,425 GHz Ku - În jos 11,7-12,2 GHz în sus 14,0-14,5 GHz Ka - în jos 17,7-21,7 GHz în sus 27,5-30,5 GHz

36 Comunicații prin satelit. Tipuri de satelit Comunicație prin satelit: microunde - linie vizuală Geostaționar Acoperire mare Fix, uzură redusă Satelit urmăritor, difuzare, cost scăzut, cost independent de distanță, Stabilire instantanee a legăturii (Mil) T3=300ms Securitate scăzută, Antenă mare inițial (dar VSAT) MEO km Sistem de poziționare globală GPS - 24 de sateliți LEO km acoperire scăzută acces la Internet cu latență scăzută

40 Tehnici Spread Spectrum Tehnici speciale de modulare și codare pentru comunicații fără fir C (biți/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Reducerea puterii Imunitate la zgomot Stealth OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Transfer de date discrete la nivel fizic. Linii digitale de abonat. Tehnologia xDSL