План

Теоретичні основи передачі

Ряди Фур'є

Керовані носії інформації

Магнітні носії

Кручена пара

Коаксіальний кабель

Волоконна оптика

На кінець кабелю може прикріплюватись спеціальний роз'єм, за допомогою якого кабель вставляється в оптичну розетку. Втрата - 10-20% сили світла, проте дозволяє легко змінити конфігурацію системи.
Зрощування - два акуратно відрізані кінці кабелю укладаються поруч один з одним і затискаються спеціальною муфтою. Поліпшення проходження світла досягається вирівнюванням кінців кабелю. Втрата – 10 % потужності світла.
Сплавлення. Втрат практично відсутні.

Таблиця 1.
Порівняльна таблиця використання світлодіода та напівпровідникового лазера
Приймальний кінець оптичного кабелю є фотодіодом, що генерує електричний імпульс, коли на нього падає світло.

Порівняльна характеристика оптоволоконного кабелю та мідного дроту.

Висока швидкість.
Менше ослаблення сигналу, висновок менше повторювачів (один на 50км, а не на 5)
Інертний до зовнішніх електромагнітним випромінюванням, Хімічно нейтрально.
Легше за вагою. 1000 мідних кручених пар довжиною в 1 км важить близько 8000 кг. Пара оптоволоконних кабелів важить всього 100 кг при більшій пропускній здатності
Низькі витрати на прокладку

Складність та компетентність при монтажі.
Крихкість
Дорожче за мідний.
передачі в режимі simplex, між мережами потрібно щонайменше 2 жили.

Бездротовий зв'язок

Електромагнітний спектр

Радіозв'язок

Зв'язок у мікрохвильовому діапазоні

Інфрачервоні та міліметрові хвилі

Супутники зв'язку

Комутована телефонна мережа загального користування

Структура телефонної системи

Місцеві лінії зв'язку: модеми, ADSL, бездротовий зв'язок

амплітудна модуляція - використовуються 2 різні амплітуди сигналу (для 0 та 1),
частотна - використовуються кілька різних частот сигналу (для 0 та 1),
фазова – використовуються зрушення фаз при переході між логічними одиницями (0 та 1). Кути зсуву – 45, 135, 225, 180.

Цифрові лінії абонентів. Технологія xDSL.

POTS – діапазон звичайної телефонної мережі;
вихідний діапазон;
вхідний діапазон.

DSLAM – мультиплексор доступу до DSL;
NID - пристрій сполучення з мережею, що розділяє володіння телефонної компанії та абонента.
Розгалужувач (спліттер) - роздільник частот, що відокремлює смугу POTS та дані ADSL.

Магістралі та ущільнення

Комутація

Комутація каналів

Комутація пакетів

Для передачі дискретних даних лініями зв'язку з вузькою смугою частот застосовується аналогова модуляція. Типовим представником таких ліній є лінія зв'язку тональної частоти, що надається у розпорядження користувачам громадських телефонних мереж. Ця лінія зв'язку передає аналогові сигнали діапазоні частот від 300 до 3400 Гц (таким чином смуга пропускання лінії дорівнює 3100 Гц). Суворе обмеження смуги пропускання ліній зв'язку у разі пов'язані з використанням апаратури ущільнення і комутації каналів у телефонних мережах.

Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на стороні, що передає, і демодуляції на приймальній стороні, носить назву модем (Модулятор-демодулятор).

Аналогова модуляція є таким способом фізичного кодування, при якому інформація кодується зміною амплітуди, частотиабо фазисинусоїдального сигналу несучої частоти. При амплітудної модуляціїдля логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується на практиці в чистому вигляді через низьку завадостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншими видами модуляції. При частотної модуляціїзначення 0 та 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою . Цей спосіб модуляції не вимагає складних електронних схем в модемах і зазвичай застосовується в модемах низькошвидкісних, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с. При фазової модуляціїзначення даних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів або 0, 90, 180 і 270 градусів. У швидкісних модемах часто використовуються комбіновані методи модуляції, як правило, амплітудна у поєднанні з фазовою. Для підвищення швидкості передачі використовують комбіновані методи модуляції. Найбільш поширеними є методи квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation-QAM).Ці методи засновані на поєднанні фазової модуляції з 8 значеннями величин зсуву фази та амплітудної модуляції з 4 рівнями амплітуди. Однак із можливих 32 комбінацій сигналу використовуються далеко не всі. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, що є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах (особливо комутованих) дуже значні за амплітудою і тривалі за часом.

При цифрове кодуваннядискретної інформації застосовують потенційніі імпульснікоди. У потенційнихкодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Імпульснікоди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напряму.

При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав декількох цілей: мав при одній і тій же бітовій швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу; забезпечував синхронізацію між передавачем та приймачем; мав здатність розпізнавати помилки; мав низьку вартість реалізації.

Вужчий спектр сигналу дозволяє на одній і тій же лінії (з однією і тією ж смугою пропускання) домагатися більш високої швидкості передачі даних. Синхронізація передавача та приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, у який час необхідно зчитувати нову інформаціюз лінії зв'язку. Ця проблема в мережах вирішується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад між пристроями всередині комп'ютера або між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій лінії зв'язку, що тактує, і інформація знімається з лінії даних тільки в момент приходу тактового імпульсу. У мережах використання цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність показників провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості поширення сигналу може призвести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або повторно лічений. Іншою причиною, через яку в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, є економія провідників у дорогих кабелях. Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються,сигнали яких несуть для передавача вказівки у тому, у який час потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (чи кількох біт, якщо код орієнтований більш як два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу – так званий фронт- може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем. При використанні синусоїд як несучий сигнал результуючий код має властивість самосинхронізації, так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачеві визначити момент появи вхідного коду.

Розпізнавання та корекцію спотворених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть він протоколи, що лежать вище: канальний, мережевий, транспортний чи прикладної. З іншого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівніекономить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових бітів усередині кадру.

Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожен з популярних методів цифрового кодування, що розглядаються нижче, має свої переваги і свої недоліки в порівнянні з іншими.

Одним із найпростіших методів потенційногокодування є уніполярний потенційний код, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero-NRZ) (рис.7.1.а). Остання назва відображає та обставина, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту. Метод NRZ має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціали), але не має властивості самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць чи нулів сигнал лінії не змінюється, тому приймач немає можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно вкотре зчитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів практично ніколи не бувають цілком ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними та довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки цілий такт і, відповідно, зчитування некоректного значення біта.

Мал. 7.1. Методи кодування двійкових даних:-уніполярний потен-

ційний код; б- біполярний потенційний код; в- уніполярний ім-

пульсний код; г -біполярний імпульсний код; д-"Манчестерський" код;

е- потенційний код із чотирма рівнями сигналу.

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато ліній зв'язку, що не забезпечують прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ в мережах не використовується, але використовуються різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової.

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного потенційного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI).У цьому методі ( Мал. 7.1.б) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий та позитивний. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом або негативним (при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої). Код AMI частково ліквідує проблеми постійної складової та відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ. Це відбувається під час передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі та одиниці, що чергуються, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N/2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних) . Довгі послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульової амплітуди. В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI призводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до більш високої пропускної здатності лінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка f 0 має частоту N/4 Гц. Код AMI також надає деякі можливості розпізнавання помилкових сигналів. Так, порушення суворого чергування полярності сигналів говорить про хибний імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).Так як у коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу на лінії, то додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недолікомкодів з кількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють лише два стани.

Найбільш простими методами імпульсногокодування є уніполярний імпульсний код,в якому одиниця представлена ​​імпульсом, а нуль - його відсутністю ( Мал. 7.1в), і біполярний імпульсний код, В якому одиниця представлена ​​імпульсом однієї полярності, а нуль - інший ( Мал. 7.1г). Кожен імпульс триває половину такту. Біполярний імпульсний код має хороші самосинхронізуючі властивості, але постійна імпульсна складова може бути присутнім, наприклад, при передачі довгої послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширший, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду дорівнюватиме N Гц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI при передачі одиниць і нулів, що чергуються. Через занадто широкий спектр біполярний імпульсний код використовується рідко.

У локальних мережах донедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код»(Мал. 7.1д). У манчестерському коді для кодування одиниць та нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт поділяється на частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються у середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно уявити кілька одиниць чи нулів поспіль. Так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код має гарні властивості, що самохронізують. Смуга пропускання манчестерського коду вже, ніж у імпульсного біполярного. У нього також немає постійної складової, а основна гармоніка в гіршому випадку (при передачі послідовності одиниць або нулів) має частоту N Гц, а в кращому (при передачі одиниць і нулів, що чергуються) вона дорівнює N/2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. У середньому ширина лінії манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у біполярного імпульсного коду, а основна гармоніка коливається біля значення 3N/4. Ще однією перевагою манчестерського коду є те, що він лише два рівні сигналу, а біполярний імпульсний код – три.

Існують також потенційні коди з великою кількістю рівнів сигналів кодування даних. Як приклад показаний ( рис 7.1е) потенційний код 2В1Qз чотирма рівнями сигналу кодування даних. У цьому коді кожні два біти передаються за один такт сигналом, що має чотири стани. Парі біт "00" відповідає потенціал -2,5 В, парі біт "01" - потенціал -0,833 В, парі біт "11" - потенціал +0,833 В, а парі біт "10" - потенціал +2,5 В. В цьому способі кодування потрібні додаткові заходи боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт, так як тоді сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу вдвічі, ніж у коду NRZ (за тієї ж бітової швидкості тривалість такту збільшується вдвічі). Таким чином, за допомогою представленого коду 2В1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі швидше, ніж за допомогою коду AMI. Однак для його реалізації потужність передавача має бути вищою, щоб чотири рівні чітко відрізнялися приймачем на тлі перешкод.

Для покращення потенційних кодів типу AMI та 2B1Q використовується логічне кодування. Логічне кодування покликане замінювати довгі послідовності біт, що призводять до постійного потенціалу, вкраплення одиниць. Для логічного кодування характерні два методи - надлишкові коди та скремблювання.

Надлишкові кодизасновані на розбиття вихідної послідовності бітів на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більше біт, ніж вихідний. Наприклад, логічний код 4В/5В замінює вихідні символи довжиною 4 біта на символи довжиною 5 біт. Так як результуючі символи містять надлишкові біти, то загальна кількість бітових комбінацій у них більша, ніж у вихідних. Так, у коді 4В/5В результуючі символи можуть містити 32 бітові комбінації, у той час як вихідні символи - лише 16. Тому в результуючому коді можна відібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а решту вважати забороненими кодами (code violation).Крім усунення постійної складової та надання коду властивості самосинхронізації, надлишкові коди дозволяють приймачеві розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, отже, лінії сталося спотворення сигналу. Код 4В/5В передається по лінії за допомогою фізичного кодування одним з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів. Символи коду 4В/5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їх поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів поспіль. Літера B у назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани (від англійської binary – двійковий). Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, код 8В/6Т для кодування 8 біт вихідної інформації використовується код з 6 сигналів, кожен з яких має три стани. Надмірність коду 8В/6Т вище, ніж коду 4В/5В, оскільки на 256 вихідних кодів припадає 729 (3 ступенем 6) результуючих символів. Використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому цей підхід не ускладнює мережеві адаптерита інтерфейсні блоки комутаторів та маршрутизаторів (див. розділи 9,11).

Для забезпечення заданої пропускної спроможності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною частотою тактовою. Так, передачі кодів 4В/5В зі швидкістю 100 Мбіт/с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125 МГц. При цьому спектр сигналу лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надлишковий код. Проте спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача та передавача на підвищеній тактовій частоті.

Інший спосіб логічного кодування заснований на попередньому «перемішуванні» вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць і нулів на лінії ставали близькими. Пристрої або блоки, що виконують таку операцію, називаються скремблерами(scramble - звалище, безладне складання). При скремблювання використовується відомий алгоритм, тому приймач, отримавши двійкові дані, передає їх на дескремблер,який відновлює вихідну послідовність біт. Надлишкові біти при цьому по лінії не передаються. Покращені потенційні надлишкові та скрембльовані коди застосовуються в сучасних високошвидкісних мережевих технологіяхзамість «манчестерського» та біполярного імпульсного кодування.

7.6. Технології мультиплексування ліній зв'язку

Для мультиплексування(«Ущільнення») ліній зв'язку використовується кілька технологій. Технологія частотногомультиплексування(Frequency Division Multiplexing - FDM) спочатку була розроблена для телефонних мереж, але застосовується і для інших видів мереж, наприклад мереж кабельного телебачення. Ця технологія передбачає перенесення сигналів кожного абонентського каналу у свій діапазон частот і одночасну передачу сигналів кількох абонентських каналів у одній широкосмугової лінії зв'язку. Наприклад, входи FDM-коммутатора надходять вихідні сигнали від абонентів телефонної мережі. Комутатор виконує перенесення частоти кожного каналу у діапазон частот. Зазвичай високочастотний діапазон ділиться смуги, які відводяться передачі даних абонентських каналів. У лінії зв'язку між двома FDM-комутаторами одночасно передаються сигнали всіх абонентських каналів, але кожен із них займає свою смугу частот. Вихідний FDM-комутатор виділяє модульовані сигнали кожної несучої частоти і передає їх на відповідний вихідний канал, якого безпосередньо підключений абонентський телефон. FDM-комутатори можуть виконувати динамічну, так і постійну комутацію. При динамічній комутації один абонент ініціює з'єднання з іншим абонентом, посилаючи в мережу номер абонента, що викликається. Комутатор динамічно виділяє даному абонентуодну із вільних смуг. При постійній комутації смуга закріплюється за абонентом тривалий термін. Принцип комутації на основі поділу частот залишається незмінним і в мережах іншого виду змінюються тільки межі смуг, що виділяються окремому абонентському каналу, а також їх кількість.

Технологія мультиплексуванняз поділом часу(Time Division Multiplexing - TDM) або тимчасового мультиплексуваннязаснована на використанні TDM-апаратури (мультиплексорів, комутаторів, демультиплексорів), що працює в режимі розподілу часу, по черзі обслуговуючи протягом циклу всі абонентські канали. Кожному з'єднанню виділяється один квант часу циклу роботи апаратури, званий також тайм-слотом. Тривалість тайм-слоту залежить від кількості абонентських каналів, які обслуговує апаратура. Мережі TDM можуть підтримувати режими або динамічної,або постійноюкомутації, а іноді й обидва ці режими.

Мережі з динамічною комутацієюпотребують попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента, який проходить через комутатори і налаштовує їх на подальшу передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизується від одного комутатора до іншого і врешті-решт досягає абонента, що викликається. Мережа може відмовити у з'єднанні, якщо ємність необхідного вихідного каналу вже вичерпана. Для FDM-комутатора вихідна ємність дорівнює кількості частотних смуг, а для TDM-комутатора - кількості тайм-слотів, куди ділиться цикл роботи каналу. Мережа відмовляє у з'єднанні також у тому випадку, якщо запитуваний абонент вже встановив з'єднання з кимось іншим. У першому випадку кажуть, що зайнятий комутатор, а у другому – абонент. Можливість відмови у з'єднанні є недоліком методу комутації каналів. Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах або фіксована пропускна здатність в TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом усього періоду з'єднання. Гарантована пропускна спроможність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідною для таких програм, як передача голосу та зображення або керування об'єктами у реальному масштабі часу.

За наявності всього одного фізичного каналу зв'язку, наприклад, при обміні даними за допомогою модемів через телефонну мережу, дуплексний режим роботи організується на основі поділу каналу на два логічні канали за допомогою технологій FDM або ТDМ. При використанні технології FDM модеми для організації дуплексного режиму роботи на двопровідній лінії працюють на чотирьох частотах (дві частоти – для кодування одиниць та нулів при передачі даних в одному напрямку, а дві інші – для кодування при передачі у зворотному напрямку). У технології ТDМ частина тайм-слотів використовується передачі даних у одному напрямі, а частина – передачі у іншому напрямі. Зазвичай тайм-слоти протилежних напрямків чергуються.

У волоконно-оптичних кабелях для організації дуплексного режиму роботи при використанні лише одного оптичного волокна передача даних в одному напрямку здійснюється за допомогою світлового пучка однієї довжини хвилі, а в протилежному - до іншої довжини хвилі. Така технологія, по суті, відноситься до методу FDM, проте для волоконно-оптичних кабелів вона отримала назву технології мультиплексування за довжиною хвилі(Wave Division Multiplexing - WDM) або хвильового мультиплексування.

Технологіящільного хвильового(спектрального) мультиплексування(Dense Wave Division Multiplexing - DWDM) призначена для створення оптичних магістралей нового покоління, що працюють на мультигігабітних та терабітних швидкостях. Такий якісний стрибок продуктивності забезпечується за рахунок того, що інформація в оптичному волокні передається одночасно великою кількістюсвітлові хвилі. Мережі DWDM працюють за принципом комутації каналів, при цьому кожна світлова хвиля є окремим спектральним каналом і несе власну інформацію. Однією з основних переваг технології DWDM є суттєве підвищення коефіцієнта використання частотного потенціалу оптичного волокна, теоретична смуга пропускання якого становить 25 000 ГГц.

Резюме

У сучасних телекомунікаційних системах інформація передається у вигляді електромагнітних хвиль – електричних, світлових чи радіосигналів.

Лінії зв'язку в залежності від типу фізичного середовища передачі можуть бути кабельними (провідними) або бездротовими. Як лінії зв'язку застосовуються телефонні кабеліна основі паралельних нескручених провідників, коаксіальні кабелі, кабелі на основі кручених пар провідників (неекрановані та екрановані), волоконно-оптичні кабелі. Найбільш ефективними на сьогоднішній день та перспективними у найближчому майбутньому є кабелі на основі кручених пар провідників та волоконно-оптичні кабелі. Бездротові лінії зв'язку найчастіше реалізуються за допомогою передачі радіосигналів у різних діапазонах радіохвиль. Інфрачервона технологія бездротової передачіданих використовує частину електромагнітного спектру між видимим світлом і короткими мікрохвилями. Найбільш високошвидкісною та перешкодостійкою є лазерна технологіябездротового зв'язку.

Основні характеристики ліній зв'язку – амплітудно-частотна характеристика, смуга пропускання та загасання на певній частоті.

Пропускна здатність лінії зв'язку характеризує максимально можливу швидкість передачі по ній. Перешкодостійкість лінії зв'язку визначає її здатність зменшувати на внутрішніх провідниках рівень перешкод, створюваних у зовнішньому середовищі. Достовірність передачі характеризує ймовірність спотворення кожному за переданого біта даних.

Подання дискретної інформації у тому чи іншому вигляді сигналів, що подаються на лінію зв'язку, називається фізичним кодуванням. Логічне кодування передбачає заміну біт вихідної інформації новою послідовністю біт, що несе ту ж інформацію, але має додаткові властивості.

Для передачі дискретних даних лініях зв'язку з вузькою смугою частот застосовується аналогова модуляція, при якій інформація кодується зміною амплітуди, частоти або фази синусоїдального сигналу несучої частоти. При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. Для мультиплексування ліній зв'язку використовуються технології частотного, тимчасового та хвильового мультиплексування.

Контрольні питання та завдання

1. Наведіть класифікацію ліній зв'язку.

2. Охарактеризуйте найпоширеніші кабельні лініїзв'язку.

3. Подайте основні бездротові лінії зв'язку і дайте їх порівняльну характеристику.

4. Через які фізичні фактори канали зв'язку спотворюють сигнали, що передаються?

5. Що таке амплітудно-частотна характеристика каналу зв'язку?

6. У яких одиницях вимірюється пропускна спроможність каналу зв'язку?

7. Опишіть поняття «перешкодостійкість лінії зв'язку».

8. Що визначає характеристика «достовірність передачі» і яких одиницях вона вимірюється?

9. Що таке «аналогова модуляція» та які її види застосовується для передачі дискретних даних?

10. Який пристрій виконує функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні та її демодуляції на приймальній стороні?

11. Вкажіть різницю між потенційним та імпульсним кодуванням цифрових сигналів.

12. Що являють собою коди, що самосинхронізуються?

13. З якою метою використовується логічне кодування цифрових сигналів та які методи при цьому застосовуються?

14. Опишіть технологію частотного мультиплексування ліній зв'язку.

15. Які особливості технології мультиплексування з розподілом часу?

16. Яка технологія мультиплексування застосовується у волоконно-оптичних кабелях для організації дуплексного режиму роботи під час використання лише одного оптичного волокна?

17. З якою метою розроблена технологія щільного хвильового мультиплексування?

Вихідна інформація, яку необхідно передавати по лінії зв'язку, може бути дискретною (вихідні дані комп'ютерів), або аналоговою (мова, телевізійне зображення).

Передача дискретних даних виходить з використання двох типів фізичного кодування:

а) аналогової модуляції, коли кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів синусоїдального сигналу;

б) цифрове кодування шляхом зміни рівнів послідовності прямокутних інформаційних імпульсів.

Аналогова модуляція призводить до спектру результуючого сигналу набагато менше ширини, ніж при цифровому кодуванні, при тій же швидкості передачі інформації, проте для її реалізації потрібна складніша і найдорожча апаратура.

В даний час вихідні дані, що мають аналогову форму, все частіше передаються каналами зв'язку в дискретному вигляді(у вигляді послідовності одиниць та нулів), тобто здійснюється дискретна модуляція аналогових сигналів.

Аналогова модуляція. Застосовується передачі дискретних даних каналами з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти, наданий користувачам телефонних мереж. Цим каналом передаються сигнали з частотою від 300 до 3400 Гц, тобто його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц. Така смуга цілком достатня передачі мови з прийнятною якістю. Обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів у телефонних мережах.

Перед передачею дискретних даних на стороні, що передає, за допомогою модулятора-демодулятора (модему) здійснюється модуляція несучої синусоїди вихідної послідовності двійкових цифр. Зворотне перетворення (демодуляція) виконується модемом, що приймає.

Можливі три способи перетворення цифрових даних в аналогову форму, або три методи аналогової модуляції:

Амплітудна модуляція, коли змінюється тільки амплітуда несучої синусоїдальних коливань відповідно до послідовності інформаційних бітів, що передаються: наприклад, при передачі одиниці амплітуда коливань встановлюється великий, а при передачі нуля - малої, або сигнал несучої взагалі відсутня;

Частотна модуляція, коли під дією модулюючих сигналів (інформаційних бітів, що передаються) змінюється тільки частота несучої синусоїдальних коливань: наприклад, при передачі нуля - низька, а при передачі одиниці - висока;

Фазова модуляція, коли відповідно до послідовності інформаційних бітів, що передаються, змінюється тільки фаза несучої синусоїдальних коливань: при переході від сигналу 1 до сигналу 0 або навпаки фаза змінюється на 180°. У чистому вигляді амплітудна модуляція на практиці використовується рідко через низьку стійкість до перешкод. Частотна модуляція не вимагає складних схем у модемах і зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с. Підвищення швидкості передачі даних забезпечується використанням комбінованих способів модуляції, частіше амплітудної у поєднанні з фазовою.

Аналоговий спосіб передачі дискретних даних забезпечує широкосмугову передачу шляхом використання одному каналі сигналів різних несучих частот. Це гарантує взаємодію великої кількості абонентів (кожна пара абонентів працює на своїй частоті).

Цифрове кодування. При цифровому кодуванні дискретної інформації використовуються два види кодів:

а) потенційні коди, коли для подання інформаційних одиниць та нулів застосовується лише значення потенціалу сигналу, а його перепади до уваги не беруться;

б) імпульсні коди, коли двійкові дані надаються або імпульсами певної полярності, або перепадами потенціалу певного напряму.

До способів цифрового кодування дискретної інформації під час використання прямокутних імпульсів для подання двійкових сигналів пред'являються такі вимоги:

Забезпечення синхронізації між передавачем та приймачем;

Забезпечення найменшої ширини спектра результуючого сигналу при одній і тій же бітовій швидкості (оскільки вужчий спектр сигналів дозволяє на-

ні з однією і тією ж смугою пропускання домагатися вищої швидкості

передачі);

Можливість розпізнавання помилок у переданих даних;

Щодо низька вартість реалізації.

Засобами фізичного рівня здійснюється тільки розпізнавання спотворених даних (виявлення помилок), що дозволяє економити час, оскільки приймач, не чекаючи повного приміщення кадру, що приймається в буфер, відразу його відбраковує при розпізнаванні помилкових біт у кадрі. Більш складна операція - корекція спотворених даних - виконується протоколами високого рівня: канального, мережевого, транспортного чи прикладного.

Синхронізація передавача та приймача необхідна для того, щоб приймач точно знав, у який момент слід здійснювати зчитування даних, що надходять. Синхросигнали налаштовують приймач на передане повідомлення і підтримують синхронізацію приймача з бітами даних, що приходять. Проблема синхронізації легко вирішується під час передачі інформації на невеликі відстані(між блоками всередині комп'ютера, між комп'ютером і принтером) шляхом використання окремої лінії зв'язку: інформація зчитується тільки в момент приходу чергового тактового імпульсу. У комп'ютерних мережахвідмовляються від використання тактуючих імпульсів з двох причин: задля економії провідників у дорогих кабелях і через неоднорідність характеристик провідників у кабелях (на великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналів може призвести до розсинхронізації тактових імпульсів у тактуючій лінії та інформаційних імпульсів в основній лінії біт даних буде або пропущено, або раховано повторно).

В даний час синхронізація передавача і приймача в мережах досягається застосуванням кодів, що самосинхронізують (СК). Кодування даних за допомогою СК полягає в тому, щоб забезпечити регулярні та часті зміни (переходи) рівнів інформаційного сигналу в каналі. Кожен перехід рівня сигналу від високого до низького або навпаки використовується для підстроювання приймача. Найкращими вважаються такі СК, які забезпечують перехід рівня сигналу не менше одного разу протягом інтервалу часу, необхідного на прийом одного інформаційного біта. Чим частіше переходи рівня сигналу, тим надійніше здійснюється синхронізація приймача і впевненіше проводиться ідентифікація бітів даних, що приймаються.

Зазначені вимоги до способів цифрового кодування дискретної інформації є певною мірою взаємно суперечливими, тому кожен із способів кодування, що розглядаються нижче, має свої переваги і недоліки в порівнянні з іншими.

Самосинхронізуючі коди. Найбільш поширеними є такі СК:

Потенційний код без повернення до нуля (NRZ – Non Return to Zero);

Біполярний імпульсний код (RZ-код);

Манчестерський код;

Біполярний код із почерговою інверсією рівня.

На рис. 32 представлені схеми кодування повідомлення 0101100 за допомогою цих СК.

Для характеристики та порівняльної оцінки СК використовуються такі показники:

рівень (якість) синхронізації;

Надійність (впевненість) розпізнавання та виділення прийнятих інформаційних бітів;

Необхідна швидкість зміни рівня сигналу лінії зв'язку при використанні СК, якщо пропускна здатність лінії задана;

Складність (і, отже, вартість) устаткування, що реалізує СК.

NRZ-код відрізняється простотою кодування та низькою вартістю реалізації. Таку назву він отримав тому, що при передачі серій однойменних бітів (одиниць або нулів) сигнал не повертається на нуль протягом такту, як це має місце в інших способах кодування. Рівень сигналу залишається незмінним кожної серії, що значно знижує якість синхронізації і надійність розпізнавання прийнятих бітів (може відбутися неузгодженість таймера приймача стосовно надходить сигналу і невчасне опитування ліній).

Для Ы^-коду мають місце співвідношення

де VI - швидкість зміни рівня сигналу лінії зв'язку (бод);

У2 - пропускна спроможність лінії зв'язку (біт/с).

Крім того, що цей код не має властивості самосинхронізації, у нього є й інший серйозний недолік: наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих серій одиниць або нулів. Внаслідок цього код NRZ у чистому вигляді у мережах не використовується. Застосовуються його різні модифікації, у яких усувають погану самосинхронізацію коду та наявність постійної складової.

RZ-код, або біполярний імпульсний код (код з поверненням до нуля), відрізняється тим, що за час передачі одного інформаційного біта рівень сигналу змінюється двічі незалежно від того, чи передаються серії однойменних бітів або бітів, що по черзі змінюються. Одиниця представлена ​​імпульсом однієї полярності, а нуль – іншою. Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючі властивості, але вартість його реалізації досить висока, оскільки необхідно забезпечити співвідношення

Спектр у RZ-коду ширший, ніж у потенційних кодів. Через дуже широкий спектр він використовується рідко.

Манчестерський код забезпечує зміну рівня сигналу при поданні кожного біта, а передачі серій однойменних бітів - подвійне зміна. Кожен такт поділяється на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються у середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль зворотним перепадом. Співвідношення швидкостей для цього коду таке:

Манчестерський код має хороші самосинхронізуючі властивості, так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних. Його смуга пропускання вже, ніж у RZ-коду (в середньому у півтора рази). На відміну від біполярного імпульсного коду, де передачі даних використовуються три рівня сигналу (що іноді дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях стійко розпізнаються лише два стану - світло і темрява), в манчестерському коді - два рівні.

Манчестерський код широко застосовується в технологіях Ethernet та Token Ring.

Біполярний код із почерговою інверсією рівня (код AMI) є однією з модифікацій коду NRZ. У ньому використовуються три рівні потенціалу – негативний, нульовий та позитивний. Одиниця кодується або позитивним потенціалом або негативним. Для кодування нуля використовується нульовий потенціал. Код має хороші синхронізуючі властивості при передачі серій одиниць, оскільки потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої. Під час передачі серій нулів синхронізація відсутня. Код AMI порівняно простий у реалізації. Для нього

При передачі різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI призводить до більш вузького спектра сигналу, ніж для коду NRZ, а отже, і більш високої пропускної здатності лінії.

Зауважимо, що покращені потенційні коди (модернізовані манчестерський код і код AMI) мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, наприклад FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Дискретна модуляція аналогових сигналів Як зазначалося, однією з тенденцій розвитку сучасних комп'ютерних мереж є їх цифровізація, т. е. передача у цифровій формі сигналів будь-якої природи. Джерелами цих сигналів можуть бути комп'ютери (для дискретних даних) або такі пристрої, як телефони, відеокамери, відео та звуковідтворююча апаратура (для аналогових даних). Донедавна (до появи цифрових мереж зв'язку) в територіальних мережах всі типи даних передавалися в аналоговій формі, причому дискретні за своїм характером комп'ютерні дані за допомогою модемів перетворювалися на аналогову форму.

Однак передача інформації в аналоговій формі не дозволяє поліпшити якість даних, якщо мало місце їх суттєве спотворення при передачі. Тому на зміну аналогової техніки запису і передачі звуку і зображення прийшла цифрова техніка, яка використовує дискретну модуляцію аналогових сигналів.

Дискретна модуляція полягає в дискретизації безперервних сигналів як у амплітуді, і за часом. Одним із широко поширених методів перетворення аналогових сигналів на цифрові є імпульсно-кодова модуляція (ІКМ), запропонована в 1938 р. А.Х. Рівсом (США).

При використанні ІКМ процес перетворення включає три етапи: відображення, квантування та кодування (рис. 33).

Перший етап – відображення. Амплітуда вихідного безперервного сигналу вимірюється із заданим періодом, за рахунок чого відбувається дискретизація за часом. На цьому етапі аналоговий сигнал перетворюється на сигнали імпульсно-амплітудної модуляції (ІАМ). Виконання етапу базується на теорії відображення Найквіста-Котельникова, основне положення якої свідчить: якщо аналоговий сигнал відображається (тобто представляється у вигляді послідовності її дискретних за часом значень) на регулярному інтервалі з частотою не менше ніж у два рази вище за частоту найвищої гармоніки спектра вихідного безперервного сигналу, відображення міститиме інформацію, достатню для відновлення вихідного сигналу. В аналоговій телефонії для передачі голосу вибрано діапазон від 300 до 3400 Гц, який достатній для якісної передачі всіх основних гармонік співрозмовників. Тому в цифрових мережах, де для передачі голосу реалізується метод ІКМ, прийнято частоту відображення, що дорівнює 8000 Гц (це більше 6800 Гц, що забезпечує деякий запас якості).

На етапі квантування кожному сигналу ІАМ надається квантоване значення, що відповідає найближчому рівню квантування. Весь діапазон зміни амплітуди сигналів ІАМ розбивається на 128 чи 256 рівнів квантування. Чим більше рівнів квантування, тим точніше амплітуда ІАМ - сигналу є квантованим рівнем.

На етапі кодування кожному квантованому відображенню ставиться у відповідність 7-розрядний (якщо число рівнів квантування дорівнює 128) або 8-розрядний (при 256-кроковому квантуванні) двійковий код. На рис. 33 показані сигнали 8-елементного двійкового коду 00101011, що відповідає квантованому сигналу з рівнем 43. При кодуванні 7-елементними кодами швидкість передачі даних по каналу повинна становити 56 Кбіт/с (це добуток частоти відображення на розрядність двійкового коду), а при кодуванні елементними кодами – 64 Кбіт/с. Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт/с, який також називається елементарним каналом цифрових телефонних мереж.

Пристрій, який виконує зазначені етапи перетворення аналогової величини цифровий код, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). На приймальній стороні за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) здійснюється зворотне перетворення, тобто проводиться демодуляція оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлення початкової безперервної функції часу.

У сучасних цифрових мережах зв'язку використовуються інші методи дискретної модуляції, що дозволяють представити виміри голосу в більш компактній формі, наприклад, у вигляді послідовності 4-розрядних чисел. Використовується і така концепція перетворення аналогових сигналів у цифрові, при якій квантуються і потім кодуються не самі сигнали ІАМ, а лише їх зміни, причому кількість рівнів квантування приймається таким самим. Очевидно, що така концепція дозволяє перетворювати сигнали з більшою точністю.

Цифрові методи запису, відтворення та передачі аналогової інформації забезпечують можливість контролю достовірності зчитаних із носія або отриманих по лінії зв'язку даних. З цією метою застосовуються самі методи контролю, як і для комп'ютерних даних (див. п. 4.9).

Передача безперервного сигналу дискретному вигляді пред'являє жорсткі вимоги до синхронізації приймача. У разі недотримання синхронності вихідний сигнал відновлюється неправильно, що призводить до спотворень голосу або зображення, що передається. Якщо кадри із вимірами голосу (або іншої аналогової величини) будуть прибувати синхронно, то якість голосу може бути досить високою. Однак у комп'ютерних мережах кадри можуть затримуватися як і кінцевих вузлах, і у проміжних комутаційних пристроях (містах, комутаторах, маршрутизаторах), що негативно позначається якості передачі голосу. Тому для якісної передачі оцифрованих безперервних сигналів використовуються спеціальні цифрові мережі (ISDN, ATM, мережі цифрового телебачення), хоча для передачі внутрішньокорпоративних телефонних розмові сьогодні застосовуються мережі Frame Relay, оскільки затримки передачі кадрів у них перебувають у допустимих межах.

Інформація, що передається по лінії зв'язку, зазвичай піддається спеціальному кодуванню, яке сприяє підвищенню надійності передачі. При цьому неминучі додаткові апаратурні витрати на кодування та декодування та збільшується вартість адаптерів мережі.

Кодування інформації, що передається по мережі, має відношення до співвідношення максимально допустимої швидкості передачі і пропускної здатності середовища передачі. Наприклад, при різних кодах гранична швидкість передачі по тому самому кабелю може відрізнятися в два рази. Від вибраного коду залежить також складність мережевої апаратури і надійність передачі інформації.

Для передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовується два способи фізичного кодування вихідних дискретних даних - на основі несучого синусоїдального сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називають аналоговою модуляцією,т.к. кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу (амплітуди, фази, частоти). Другий спосіб називають цифровим кодуванням. В даний час дані, що мають аналогову форму (мова, телевізійне зображення) передаються каналами зв'язку в дискретному вигляді. Процес подання аналогової інформації у дискретній формі називають дискретною модуляцією.

5.1Аналогова модуляція

Подання дискретних даних у вигляді синусоїдального сигналу називається аналоговою модуляцією. Аналогова модуляція дозволяє представити інформацію, як синусоїдальний сигнал з різними рівнями амплітуди, фази або частоти. Можна використовувати також комбінації параметрів, що змінюються - амплітуда і частота, амплітуда-фаза. Наприклад, якщо сформувати синусоїдальний сигнал з чотирма рівнями амплітуди та чотирма рівнями частоти, це дасть 16 станів інформаційного параметра, і означає 4 біта інформації за одну його зміну.

Розрізняють три основні способи аналогової модуляції:

амплітудна,

частотна,

Амплітудна модуляція. (АМ)При амплітудній модуляції для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а логічного нуля – інший (див. рис. 5.1). Частота сигналу залишається незмінною. Цей спосіб рідко використовуються в чистому вигляді на практиці через низьку стійкість до перешкод, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазової модуляцією.

Мал. 5.1 Різні типимодуляції

Частотна модуляція. ( ЧС) При частотній модуляції значення логічного 0 та логічної 1 вихідних даних передають синусоїдами з різною частотою – f 1 та f 2 (див. рис. 5.1). Амплітуда сигналу залишається постійною. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем в модемах і зазвичай застосовується в модемах низькошвидкісних.

Фазова модуляція. (ФМ)При фазовій модуляції значенням логічних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою (перевернені), наприклад, 0 і 180 градусів або 0,90,180 і 270 градусів. Результуючий сигнал схожий на послідовність перевернених синусоїд (див. рис. 5.1). Амплітуда та частота сигналу залишаються постійними.

Для збільшення швидкості передачі (підвищення кількості біт за такт інформаційного параметра) використовуються комбіновані методи модуляції. Найбільш поширені методи квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Ці методи використовують таке поєднання - фазова модуляція з 8 значеннями величин зсуву фази та амплітудна модуляція з 4 рівнями амплітуди. При такому способі можливо 32 комбінації сигналу. І хоч використовуються далеко не всі, але все одно швидкість суттєво підвищується, а за рахунок надмірності можна контролювати помилки під час передачі даних. Наприклад, у деяких кодах допустимі лише 6,7 або 8 комбінацій для представлення вихідних даних, а інші комбінації є забороненими. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, що є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах, особливо комутованих, дуже значні за амплітудою і тривалі за часом.

Визначимо на яких лініях може працювати аналогова модуляція, і в якій мірі цей метод задовольняє пропускну здатність тієї чи іншої лінії передачі, що використовується, для чого розглянемо спектр результуючих сигналів. Наприклад, візьмемо спосіб амплітудної модуляції. Спектр результуючого сигналу при амплітудній модуляції складатиметься із синусоїди несучої частоти f зі двох бічних гармонік:

(f з - f m ) і (f з + f m ), де f m- частота модуляції (зміни інформаційного параметра синусоїди), яка співпадатиме зі швидкістю передачі даних, якщо використовувати два рівні амплітуди.

Мал. 5.2 Спектр сигналу під час амплітудної модуляції

Частота f mвизначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектра сигналу буде також невеликою (рівною 2f mдив. рис.5.2), тому сигнали не спотворюватимуться лінією, якщо її смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2f m .

Таким чином, при амплітудній модуляції результуючий сигнал має вузький спектр.

При фазової і частотної модуляції спектр сигналу виходить складнішим, ніж при амплітудної модуляції, так як бічних гармонік тут утворюється більше двох, але вони також симетрично розташовані щодо основної несучої частоти, а їх амплітуди швидко зменшуються. Тому ці види модуляції також добре підходять передачі даних лініях з вузькими смугами пропускання. Типовим представником таких ліній є канал тональної частоти, який надається користувачам громадських телефонних мереж.

З типової амплітудно-частотної характеристики каналу тональної частоти видно, що цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, і таким чином його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц (див. рис. 5.3).

Мал. 5.3 АЧХ каналу тональної частоти

Хоча людський голос має набагато ширший спектр - приблизно від 100 Гц до 10 кГц, - для прийнятної якості передачі мовлення діапазон 3100 Гц є гарним рішенням. Суворе обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів телефонних мереж.

Таким чином, для каналу тональної частоти амплітудна модуляція забезпечує швидкість передачі не більше 3100/2=1550біт/с. Якщо використовувати кілька рівнів інформаційного параметра (4 рівні амплітуди), то пропускна здатність каналу тональної частоти підвищується вдвічі.

Найчастіше аналогове кодування використовується при передачі інформації по каналу з вузькою смугою пропускання, наприклад, телефонним лініяму глобальних мережах. У локальних мережах воно застосовується рідко через високу складність та вартість як кодуючого, так і декодуючого обладнання.

В даний час практично все обладнання, що працює з аналоговими сигналами, розробляється на базі дорогих мікросхем. DSP (Digital Signal Procerssor). При цьому після модуляції та передачі сигналу потрібно проводити демодуляцію при прийомі, а це знову дороге обладнання. Для виконання функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні та демодуляції на приймальній стороні, використовується спеціальний пристрій, який так і називається модем (модулятор-демодулятор). Модем на 56000 біт/с коштує 100$, а мережева картана 100 Мбіт/с коштує 10 $.

У висновку наведемо переваги та недоліки аналогової модуляції.

Аналогова модуляція має багато різноманітних інформаційних параметрів: амплітуда, фаза, частота. Кожен з цих параметрів може приймати кілька станів за одну зміну сигналу, що несе. Отже, результуючий сигнал може передавати велику кількість біт за секунду.

Аналогова модуляція забезпечує результуючий сигнал із вузьким спектром, і тому вона хороша там, де потрібно працювати на поганих лініях (з вузькою смугою пропускання), вона здатна забезпечувати там високою швидкістю передачі. Аналогова модуляція здатна працювати і на хороших лініях, тут особливо важлива ще одна перевага аналогової модуляції - можливість зрушувати спектр в потрібну область, залежно від смуги пропускання лінії, що використовується.

Аналогова модуляція складно реалізується та обладнання, яке займається цим дуже дорогим.

Аналогова модуляція застосовується там, де без неї не можна обійтися, але в локальних мережах використовують інші методи кодування, для реалізації яких потрібне просте та дешеве обладнання. Тому найчастіше в локальних мережах при передачі даних в лініях зв'язку використовується другий метод фізичного кодування - цифрове кодування.

5. 2. Цифрове кодування

Цифрове кодування- Подання інформації прямокутними імпульсами. Для цифрового кодування використовують потенційніі імпульснікоди.

Потенційні кодиУ потенційних кодах уявлення логічних одиниць і нулів використовуються лише значення потенціалу сигналу під час такту, яке перепади, формують закінчені імпульси, до уваги не принимаются. Важливо лише яке значення під час такту має результуючий сигнал.

Імпульсні коди.Імпульсні коди представляють логічний нуль і логічну одиницю чи імпульсами певної полярності, чи частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напрями. Значення імпульсного коду включається весь імпульс разом з його перепадами.

Визначимо вимоги до цифрового кодування. Наприклад, нам необхідно зробити передачу дискретних даних (послідовність логічних нулів та одиниць) з виходу одного комп'ютера – джерела – до входу іншого комп'ютера – приймача по лінії зв'язку.

1. Для передачі ми маємо лінії зв'язку, які пропускають всі частоти, вони мають певні пропускні здібності залежно від свого типу. Тому при кодуванні даних потрібно враховувати, щоб закодовані дані "пропускалися" лінією зв'язку.

2. Послідовності дискретних даних необхідно закодувати як цифрових імпульсів певної частоти. При цьому, звичайно, найкраще досягти:

а) щоб частоти закодованих сигналів були низькими, щоб забезпечувати в загальному випадку відповідність смуг пропускання ліній зв'язку.

б) щоб закодовані сигнали забезпечували високу швидкістьпередачі.

Таким чином, гарний кодповинен мати менше Герц і більше біт за секунду.

3. Дані, які необхідно передавати - це послідовності логічних нулів і одиниць, що непередбачено змінюються.

Нехай ми певним способом закодуємо ці дані цифровими імпульсами, то як визначити яка частота у результуючого сигналу? Для того, щоб визначити нам максимальну частоту цифрового коду, достатньо розглянути результуючий сигнал при кодуванні приватних послідовностей таких як:

послідовність логічних нулів

послідовність логічних одиниць

послідовність логічних нулів і одиниць, що чергується

Далі необхідно розкласти сигнал методом Фур'є, знайти спектр, визначити частоти кожної гармоніки і знайти сумарну частоту сигналу, при цьому важливо, щоб основний спектр сигналу потрапляв у смугу пропускання лінії зв'язку. Щоб не проробляти всі ці обчислення достатньо спробувати визначити основну гармоніку спектра сигналу, для цього необхідно формою сигналу вгадати першу синусоїду, яка повторює його контур його форми, потім знайти період цієї синусоїди. Період - це відстань між двома змінами сигналу. Потім можна визначити і частоту основної гармоніки спектра сигналу як F = 1/T, де F- Частота, Т- Період сигналу. Для зручності подальших розрахунків приймемо, що бітова швидкість зміни сигналу дорівнює N.

Такі розрахунки можна здійснити для кожного методу цифрового кодування, щоб визначити частоту результуючого сигналу. Результуючий сигнал цифрового кодування - це певна послідовність прямокутних імпульсів. Щоб уявити послідовність прямокутних імпульсів у вигляді суми синусоїд для знаходження спектру, потрібна велика кількість таких синусоїд. Спектр послідовності прямокутних сигналів, у випадку, буде значно ширшим, порівняно з модульованими сигналами.

Якщо застосувати цифровий код передачі даних на каналі тональної частоти, то верхня межа при потенційному кодуванні досягається швидкості передачі даних в 971 біт/с, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц.

Тому цифрові коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються. Але вони дуже непогано працюють у локальних мережах, які використовують для передачі даних телефонні лінії.

Таким чином, цифрове кодування вимагає якісної передачі широку смугу пропускання.

4. При передачі інформації по лініях зв'язку від вузла-джерела до вузла-приймача необхідно забезпечити такий режим передачі, при якому приймач завжди точно знатиме, в який момент часу він приймає дані від джерела, тобто потрібно забезпечити синхронізаціюджерела та приймача. У мережах проблема синхронізації вирішується складніше, ніж при обміні даними між блоками всередині комп'ютера або між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій лінії зв'язку. У такій схемі інформація знімається з лінії даних лише у момент приходу тактового імпульсу (див. рис.5.4).

Мал. 5.4 Синхронізація приймача та передавача на невеликих відстанях

Такий варіант синхронізації абсолютно не підходить для будь-якої мережі через неоднорідність характеристик провідників кабелів. На великих відстанях нерівномірність швидкості поширення сигналу може призвести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або повторно лічений. Ще одна причина, через яку в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, - економія провідників у дорогих кабелях. Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються.

Самосинхронізовані коди- Сигнали, які несуть для приймача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або кількох біт, якщо код орієнтований більш ніж на два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу – так званий фронт- може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем. Прикладом коду, що самосинхронізується, може бути синусоїда. Оскільки зміна амплітуди несучої частоти дозволяє приймачеві визначити момент появи вхідного коду. Але це стосується аналогової модуляції. У цифровому кодуванні також існують методи, які створюють коди, що самосинхронізуються, але про це пізніше.

Таким чином, хороший цифровий код має забезпечувати синхронізацію

Розглянувши вимоги до хорошого цифрового коду, перейдемо до самих методів цифрового кодування.

5. 2.1 Потенційний код без повернення до нуля NRZ

Цей код отримав таку назву тому, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається на нуль протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається).

Код NRZ (Non Return to Zero)- без повернення до нуля – це найпростіший дворівневий код. Результуючий сигнал має два рівні потенціалу:

Нулю відповідає нижній рівень, одиниці – верхній. Інформаційні переходи відбуваються межі бітів.

Розглянемо три окремі випадки передачі даних кодом NRZ: послідовність нулів і одиниць, що чергується, послідовність нулів і послідовність одиниць (див. рис. 5.5,а).

Мал. 5.5 Код NRZ

Спробуємо визначити, чи задовольняє цей код переліченим вимогам. Для цього необхідно визначити основну гармоніку спектра при потенційному кодуванні в кожному з наведених випадків, щоб точніше визначити які код NRZ має вимоги до лінії зв'язку, що використовується.

Перший випадок - передається інформація, що складається з нескінченної послідовності одиниць і нулів, що чергуються (див. рис. 5.5,б).

Цей малюнок показує, що при чергуванні одиниць і нулів за один такт передаватиметься два біти 0 і 1. При формі синусоїди, показаної на рис. 4.22,б При N- бітової швидкості передачі період цієї синусоїди дорівнює T = 2N. Частота основна гармоніка в цьому випадку дорівнює f 0 = N/2.

Як видно, за такої послідовності цього коду швидкість передачі даних вдвічі перевищує частоту сигналу.

При передачі послідовностей нулів та одиниць результуючий сигнал - постійний струм частота зміни сигналу дорівнює нулю f 0 = 0 .

Спектр реального сигналу постійно змінюється залежно від того, які дані передаються лінією зв'язку і слід побоюватися передач довгих послідовностей нулів чи одиниць, які зсувають спектр сигналу убік низьких частот. Т.к. код NRZ при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць має постійну складову.

З теорії сигналів відомо, що до спектру сигналу, що передається крім вимог до ширини, висувають ще одна дуже важлива вимога - відсутність постійної складової(наявності постійного струму між приймачем і передавачем), тому що застосування різних трансформаторних розв'язоку лінії зв'язку не пропускає постійний струм.

Отже, частина інформації просто ігноруватиметься цією лінією зв'язку. Тому на практиці завжди намагаються позбутися від присутності постійної складової в спектрі несучого сигналу вже на етапі кодування.

Таким чином, ми визначили ще одну вимогу до хорошого цифрового коду цифровий код повинен мати постійної складової.

Ще одним недоліком NRZ є - відсутність синхронізації. У цьому випадку допоможуть лише додаткові методи синхронізації, про які ми поговоримо пізніше.

Однією з основних переваг коду NRZ є простота. Для того щоб згенерувати прямокутні імпульси необхідні два транзистори, а для здійснення аналогової модуляції потрібні складні мікросхеми. Потенційний сигнал не потрібно кодувати та декодувати, оскільки такий самий спосіб застосовується і для передачі даних усередині комп'ютера.

В результаті всього наведеного вище зробимо кілька висновків, які допоможуть нам і при розгляді інших методів цифрового кодування:

NRZ дуже простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціали).

NRZ має постійну складову при передачі нулів і одиниць, що унеможливлює передачі в лініях з трансформаторними розв'язками.

NRZ - код, що не самосинхронізується, і це ускладнює його передачу в будь-якій лінії.

Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, полягає у досить низькій частоті основної гармоніки fо, яка дорівнює N/2 Гц, як це було показано вище. Таким чином, код NRZпрацює на низьких частотах від 0 до N/2 Гц.

В результаті в чистому вигляді код NRZ у мережах не використовується. Тим не менш, використовуються його різні модифікації, в яких успішно усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової.

Наступні методи цифрового кодування розроблялися з метою якось покращити можливість коду NRZ

5. 2.2. Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією AMI

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)є модифікацією методу NRZ.

У цьому методі використовуються три рівні потенціалу – негативний, нульовий та позитивний. Три рівні сигналу - це недолік коду тому, щоб розрізнити три рівні необхідно найкраще співвідношеннясигнал/шум на вході до приймача. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з кількома станами сигналу в порівнянні з кодами. У коді AMI для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої.

Мал. 5.6 Код AMI

Такий прийом кодування частково ліквідує проблеми постійної складової та відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ під час передачі довгих послідовностей одиниць. Але залишається йому проблема постійної складової під час передачі послідовностей нулів (див. рис. 5.6).

Розглянемо окремі випадки роботи коду, та визначимо основну гармоніку спектра результуючого сигналу для кожного з них. При послідовності нулів – сигнал – постійний струм – fo = 0 (рис. 5.7, а)

Мал. 5.7 Визначення основних частот спектра для AMI

З цієї причини код AMI також потребує подальшого покращення. При передачі послідовності одиниць сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі, що чергуються, і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою fo = N/2 Гц.

При передачі одиниць і нулів, що чергуються, основна гармоніка fo = N/4 Гцщо вдвічі менше ніж у коду NRZ.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI призводить до вужчого спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і більш високої пропускної здатності лінії. Код AMI також надає деякі можливості розпізнавання помилкових сигналів. Так, порушення суворого чергування полярності сигналів говорить про хибний імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал із некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

Можна зробити такі висновки:

AMI ліквідує постійну складову під час передачі послідовності одиниць;

AMI має вузький спектр від N/4 - N/2;

AMI частково ліквідує проблеми синхронізації

AMI використовує не два, а три рівні сигналу на лінії, і це його недолік, але його вдалося усунути наступним методом.

5. 2.3 Потенційний код із інверсією при одиниці NRZI

Цей код повністю схожий на код AMI, але використовує лише два рівні сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, встановлений у попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний.

Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (NRZI).

Він зручний у випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стану сигналу - світло і темрява.

Мал. 5.8 Код NRZI

Код NRZI відрізняється за формою результуючого сигналу від коду AMI, але якщо обчислити основні гармоніки, для кожного випадку, то виявиться, що вони такі самі. Для послідовності одиниць і нулів, що чергуються, основна частота сигналу fо=N/4.(Див. рис. 5.9,а). Для при послідовності одиниць - fо=N/2.При послідовності нулів зберігається той самий недолік fо=0- Постійний струм у лінії.

Мал. 5.9 Визначення основних частот спектра для NRZI

Висновки такі:

NRZI - забезпечує ті ж можливості, що і код AMI, але використовує для цього лише два рівні сигналу і тому більш прийнятний для подальшого вдосконалення. Недоліки NRZI - постійна складова при послідовності нулів і відсутність синхронізації при передачі. Код NRZI став основним при розробці більш покращених методів кодування на вищих рівнях.

5. 2.4 Код MLT3

Код трирівневої передачі MLT-3 (Multi Level Transmission – 3)має багато спільного із кодом NRZI. Найважливіша його відмінність – три рівні сигналу.

Одиниці відповідає перехід із рівня сигналу в інший. Зміна рівня лінійного сигналу відбувається тільки в тому випадку, якщо на вхід надходить одиниця, однак на відміну від коду NRZI алгоритм формування обраний таким чином, щоб дві сусідні зміни завжди мали протилежні напрямки.

Мал. 5.10 Потенційний код MLT-3

Розглянемо окремі випадки, як і в усіх попередніх прикладах.

При передачі нулів сигнал має також постійну складову, сигнал не змінюється - fо = 0Гц. (Див. рис.5.10). При передачі всіх одиниць інформаційні переходи фіксуються на межі бітів, і один цикл сигналу містить чотири біти. В цьому випадку fо=N/4 Гц – максимальна частота коду MLT-3 під час передачі всіх одиниць (рис.5.11,а).

Мал. 5.11 Визначення основних частот спектра для MLT-3

У разі послідовності, що чергується, код MLT-3має максимальну частоту рівну fо=N/8, що вдвічі менше ніж у коду NRZI, отже, цей код має вужчу смугу пропускання.

Як ви помітили, недолік коду MLT-3, як і коду NRZI – відсутність синхронізації. Цю проблему вирішують за допомогою додаткового перетворення даних, яке виключає довгі послідовності нулів та можливість розсинхронізації. Загальний висновок можна зробити наступний - застосування трирівневого кодування МLТ-3дозволяє зменшити тактову частоту лінійного сигналу і цим збільшити швидкість передачі.

5. 2.5 Біполярний імпульсний код

Крім потенційних кодів використовуються і імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або його частиною - фронтом.

Найбільш простим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код, В якому одиниця представлена ​​імпульсом однієї полярності, а нуль - іншою. Кожен імпульс триває половину такту (рис. 5.12). Біполярний імпульсний код – трирівневий код. Розглянемо результуючі сигнали під час передачі даних біполярним кодуванням у тих самих окремих випадках.

Мал. 5.12 Біполярний імпульсний код

Особливістю коду і те, що у центрі біта завжди є перехід (позитивний чи негативний). Отже, кожен біт позначено. Приймач може виділити синхроімпульс (строб), що має частоту проходження імпульсів, із самого сигналу. Прив'язка проводиться до кожного біта, що забезпечує синхронізацію приймача з передавачем. Такі коди, що несуть у собі строб, і називають самосинхронізуються. Розглянемо спектр сигналів кожному за випадку (рис. 5.13). При передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду fо=N Гц, що в два рази вище за основну гармоніку коду NRZ і в чотири рази вище за основну гармоніку коду AMI. При передачі одиниць, що чергуються, і нулів - fо=N/2

Мал. 5.13 Визначення основних частот спектра для імпульсного біполярного коду.

Цей недолік коду не дає виграшу у швидкості передачі даних і явно свідчить про те, що імпульсні коди повільніші за потенційні.

Наприклад, передачі даних по лінії зі швидкістю 10 Мбіт/с потрібна частота несучого сигналу 10 МГц. При передачі послідовності нулів і одиниць, що чергуються, швидкість зростає, але не набагато, т.к частота основної гармоніки коду fо=N/2 Гц.

Біполярний імпульсний код має велику перевагу, порівняно з попередніми кодами - він самосинхронізується.

Біполярний імпульсний код має широкий спектр сигналу, і тому повільніший.

Біполярний імпульсний код використовує три рівні.

5. 2.6 Манчестерський код

Манчестерський кодбув розроблений як удосконалений біполярний імпульсний код. Манчестерський код також відноситься до кодів, що самосинхронізуються, але на відміну від біполярного коду має не три, а тільки два рівні, що забезпечує кращу помехозащищенность.

У манчестерському коді для кодування одиниць та нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт поділяється на частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються у середині кожного такту. Це відбувається так:

Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно уявити кілька одиниць чи нулів поспіль.

Розглянемо окремі випадки кодування (послідовності з нулів і одиниць, що чергуються, одних нулів, одних одиниць), а потім будемо визначати основні гармоніки для кожної з послідовностей (див. рис. 5.14). У всіх випадках можна помітити, що при манчестерському кодуванні зміна сигналу в центрі кожного біта дозволяє легко виділити синхросигнал. Тому манчестерський код і має хороші властивості, що самосинхронізуються.

Мал. 5.14 Манчестерський код

Самосинхронізація завжди дає можливість передачі великих пакетів інформації без втрат через відмінності тактової частотипередавача та приймача.

Отже, визначимо основну частоту під час передачі лише одиниць чи лише нулів.

Мал. 5.15 Визначення основних частот спектра для манчестерського коду.

Як видно при передачі як нулів, так і одиниць, постійна складова відсутня. Частота основної гармоніки fо=NГц, як і за біполярного кодування. Завдяки цьому гальванічна розв'язка сигналів лініях зв'язку може виконуватися найпростішими способами, наприклад, за допомогою імпульсних трансформаторів. При передачі одиниць і нулів, що чергуються, частота основної гармоніки дорівнює fо=N/2Гц.

Таким чином, манчестерський код це покращений біполярний код, покращений за рахунок використання для передачі даних лише двох рівнів сигналу, а не трьох, як у біполярному. Але цей код, як і раніше, залишається повільним порівняно з NRZI, який вдвічі швидше.

Розглянемо приклад. Візьмемо для передачі даних лінію зв'язку зі смугою пропускання 100 МГцта швидкістю 100 Мбіт. Якщо раніше ми визначали швидкість передачі даних при заданій частоті, тепер нам потрібно визначити частоту сигналу при заданій швидкості лінії. Виходячи з цього визначаємо, що передачі даних кодом NRZI нам достатньо діапазону частоти від N/4-N/2- це частоти від 25 -50 МГц, ці частоти входять у смугу пропускання нашої лінії - 100 МГц. Для манчестерського коду нам потрібен діапазон частот від N/2 до N – це частоти від 50 до 100 MГц, у цьому діапазоні є основні гармоніки спектру сигналу. Для Манчестера він не задовольняє смузі пропускання нашої лінії, і, отже, такий сигнал лінія буде передавати з великими спотвореннями (такий код не можна використовувати на цій лінії).

5.2.7Диференціальний Манчестерський (Differential Manchester) код.

Диференціальний манчестерський кодє різновидом манчестерського кодування. Середину тактового інтервалу лінійного сигналу він використовує тільки для синхронізації, і завжди відбувається зміна рівня сигналу. Логічні 0 та 1 передаються наявністю або відсутністю зміни рівня сигналу на початку тактового інтервалу відповідно (Рис. 5.16)

Мал. 5.16 Диференційний манчестерський код

Цей код має ті самі переваги і недоліки, що і манчестерський. Проте, практично використовується саме диференціальний манчестерський код.

Таким чином, манчестерський код раніше (коли високошвидкісні лінії були великою розкішшю для локальної мережі) дуже активно використовувався в локальних мережах через свою самосинхронізацію та відсутність постійної складової. Він і зараз знаходить широке застосування в оптоволоконних та електропровідних мережах. Однак останнім часом розробники дійшли висновку, що краще все-таки застосовувати потенційне кодування, ліквідуючи його недоліки за допомогою засобів так званого логічного кодування.

5.2.8Потенційний код 2B1Q

Код 2B1Q- Потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Його назва відображає його суть - кожні два біти (2В)передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q).

Парі біт 00 відповідає потенціал (-2,5 В), парі біт 01 відповідає потенціал (-0,833 В), парі 11 - потенціал (+0,833 В), а парі 10 - потенціал ( +2,5 В).

Мал. 5.17 Потенційний код 2B1Q

Як видно на малюнку 5.17, цей спосіб кодування вимагає додаткових заходів боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. Отже, при передачі як нулів, так і одиниць fо=0Гц.При чергуванні одиниць та нулів спектр сигналу вдвічі вже, ніж у коду NRZ, тому що при тій же бітовій швидкості тривалість такту збільшується вдвічі - fо=N/4Гц.

Таким чином, за допомогою коду 2B1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі швидше, ніж за допомогою AMI коду або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача повинна бути вищою, щоб чотири рівні потенціалу (-2,5, -0,833, +0,833, +2,5) чітко відрізнялися приймачем на тлі перешкод.

5. 2.9 Код PAM5

Усі розглянуті нами вище схеми кодування сигналів були бітові. При бітовому кодуванні кожному біту відповідає значення сигналу, що визначається логікою протоколу.

При байтовому кодуванні рівень сигналу задають два біти і більше. У п'ятирівневому коді PAM 5використовується 5 рівнів напруги (амплітуди) та двобітове кодування. Для кожної комбінації задається рівень напруги. При двобітовому кодуванні для передачі інформації необхідно чотири рівні (два в другому ступені - 00, 01, 10, 11 ). Передача двох біт одночасно забезпечує зменшення в два рази частоти зміни сигналу. П'ятий рівень додано для створення надмірності коду, який використовується для виправлення помилок. Це дає додатковий резерв співвідношення сигнал/шум.

Мал. 5.18 Код PAM 5

5. 3. Логічне кодування

Логічне кодування виконується до фізичного кодування.

На етапі логічного кодування вже не формується форма сигналів, а усуваються недоліки методів фізичного цифрового кодування, таких як відсутність синхронізації, наявність постійної складової. Таким чином, спочатку за допомогою засобів логічного кодування формуються виправлені послідовності двійкових даних, які потім за допомогою методів фізичного кодування передаються лініями зв'язку.

Логічне кодування має на увазі заміну біт вихідної інформації новою послідовністю біт, що несе ту ж інформацію, але має, крім цього, додатковими властивостями, наприклад можливістю для приймальної сторони виявляти помилки в прийнятих даних. Супровід кожного байта вихідної інформації одним бітом парності - це приклад часто застосовуваного способу логічного кодування при передачі даних за допомогою модемів.

Поділяють два методи логічного кодування:

Надлишкові коди

Скремблювання.

5. 3.1 Надлишкові коди

Надлишкові кодизасновані на розбиття вихідної послідовності бітів на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більше біт, ніж вихідний. Явний приклад надлишкового коду – логічний код 4В/5В.

Логічний код 4В/5В замінює вихідні символи довжиною 4 біта на символи довжиною 5 біт. Так як результуючі символи містять надлишкові біти, то загальна кількість бітових комбінацій у них більша, ніж у вихідних. Таким чином, п'яти-бітова схема дає 32 (25) дворозрядних буквено-цифрових символу, що мають значення в десятковому коді від 00 до 31. У той час як вихідні дані можуть містити тільки чотири біти або 16 (24) символів.

Тому в результуючому коді можна підібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а решту вважати забороненими кодами (code violation).У цьому випадку довгі послідовності нулів перериваються, і код стає самосинхронізується для будь-яких даних. Зникає також постійна складова, отже, ще більше звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну спроможність лінії, так як надлишкові одиниці користувальницької інформації не несуть, і лише "займають ефірний час". Надлишкові коди дозволяють приймачеві розпізнавати перекручені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, отже, лінії сталося спотворення сигналу.

Отже, розглянемо роботу логічного коду 4В/5В. Перетворений сигнал має 16 значень для передачі інформації та 16 надлишкових значень. У декодері приймача п'ять бітів розшифровуються як інформаційні та службові сигнали.

Для службових сигналів відведено дев'ять символів, сім символів – виключено.

Виключено комбінації, що мають більше трьох нулів (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Такі сигнали інтерпретуються символом Vта командою приймача VIOLATION- Збій. Команда означає наявність помилки через високий рівень перешкод чи збою передавача. Єдина комбінація із п'яти нулів (00 - 00000 ) відноситься до службових сигналів, означає символ Qі має статус QUIET- Відсутність сигналу в лінії.

Таке кодування даних вирішує дві задачі - синхронізації та покращення завадостійкості. Синхронізація відбувається за рахунок виключення послідовності більше трьох нулів, а висока стійкість до перешкод досягається приймачем даних на п'яти-бітовому інтервалі.

Ціна за ці переваги за такого способу кодування даних - зниження швидкості передачі корисної інформації. Наприклад, в результаті додавання одного надлишкового біта на чотири інформаційних, ефективність використання смуги частот у протоколах з кодом MLT-3та кодуванням даних 4B/5Bзменшується відповідно на 25%.

Схема кодування 4В/5Впредставлена ​​у таблиці.

Отже, відповідно до цієї таблиці формується код 4В/5Впотім передається по лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів - наприклад, за допомогою цифрового коду NRZI.

Символи коду 4В/5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їх поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів поспіль.

Літера Уу назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани - від англійської binary- Двійковий. Є також коди з трьома станами сигналу, наприклад, в коді 8В/6Тдля кодування 8 біт вихідної інформації використовується код із 6 сигналів, кожен з яких має три стани. Надмірність коду 8В/6Твище, ніж коду 4В/5В, Так як на 256 вихідних кодів припадає 36 = 729 результуючих символів.

Як ми говорили, логічне кодування відбувається до фізичного, отже, його здійснюють обладнання канального рівня мережі: мережеві адаптери та інтерфейсні блоки комутаторів та маршрутизаторів. Оскільки, як ви переконалися, використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому метод логічного кодування надлишковими кодами не ускладнює функціональні вимоги до цього устаткування.

Єдина вимога - для забезпечення заданої пропускної спроможності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною частотою тактовою. Так, для передачі кодів 4В/5Взі швидкістю 100 Мб/спередавач повинен працювати з тактовою частотою 125 МГц. При цьому спектр сигналу лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надлишковий код. Проте спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача та передавача на підвищеній тактовій частоті.

Таким чином, можна зробити наступний висновок:

В основному для локальних мережпростіше, надійніше, якісніше, швидше - використовувати логічне кодування даних за допомогою надлишкових кодів, яке усуне тривалі послідовності нулів і забезпечить синхронізацію сигналу, потім фізично використовувати для передачі швидкий цифровий код NRZI, ніж без попереднього логічного кодування використовувати для передачі даних повільний, але самосинхронізований манчестерський код.

Наприклад, для передачі даних по лінії з пропускною здатністю 100М біт/с та смужкою пропускання 100 МГц, кодом NRZI необхідні частоти 25 - 50 МГц, це без кодування 4В/5В. А якщо застосувати для NRZIще й кодування 4В/5В, то тепер смуга частот розшириться від 3125 до 625 МГц. Проте цей діапазон ще "влазить" у смугу пропускання лінії. А для манчестерського коду без застосування будь-якого додаткового кодування необхідні частоти від 50 до 100 МГц, і це частоти основного сигналу, але вони вже не пропускатимуть лінію на 100 МГц.

5. 3.2 Скремблювання

Інший метод логічного кодування заснований на попередньому "перемішуванні" вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць та нулів на лінії ставала близькою.

Пристрої або блоки, що виконують таку операцію, називаються скремблерами (scramble - звалище, безладне складання).

При скремблюваннядані перемішуються за певним алгоритмом та приймач, отримавши двійкові дані, передає їх на дескремблерщо відновлює вихідну послідовність біт.

Надлишкові біти при цьому по лінії не передаються.

Суть скремблювання полягає просто в побитном зміні потоку даних, що проходить через систему. Практично єдиною операцією, яка використовується в скремблерах є XOR - "побитне що виключає АБО", або ще кажуть - додавання по модулю 2. При складанні двох одиниць виключає АБО відкидається старша одиниця і результат записується - 0.

Метод скремблювання дуже простий. Спочатку вигадують скремблер. Тобто вигадують за яким співвідношенням перемішувати біти у вихідній послідовності за допомогою "що виключає АБО". Потім згідно з цим співвідношенням з поточної послідовності біт вибираються значення певних розрядів і складаються по XORміж собою. При цьому всі розряди зсуваються на 1 біт, а щойно отримане значення ("0" або "1") поміщається в наймолодший розряд, що звільнився. Значення, що знаходилося в найстаршому розряді до зсуву, додається в послідовність, що кодує, стаючи черговим її бітом. Потім ця послідовність видається у лінію, де за допомогою методів фізичного кодування передається до вузла-отримувача, на вході якого ця послідовність дескремблується на основі зворотного відношення.

Наприклад, скремблер може реалізовувати таке співвідношення:

де Bi- двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-му такті роботи скремблера, Ai- двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-му такті на вхід скремблера, B i-3 та B i-5- двійкові цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і 5 тактів раніше поточного такту, - операція виключає АБО (додавання за модулем 2).

Тепер давайте визначимо закодовану послідовність, наприклад, для такої вихідної послідовності 110110000001 .

Скремблер, визначений вище, дасть наступний результуючий код:

B 1 = А 1 = 1 (перші три цифри результуючого коду збігатимуться з вихідним, оскільки ще немає потрібних попередніх цифр)

Таким чином, на виході скремблера з'явиться послідовність 110001101111 . В якій немає послідовності з шести нулів, що була присутня у вихідному коді.

Після отримання результуючої послідовності приймач передає її дескремблеру, який відновлює вихідну послідовність на підставі зворотного співвідношення.

Існують інші різні алгоритми скремблювання, вони відрізняються кількістю доданків, що дають цифру результуючого коду, та зсувом між доданками.

Головна проблема кодування на основі скремблерів - синхронізація передавального (кодуючого) та приймаючого (декодуючого) пристроїв. При пропуску або помилковому вставленні хоча б одного біта вся інформація, що передається, незворотно втрачається. Тому в системах кодування на основі скремблерів дуже багато уваги приділяється методам синхронізації. .

Насправді для цих цілей зазвичай застосовується комбінація двох методів:

а) додавання в потік інформації синхронізуючих бітів, заздалегідь відомих приймальній стороні, що дозволяє їй при незнаходженні такого біта активно розпочати пошук синхронізації з відправником,

б) використання високоточних генераторів тимчасових імпульсів, що дозволяє в моменти втрати синхронізації проводити декодування бітів інформації, що приймаються, "по пам'яті" без синхронізації.

Існують і більше прості методиборотьби з послідовностями одиниць, що також відносяться до класу скремблювання.

Для покращення коду Bipolar AMIвикористовуються два методи, що ґрунтуються на штучному спотворенні послідовності нулів забороненими символами.

Мал. 5. 19 Коди B8ZS та HDB3

На цьому малюнку показано використання методу B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution)та методу HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros)коригування коду AMI. Вихідний код складається з двох довгих послідовностей нулів (8 - у першому випадку і 5 у другому).

Код B8ZSвиправляє лише послідовності, що складаються з 8 нулів. Для цього він після перших трьох нулів замість п'яти нулів, що залишилися, вставляє п'ять цифр: V-1*-0-V-1*.Vтут означає сигнал одиниці, забороненої для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1 * - Сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки зазначає той факт, що у вихідному коді в цьому такті була не одиниця, а нуль. В результаті на 8 тактах приймач спостерігає 2 спотворення - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії або інші збої передачі. Тому приймач вважає такі порушення кодуванням 8 послідовних нулів та після прийому замінює їх на вихідні 8 нулів.

Код B8ZS побудований так, що його постійна складова дорівнює нулю за будь-яких послідовностей двійкових цифр.

Код HDB3виправляє будь-які 4 поспіль йдуть нуля у вихідній послідовності. Правила формування коду HDB3 складніші, ніж коду B8ZS. Кожні чотири нулі замінюються чотирма сигналами, у яких є один сигнал V. Для придушення постійної складової полярність сигналу Vчергується під час послідовних замін.

Крім того, для заміни використовуються два зразки чотиритактових кодів. Якщо перед заміною вихідний кодмістив непарне число одиниць, то використовується послідовність 000Vа якщо число одиниць було парним - послідовність 1*00V.

Таким чином, застосування логічне кодування спільно з потенційним кодуванням дає такі переваги:

Покращені потенційні коди мають досить вузьку смугу пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в даних, що передаються. В результаті коди, отримані з потенційного шляхом логічного кодування, мають вужчий спектр, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті.

Фізичнийрівень займається реальною передачею необроблених бітів по

канал зв'язку.

Пересилання даних у обчислювальних мережах від одного комп'ютера до іншого здійснюється послідовно, біт за бітом. Фізично біти даних передаються каналами передачі у вигляді аналогових чи цифрових сигналів.

Сукупність засобів (ліній зв'язку, апаратури передачі та прийому даних), що служить для передачі даних у обчислювальних мережах, називається каналом передачі даних. Залежно від форми інформації, що передається, передачі даних можна розділити на аналогові (безперервні) і цифрові (дискретні).

Так як апаратура передачі та прийому даних працює з даними в дискретному вигляді (тобто одиницям та нулям даних відповідають дискретні електричні сигнали), то при їх передачі через аналоговий каналпотрібно перетворення дискретних даних на аналогові (модуляція).

При прийомі таких аналогових даних потрібне зворотне перетворення – демодуляція. Модуляція/демодуляція – процеси перетворення цифрової інформаціїв аналогові сигнали та навпаки. При модуляції інформація представляється синусоїдальним сигналом частоти, яку добре передає канал передачі даних.

До способів модуляції відносяться:

· Амплітудна модуляція;

· Частотна модуляція;

· Фазова модуляція.

При передачі дискретних сигналів через цифровий канал передачі використовується кодування:

· Потенційне;

· Імпульсне.

Таким чином, потенційне або імпульсне кодування застосовується на каналах високої якості, а модуляція на основі синусоїдальних сигналів краще в тих випадках, коли канал вносить сильні спотворення передаються сигнали.

Зазвичай модуляція використовується в глобальних мережах при передачі даних через аналогові телефонні канали зв'язку, розроблені для передачі голосу в аналоговій формі і тому погано підходять для безпосередньої передачі імпульсів.

Залежно від способів синхронізації канали передачі даних обчислювальних мереж можна розділити на синхронні та асинхронні. Синхронізація необхідна для того, щоб передавальний вузол даних міг передати якийсь сигнал приймаючому вузлу, щоб приймаючий вузол знав, коли почати прийом даних, що надходять.

Синхронна передача даних вимагає додаткової лінії зв'язку передачі синхронізуючих імпульсів. Передача бітів передавальної станцією та їх прийом приймаючої станцією здійснюється у моменти появи синхроімпульсів.

Під час асинхронної передачі даних додаткової лінії зв'язку не потрібно. І тут передача даних здійснюється блоками фіксованої довжини (байтами). Синхронізація здійснюється додатковими бітами (старт-бітами і стоп-бітами), які передаються перед байтом і після нього.

При обміні даними між вузлами обчислювальних мереж використовуються три методи передачі:

симплексна (односпрямована) передача (телебачення, радіо);

напівдуплексна (прийом/передача інформації здійснюється по черзі);

дуплексна (двонаправлена), кожен вузол одночасно передає та приймає дані (наприклад, переговори по телефону).