Тема 2. Фізичний рівень

План

Теоретичні основи передачі

Інформація може передаватися по проводах за рахунок зміни будь-якої фізичної величини, наприклад, напруги або сили струму. Представивши значення напруги чи сили струму як однозначної функції часу, можна змоделювати поведінка сигналу і піддати його математичного аналізу.

Ряди Фур'є

На початку XIX століття французький математик Жан-Батіст Фур'є (JeanBaptiste Fourier) довів, що будь-яка періодична функція з періодом Т може бути розкладена в ряд (можливо, нескінченний), що складається із сум синусів та косінусів:
(2.1)
де - основна частота (гармоніка), і - амплітуди синусів та косінусів n-ї гармоніки, а з - константа. Подібне розкладання називається поряд Фур'є. Розкладена ряд Фур'є функція може бути відновлена ​​за елементами цього ряду, тобто якщо період T і амплітуди гармонік відомі, то вихідна функція може бути відновлена ​​за допомогою суми ряду (2.1).
Інформаційний сигнал, що має кінцеву тривалість (усі інформаційні сигнали мають кінцеву тривалість), може бути розкладений у ряд Фур'є, якщо уявити, що весь сигнал нескінченно повторюється знову і знову (тобто інтервал від Т до 2Т повністю повторює інтервал від 0 до Т, т. д.).
Амплітуди можуть бути обчислені для будь-якої заданої функції. Для цього потрібно помножити ліву та праву сторони рівняння (2.1) на а потім проінтегрувати від 0 до Т. Оскільки:
(2.2)
залишається лише один член ряду. Ряд зникає повністю. Аналогічно, помножуючи рівняння (2.1) і інтегруючи за часом від 0 до Т, можна обчислити значення. Якщо проінтегрувати обидві частини рівняння, не змінюючи його, можна отримати значення константи з. Результати цих дій будуть такими:
(2.3.)

Керовані носії інформації

Призначенням фізичного рівня мережі є необробленого потоку бітів від однієї машини до іншої. Для передачі можна використовувати різні фізичні носії інформації, звані також середовищем поширення сигналу. Кожен з них має характерний набір смуг пропускання, затримок, цін та простоти встановлення та використання. Носії можна розділити на дві групи: керовані носії, такі як мідний провід і оптоволоконний кабель, і некеровані, наприклад радіозв'язок та передача лазерного променя без кабелю.

Магнітні носії

Один з найбільш простих способівперенести дані з одного комп'ютера на інший - записати їх на магнітну стрічку або інший знімний носій (наприклад, DVD, що перезаписується), фізично перенести ці стрічки і диски до пункту призначення і там прочитати їх.
Висока пропускна здатність. Стандартна касета зі стрічкою Ultrium містить 200 Гбайт. У коробку розміром 60x60x60 міститься близько 1000 таких касет, що дає загальну ємність 1600 Тбіт (1,6 Пбіт). Коробка з касетами може бути доставлена ​​в межах США протягом 24 годин служби Federal Express або іншою компанією. Ефективна смуга пропускання за такої передачі становить 1600 Тбіт/86 400 с, або 19 Гбіт/с. Якщо ж пункт призначення знаходиться всього за годину їзди, то пропускна спроможність складе понад 400 Гбіт/с. Жодна комп'ютерна мережа поки що не в змозі навіть наблизитися до таких показників.
Економічність. Оптова ціна касети становить близько $40. Коробка зі стрічками обійдеться в $4000, при цьому ту саму стрічку можна використовувати десятки разів. Додамо $1000 на перевезення (а насправді набагато менше) і отримаємо близько $5000 за передачу 200 Тбайт або 3 центи за гігабайт.
Недоліки. Хоча швидкість передачі за допомогою магнітних стрічок відмінна, проте величина затримки за такої передачі дуже велика. Час передачі вимірюється хвилинами чи годинами, а чи не мілісекундами. Для багатьох програм потрібна миттєва реакція віддаленої системи (в підключеному режимі).

Кручена пара

Віта пара складається із двох ізольованих мідних проводів, звичайний діаметр яких становить 1 мм. Провід звиваються один навколо одного у вигляді спіралі. Це дозволяє зменшити електромагнітну взаємодію кількох розташованих поруч кручених пар.
Використання – телефонна лінія, комп'ютерна мережа. Може передавати сигнал без послаблення потужності на відстань, яка становить кілька кілометрів. На більш далеких відстанях потрібні повторювачі. Об'єднуються в кабель із захисним покриттям. У кабелі пари проводів почти, щоб уникнути накладання сигналу. Можуть використовуватися передачі як аналогових, і цифрових даних. Смуга пропускання залежить від діаметра та довжини дроту, але в більшості випадків на відстані до кількох кілометрів може бути досягнута швидкість кілька мегабіт на секунду. Завдяки досить високій пропускній спроможності та невеликій ціні кручені пари широко поширені і, швидше за все, будуть популярні і в майбутньому.
Виті пари застосовуються в декількох варіантах, два з яких особливо важливі в області комп'ютерних мереж. Виті пари категорії 3 (CAT 3) складаються з двох ізольованих проводів, звитих один з одним. Чотири такі пари зазвичай розміщуються разом у пластиковій оболонці.
Виті пари категорії 5 (CAT 5) схожі на кручені пари третьої категорії, але мають більшу кількість витків на сантиметр довжини проводів. Це дозволяє ще сильніше зменшити наведення між різними каналами та забезпечити покращену якість передачі сигналу на великі відстані (рис. 1).

Рис. 1. UTP категорії 3(а), UTP категорії 5(б).
Всі ці типи сполук часто називаються UTP (unshielded twisted pair - неекранована кручена пара)
Екрановані кабелі з кручених пар корпорації IBM не стали популярними за межами фірми IBM.

Коаксіальний кабель

Іншим поширеним засобом передачі є коаксіальний кабель. Він краще екранований, ніж кручена пара, тому може забезпечити передачу даних більш далекі відстані з вищими швидкостями. Широко використовуються два типи кабелів. Один з них, 50-омний, зазвичай використовується для передачі виключно цифрових даних. Інший тип кабелю, 75-омний, часто застосовується передачі аналогової інформації, і навіть у кабельному телебаченні.
Вигляд кабелю у розрізі показаний малюнку 2.

Рис. 2. Коаксіальний кабель.
Конструкція та спеціальний тип екранування коаксіального кабелю забезпечують високу пропускну здатність та відмінну перешкодозахисність. Максимальна пропускна здатність залежить від якості, довжини та співвідношення сигнал/шум лінії. Сучасні кабелі мають смугу пропускання близько 1 ГГц.
Використання – телефонні системи (магістралі), кабельне телебачення, регіональні мережі.

Волоконна оптика

Існуюча нині оптоволоконна технологія може розвивати швидкість передачі даних аж до 50 000 Гбіт/с (50 Тбіт/с), і при цьому багато фахівців зайнято пошуком більш досконалих матеріалів. Сьогоднішня практична межа в 10 Гбіт/с обумовлена ​​нездатністю швидше перетворювати електричні сигнали в оптичні та назад, хоча в лабораторних умовах вже досягнута швидкість 100 Гбіт/с на одинарному волокні.
Оптоволоконна система передачі даних складається з трьох основних компонентів: джерела світла, носія, яким поширюється світловий сигнал, і приймача сигналу, або детектора. Світловий імпульс приймають за одиницю, а відсутність імпульсу – за нуль. Світло поширюється у надтонкому скляному волокні. При попаданні на нього світла детектор генерує електричний імпульс. Приєднавши одного кінця оптичного волокна джерело світла, а іншому - детектор, виходить односпрямована система передачі.
При передачі світлового сигналу використовується властивість відображення та заломлення світла під час переходу з 2-х середовищ. Таким чином при подачі світла під певним кутом на межу середовищ світловий пучок повністю відбивається і замикається у волокні (рис. 3).

Рис. 3. Властивість заломлення світла.
Існує 2 типи оптоволоконного кабелю: багатомодний - передає пучок світла, одномодний - тонкий до краю декількох довжин хвилі, діє практично як хвилевід, світло рухається по прямій без відображення. Сьогоднішні одномодові волоконні лінії можуть працювати зі швидкістю 50 Гбіт/с з відривом до 100 км.
У системах зв'язку використовуються три діапазони довжин хвиль: 0,85, 1,30 та 1,55 мкм відповідно.
Структура оптоволоконного кабелю схожа на структуру коаксіального проводу. Різниця полягає лише в тому, що в першому немає сітки, що екранує.
У центрі оптоволоконної жили розташовується скляна серцевина, якою поширюється світло. У багатомодовому оптоволокні діаметр сердечника становить 50 мкм, що приблизно дорівнює товщині людського волосся. Серце в одномодовому волокні має діаметр від 8 до 10 мкм. Сердечник покритий шаром скла з нижчим, ніж у осердя, коефіцієнтом заломлення. Він призначений для більш надійного запобігання виходу світла за межі осердя. Зовнішнім шаром є пластикова оболонка, що захищає скління. Оптоволоконні жили зазвичай групуються у пучки, захищені зовнішньою оболонкою. На малюнку 4 показаний трижильний кабель.

Рис. 4. Трижильний оптоволоконний кабель.
При обриві з'єднання відрізків кабелю може здійснюватися трьома способами:

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.

Для передачі сигналу оптоволоконному кабелю можуть використовуватися два типи джерела світла: світловипромінюючі діоди (LED, Light Emitting Diode) і напівпровідникові лазери. Їхня порівняльна характеристика наведена в таблиці 1.

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.

Оптичне волокно має ряд переваг:

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

Недоліки:

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

Бездротовий зв'язок

Електромагнітний спектр

Рух електронів породжує електромагнітні хвилі, які можуть поширюватися у просторі (навіть у вакуумі). Число коливань електромагнітних коливань за секунду називається частотою, і вимірюється в герцах. Відстань між двома послідовними максимумами (або мінімум) називається довжиною хвилі. Ця величина зазвичай позначається грецькою літерою (лямбда).
Якщо в електричний ланцюгвключити антену відповідного розміру, то електромагнітні хвилі можна з успіхом приймати приймачем на певній відстані. На цьому принципі засновані усі бездротові системи зв'язку.
У вакуумі всі електромагнітні хвилі поширюються з тією ж швидкістю, незалежно від їх частоти. Ця швидкість називається швидкістю світла - 3*108 м/с. У міді чи склі швидкість світла становить приблизно 2/3 від цієї величини, крім того, трохи залежить від частоти.
Зв'язок величин, і:

Якщо частота () вимірюється в МГц, а довжина хвилі () в метрах то.
Сукупність усіх електромагнітних хвиль утворює так званий суцільний спектр електромагнітного випромінювання (рис. 5). Радіо, мікрохвильовий, інфрачервоний діапазони, а також видиме світло можуть бути використані для передачі інформації за допомогою амплітудної, частотної або фазової модуляції хвиль. Ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання були б навіть краще завдяки їхнім високим частотам, проте їх складно генерувати та модулювати, вони погано проходять крізь будівлі та, крім того, вони небезпечні для всього живого. Офіційна назва діапазонів наведена у таблиці 6.

Рис. 5. Електромагнітний спектр та його застосування у зв'язку.
Таблиця 2.
Офіційні назви діапазонів за ITU
Кількість інформації, що може переносити електромагнітна хвиля, пов'язана з частотним діапазоном каналу. Сучасні технології дозволяють кодувати кілька біт на герц на низьких частотах. За деяких умов це число може зростати восьмиразово на високих частотах.
Знаючи ширину діапазону довжин хвиль, можна обчислити відповідний діапазон частот і швидкість передачі даних.

Приклад: Для 1,3 мікронного діапазону оптоволоконного кабелю виходить, то. Тоді за 8 біт/с виходить можна отримати швидкість передачі 240 Тбіт/с.

Радіозв'язок

Радіохвилі легко генерувати, долають великі відстані, проходять крізь стіни, огинають будівлі, поширюються у всіх напрямках. Властивість радіохвиль залежить від частоти (рис. 6). Працюючи на низьких частотах радіохвилі добре проходять крізь перешкоди, проте потужність сигналу повітря різко падає у міру віддалення від передавача. Співвідношення потужності та віддаленості від джерела виражається приблизно так: 1/r2. На високих частотах радіохвилі взагалі мають тенденцію поширюватись виключно по прямій лінії і відбиватися від перешкод. Крім того, вони поглинаються, наприклад, дощем. Радіосигнали будь-яких частот схильні до перешкод з боку двигунів з іскристими щітками та іншого електричного обладнання.

Рис. 6. Хвилі діапазонів VLF, LF, MF огинають нерівності поверхні землі (а), хвилі діапазонів HF і VHF відбиваються від іоносфери, поглинаються землею (б).

Зв'язок у мікрохвильовому діапазоні

На частотах вище 100 МГц радіохвилі поширюються майже прямою, тому можуть бути сфокусовані у вузькі пучки. Концентрація енергії у вигляді вузького пучка за допомогою параболічної антени (начебто всім відомої супутникової телевізійної тарілки) призводить до поліпшення співвідношення сигнал/шум, проте для подібного зв'язку передавальна та приймаюча антени повинні бути досить точно спрямовані одна на одну.
На відміну від радіохвиль із нижчими частотами, мікрохвилі погано проходять крізь будівлі. Мікрохвильовий радіозв'язок став настільки широко використовуватися в міжміській телефонії, стільникових телефонах, телемовленні та інших областях, що почала сильно відчуватися нестача ширини спектра.
Цей зв'язок має ряд переваг перед оптоволокном. Головне з них полягає в тому, що не потрібно прокладати кабель, відповідно не потрібно платити за оренду землі на шляху сигналу. Достатньо купити маленькі ділянки землі через кожні 50 км та встановити на них ретрансляційні вежі.

Інфрачервоні та міліметрові хвилі

Інфрачервоне та міліметрове випромінювання без використання кабелю широко застосовується для зв'язку на не великих відстанях(Приклад дистанційні пульти). Вони відносно спрямовані, дешеві та легко встановлювані, але не проходять крізь тверді об'єкти.
Зв'язок в інфрачервоному діапазоні застосовується в настільних обчислювальних системах (наприклад, для зв'язку ноутбуків з принтерами), але все ж таки не відіграє значної ролі в телекомунікації.

Супутники зв'язку

Використовуються е типу супутників: геостаційні (GEO), середньовисотні (MEO) та низькоорбітальні (LEO) (рис. 7).

Рис. 7. Супутники зв'язку та його властивості: висота орбіти, затримка, число супутників, необхідне покриття всієї поверхні земної кулі.

Комутована телефонна мережа загального користування

Структура телефонної системи

Структура типового маршруту телефонного зв'язку на середні дистанції представлена ​​малюнку 8.

Рис. 8. Типовий маршрут зв'язку за середньої дистанції між абонентами.

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

Так як комп'ютер працює з цифровим сигналом, а місцева телефонна лінія являє собою передачу аналогового сигналу для перетворення цифрового в аналоговий і назад використовується пристрій - модем, а сам процес називається модуляцією/демодуляцією (рис. 9).

Рис. 9. Використання телефонної лінії під час передачі цифрового сигналу.
Існує 3 способи модуляції (рис. 10):

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.

Насправді використовуються комбіновані системи модуляції.

Рис. 10. Двійковий сигнал (а); амплітудна модуляція (б); частотна модуляція (в); фазова модуляція
Усі сучасні модеми дозволяють передавати дані обох напрямах, такий режим роботи називається дуплексним. З'єднання з можливістю послідовної передачі називається напівдуплексним. З'єднання у якому відбувається передача лише одному напрямі називається симплексным.
Максимальна швидкість модемів яка може бути досягнута на даний момент дорівнює 56Кб/с. Стандарт V.90.

Цифрові лінії абонентів. Технологія xDSL.

Після того, як швидкість через модеми досягла своєї межі телефонні компанії почали шукати вихід із цієї ситуації. Таким чином, з'явилося безліч пропозицій під загальною назвою xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - цифрова абонентська лінія, де замість xможуть бути інші літери. Найбільш відома технологія даних даних є ADSL (Asymmetric DSL).
Причина обмеження швидкості модемів у тому, що вони передачі даних використовували діапазон передачі людської промови - 300Гц до 3400Гц. Разом з прикордонними частотами смуга пропускання становила не 3100 Гц, а 4000 Гц.
Хоча сам спектр місцевої телефонної лінії становить 1,1 Гц.
Перша пропозиція технології ADSL використовувала весь спектр місцевої телефонної лінії, який поділяється на 3 діапазони:

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

Технологія, у якій різних цілей використовуються різні частоти, називається частотним ущільненням чи частотним мультиплексуванням.
Альтернативний метод під назвою дискретна мультитональна модуляція, DMT (Discrete MultiTone) полягає у поділі всього спектра місцевої лінії шириною 1,1 МГц на 256 незалежних каналів по 4312,5 Гц у кожному. Канал 0 – це POTS. Канали з 1 до 5 не використовуються, щоб голосовий сигнал не мав можливості інтерферувати з інформаційним. З 250 каналів, що залишилися, один зайнятий контролем передачі у бік провайдера, один - у бік користувача, а всі інші доступні для передачі даних користувача (мал. 11).

Рис. 11. Робота ADSL із використанням дискретної мультитональної модуляції.
Стандарт ADSL дозволяє приймати до 8 Мб/с, а надсилати до 1 Мб/с. ADSL2+ - вихід до 24Мб/с, що входить до 1,4 Мб/с.
Типова конфігурація обладнання ADSL містить:

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.

Рис. 12. Типова конфігурація обладнання ADSL.

Магістралі та ущільнення

Економія ресурсів відіграє у телефонній системі. Вартість прокладки та обслуговування магістралі з високою пропускною спроможністю та низькоякісною лінією практично одна і та ж (тобто левова частка цієї вартості йде на риття траншей, а не на сам мідний або оптоволоконний кабель).
Тому телефонні компанії спільно розробили кілька схем передачі кількох розмов по одному фізичному кабелю. Схеми мультиплексування (ущільнення) можуть бути поділені на дві основні категорії FDM (Frequency Division Multiplexing –частотне ущільнення) та TDM (Time Division Multiplexing – мультиплексування з тимчасовим ущільненням) (рис. 13).
При частотному ущільненні частотний спектр ділиться між логічними каналами і кожен користувач отримує у виняткове володіння свій піддіапазон. При мультиплексуванні з тимчасовим ущільненням користувачі по черзі (циклічно) користуються одним і тим самим каналом, і кожному на короткий проміжок часу надається вся пропускна здатність каналу.
В оптоволоконних каналах використовується особливий варіант частотного ущільнення. Він називається спектральним ущільненням (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Рис. 13. Приклад частотного ущільнення: вихідні спектри сигналів (а), спектри, зсунуті за частотою (б), ущільнений канал (в).

Комутація

З погляду середнього телефонного інженера телефонна система складається з двох частин: зовнішнього обладнання (місцевих телефонних лінійта магістралей, поза комутаторами) та внутрішнього обладнання (комутаторів), розташованого на телефонній станції.
Будь-які мережі зв'язку підтримують певний спосіб комутації (зв'язку) своїх абонентів між собою. Практично неможливо надати кожній парі абонентів, що взаємодіють, свою власну некомутовану фізичну лінію зв'язку, якою вони могли б монопольно «володіти» протягом тривалого часу. Тому в будь-якій мережі завжди застосовується будь-який спосіб комутації абонентів, що забезпечує доступність наявних фізичних каналів одночасно для кількох сеансів зв'язку між абонентами мережі.
У телефонних системах використовуються два різні прийоми: комутації каналів та комутації пакетів.

Комутація каналів

Комутація каналів передбачає утворення безперервного складового фізичного каналу із послідовно з'єднаних окремих канальних ділянок для прямої передачі між вузлами. У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої створюється складовий канал (рис. 14).

Комутація пакетів

При комутації пакетів всі передані користувачем мережі повідомлення розбиваються у вихідному вузлі порівняно невеликі частини, звані пакетами. Кожен пакет забезпечується заголовком, в якому вказується адресна інформація, необхідна для доставки пакета вузлу призначення, а також номер пакета, який використовуватиметься вузлом призначення для збирання повідомлення. Пакети транспортуються у мережі як незалежні інформаційні блоки. Комутатори мережі приймають пакети від кінцевих вузлів і на підставі адресної інформації передають їх один одному, а зрештою – вузлу призначення (рис. 14).
і т.д.................

7. ФІЗИЧНИЙ РІВЕНЬ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

7.2. Методи передачі дискретних даних

При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування - на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналоговою модуляцією , підкреслюючи те що, що кодування здійснюється з допомогою зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб називають цифровим кодуванням . Ці способи відрізняються шириною спектра результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Застосування синусоїди призводить до більш вузького спектра за тієї ж швидкості передачі інформації. Однак для реалізації модуляції потрібна складніша і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, що спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, - Передаються каналами зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць та нулів. Процес представлення аналогової інформації у дискретній формі називається дискретною модуляцією .

Аналогова модуляція застосовується передачі дискретних даних каналами з вузькою смугою частот – канал тональної частоти (суспільні телефонні мережі). Цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, таким чином його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц.

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

Аналогова модуляція є у такий спосіб фізичного кодування, у якому інформація кодується зміною амплітуди, частоти чи фази синусоїдального сигналу несучої частоти (рис. 27).

При амплітудної модуляції (Мал. 27, б) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низьку стійкість до перешкод, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазової модуляцією.

При частотної модуляції (Мал. 27, в) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - f 0 і f 1,. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем модемах і зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт / с .

При фазової модуляції (рис. 27, г) значення даних 0 і 1 відповідають сигналам 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.

Рис. 27. Різні типимодуляції

Спектр результуючого модульованого сигналу залежить від типу та швидкості модуляції.

Для потенційного кодування спектр безпосередньо виходить із формул Фур'є для періодичної функції. Якщо дискретні дані передаються з бітовою швидкістю N біт/с, спектр складається з постійної складової нульової частоти і нескінченного ряду гармонік з частотами f 0 , 3f 0 , 5f 0 , 7f 0 , ... , де f 0 = N/2. Амплітуди цих гармонік меншають досить повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1/5, 1/7, ... від амплітуди гармоніки f 0 (рис. 28, а). В результаті спектр потенційного коду вимагає якісної передачі широку смугу пропускання. Крім того, потрібно врахувати, що реально спектр сигналу змінюється в залежності від характеру даних. Тому спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 Гц, приблизно до 7f 0 (гармоніками з частотами вище 7f 0 можна знехтувати через їх малий вклад у результуючий сигнал). Для каналу тональної частоти верхня межа при потенційному кодуванні досягається швидкості передачі даних в 971 біт/с . В результаті, потенційні коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються.

При амплітудній модуляції спектр складається із синусоїди несучої частоти f зта двох бічних гармонік: (f с + f m) та ( f c – f m), де f m - Частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди (рис. 28, б). Частота f m визначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектра сигналу буде також невеликою (рівною 2f m ), тому сигнали не будуть спотворюватися лінією, якщо її смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2f m . Для каналу тональної частоти такий спосіб модуляції прийнятний при швидкості передачі не більше 3100/2=1550 біт/с. Якщо для подання даних використовуються 4 рівня амплітуди, то пропускна здатність каналу підвищується до 3100 біт/с .

Рис. 28. Спектри сигналів при потенційному кодуванні

та амплітудної модуляції

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 каналом тональної частоти.

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. У потенційних кодах для представлення логічних одиниць та нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, а його перепади до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напрямку.

При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав кількох цілей:

· мав за однієї і тієї ж бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу;

· забезпечував синхронізацію між передавачем та приймачем;

· мав здатність розпізнавати помилки;

· мав низьку вартість реалізації.

Вужчий спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії домагатися більш високої швидкості передачі даних. Часто спектру сигналу пред'являється вимога відсутності постійної складової.

Синхронізація передавача та приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, у який час необхідно зчитувати нову інформацію з лінії зв'язку. Ця проблема в мережах вирішується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад, між блоками всередині комп'ютера або між комп'ютером і принтером. Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт). 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.

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.

На рис. 29 а показаний метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ) . Остання назва відображає та обставина, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту. Метод NRZ простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відмінні потенціали), але не має властивість самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць чи нулів сигнал лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно зчитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів ніколи не бувають цілком ідентичними. Тому при високих швидкостяхобміну даними та довгих послідовностях одиниць або нулів невелике неузгодженість тактових частот може призвести до помилки цілий такт і, відповідно, зчитування некоректного значення біта.

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато каналів 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 у мережах не використовується. Тим не менш, використовуються його різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової. Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, полягає в досить низькій частоті основної гармоніки f 0 яка дорівнює N/2 Гц. В інших методів кодування, наприклад, манчестерського, основна гармоніка має більш високу частоту.

Рис. 29. Способи дискретного кодування даних

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі (рис. 29 б) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий і 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. Тому код AMI потребує подальшого покращення.

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. 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. Такий сигнал називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на З дБ 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.

Існує код, схожий на AMI, але з двома рівнями 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 (Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Цей код зручний у випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стану сигналу - світло і тінь.

Крім потенційних кодів у мережах 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 (рис. 29, в). Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючимивластивостями, але постійна 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 мережахдонедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код (Рис. 29, г). Він застосовується в технологіях Ethernet та Token Ring.

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 рівнясигналу 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 самосинхронізуючимивластивостями. 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 смуги манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у імпульсного біполярного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N/4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед імпульсним біполярним кодом. В останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському – два.

На рис. 29, д показаний потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2В1Q, назва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833, парі 11 - потенціал +0,833, а парі 10 - потенціал +2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу вдвічі, ніж у коду NRZ, оскільки за тієї ж бітової швидкості тривалість такту збільшується вдвічі. Таким чином, за допомогою коду 2В1Q можна по одній лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача має бути вищою, щоб чотири рівні чітко відрізнялися приймачем на тлі перешкод.

При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування -на основісинусоїдального несучого сигналу та на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцієюабо аналоговою модуляцією,наголошуючи на тому факті, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб зазвичай називають цифровим кодуванням.Ці способи відрізняються шириною спектра результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Не дивно, якщо згадати, що спектр ідеального імпульсу має нескінченну ширину. Застосування синусоїди призводить до спектру набагато меншої ширини за тієї ж швидкості передачі інформації. Однак для реалізації синусоїдальної модуляції потрібна складніша і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, що спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, -передаються каналами зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес представлення аналогової інформації у дискретній формі називається дискретною модуляцією.Терміни «модуляція» та «кодування» часто використовують як синоніми.

При цифрове кодуваннядискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. У потенційних кодах уявлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу -перепадом потенціалу певного напрямку.

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.

У 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. 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, оскільки приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпо- . знання помилкових біт всередині кадру.

Потенційний код без повернення до нуля, метод потенційного кодування, який також називається кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає те, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). Метод NRZпростий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціалів), але не має властивість самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць чи нулів сигнал лінії не змінюється, тому приймач позбавлений 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 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.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією. Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі 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. 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). У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з кількома станами сигналу порівняно з кодами, які розрізняють лише два стани.

Потенційний код із інверсією при одиниці. Існує код, схожий на AMI, але з двома рівнями 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 (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Цей код зручний у тих випадках, коли використання третього рівня сигналу вельми небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу -світло і темрява.

Біполярний імпульсний кодКрім потенційних кодів у мережах 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-інший . Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючі властивості, але постійна 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 NГц, 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.

Манчестерський кодУ локальних мережах донедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський кодВін застосовується в технологіях Ethernet і TokenRing. 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 самосинхронізують. Смуга пропускання манчестерського коду вже, ніж у імпульсного біполярного. У середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у імпульсного біполярного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N/4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед імпульсним біполярним кодом. В останньому передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському -два.

Потенційний код 2В 1Q. Потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2 В 1Q, назва якого відбиває його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00відповідає потенціал -2,5В, парі біт 01відповідає потенціал-0,833В, парі 11-потенціал +0,833В, а парі 10-потенціал +2,5В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу вдвічі, ніж у коду NRZ,оскільки за тієї ж бітової швидкості тривалість такту збільшується вдвічі. Таким чином, за допомогою коду 2В 1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача має бути вищою, щоб чотири рівні чітко відрізнялися приймачем на тлі перешкод.

Логічне кодуванняЛогічне кодування використовується для покращення потенційних кодів типу AMI, NRZI або 2Q.1B. Логічне кодування повинно замінювати довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Як зазначалося вище, 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.

Для забезпечення заданої пропускної спроможності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною тактовою частотою. Так, передачі кодів 4В/5В зі швидкістю 100Мб/с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125МГц. 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.

Скремблювання. Перемішування даних скремблером перед передачею в лінію з допомогою потенційного коду є іншим способом логічного кодування. Методи скремблювання полягають у побитном обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду та отриманих у попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад, скремблер може реалізовувати таке співвідношення:

Асинхронна та синхронна передачі

При обміні даними фізично одиницею інформації є біт, тому кошти фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем. Зазвичай достатньо забезпечити синхронізацію на зазначених двох рівнях - бітовому та кадровому, щоб передавач і приймач змогли забезпечити стійкий обмін інформацією. Однак при поганій якості лінії зв'язку (зазвичай це відноситься до телефонних комутованих каналів) для здешевлення апаратури та підвищення надійності передачі вводять додаткові засоби синхронізації на рівні байт.

Такий режим роботи називається асинхроннимабо старт-стопним.В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами "старт" та "стоп". Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про надходження даних і, по-друге, щоб дати приймачеві достатньо часу для виконання деяких функцій, пов'язаних із синхронізацією, до надходження наступного байта. Сигнал «старт» має тривалість в один тактовий інтервал, а сигнал «стоп» може тривати один, півтора або два такти, тому кажуть, що використовується один, півтора або два біти як стоповий сигнал, хоча біти ці сигнали не представляють.

При синхронному режимі передачі старт-стопні біти між кожною парою байт відсутні. Висновки

При передачі дискретних даних по вузькосмуговому каналу тональної частоти, що використовується в телефонії, найбільш відповідними виявляються способи аналогової модуляції, при яких синусоїда, що несе, модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр. Ця операція здійснюється спеціальними пристроями-модемами.

Для низькошвидкісної передачі даних застосовується зміна частоти синусоїди, що несе. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4рівня амплітуди несучої синусоїди та 8рівневої фази. Не всі з можливих поєднань методу QAM використовуються передачі даних, заборонені поєднання дозволяють розпізнавати спотворені дані фізично.

На широкосмугових каналах зв'язку застосовуються потенційні та імпульсні методи кодування, в яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу або йогофронту.

При використанні потенційних кодів особливого значення набуває завдання синхронізації приймача з передавачем, так як при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць сигнал на вході приймача не змінюється і складно визначити приймачу момент знімання чергового біта даних.

Найбільш простим потенційним кодом є код без повернення до нуля (NRZ), однак він не є самосинхронізується і створює постійну складову.

Найбільш популярним імпульсним кодом є манчестерський код, в якому інформацію несе напрямок перепаду сигналу в середині кожного такту. Манчестерський код застосовується в технологіях Ethernet і TokenRing.

Для покращення властивостей потенційного коду NRZ використовуються методи логічного кодування, що виключають довгі послідовності нулів. Ці методи засновані:

на введенні надлишкових біт у вихідні дані (коди типу 4В/5В);

Скремблювання вихідних даних (коди типу 2В 1Q).

Покращені потенційні коди мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

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 користувачам громадських телефонних мереж. Ця лінія зв'язку передає аналогові сигналиу 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 фізично економить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт 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.

а Б В Г Д Є

Рис. 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 ( Рис. 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 недоліком кодів з кількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Найбільш простими методами імпульсногокодування є уніполярний імпульсний код,в якому одиниця представлена ​​імпульсом, а нуль - його відсутністю ( Рис. 7.1в), і біполярний імпульсний код, В якому одиниця представлена ​​імпульсом однієї полярності, а нуль - інший ( Рис. 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»(Рис. 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 мережних технологіях замість «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 підканали 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 спроможністьЛінії зв'язку характеризує максимально можливу швидкість передачі даних 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 лінії зв'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?

2 Функції фізичного рівня Подання бітів електричними/оптичними сигналами Кодування бітів Синхронізація бітів Передача/прийом бітів фізичними каналами зв'язку Узгодження з фізичним середовищем Швидкість передачі Дальність Рівні сигналів, роз'єми У всіх пристроях мережі Апаратна реалізація (мережні адаптери) Приклад: 10 3, 100 ом, 100м, 10Мбіт/c, код МII, RJ-45

5 Апаратура передачі даних Перетворювач Повідомлення - Ел. сигнал Кодер (стиснення, коригувальні коди) Модулятор Проміжна апаратура Поліпшення якості зв'язку - (Підсилювач) Створення складового каналу – (Коммутатор) Ущільнення каналу – (Мультиплексор) (В ЛВС ПА може бути відсутнім)

6 Основні характеристики ліній зв'язку Пропускна здатність (Протокол) Достовірність передачі даних (Протокол) Затримка поширення Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) Смуга пропускання Згасання Перешкодостійкість Перехресні наведення на ближньому кінці лінії Питома вартість

9 Згасання (Attenuation) А – одна точка на АЧХ A = log 10 Pout / Pin Bel A = 10 log 10 Pout / Pin deciBel (dB) A = 20 log 10 Uout / Uin deciBel (dB) q Example 1: Pin = 10 mW, Pout = 5 mW Attenuation = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Example 2: UTP cat 5 Attenuation >= -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Зазвичай А вказується для основної частоти сигналу = -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Зазвичай А вказується для основної частоти сигналу">

11 Перешкодостійкість Оптоволоконні лінії Кабельні лініїПровідні повітряні лінії Радіолінії (Екранування, скручування) Стійкість до зовнішніх перешкод Стійкість до внутрішніх перешкод Ослаблення перехресних наведень на ближньому кінці (NEXT) Ослаблення перехресних наведень на дальньому кінці (FEXT) (FEXT - Дві пари в одному напрямку)

12 Перехресні наведення на ближньому кінці (Near End Cross Talk loss – NEXT) Для багатопарних кабелів NEXT = 10 log Pвих/Pнав dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Достовірність передачі даних Bit Error Rate – BER Імовірність спотворення біта даних Причини: зовнішні та внутрішні перешкоди, вузька смуга пропускання Боротьба: підвищення перешкодозахищеності, зниження наведень NEXT, розширення смуги пропускання Віта пара BER ~ Оптоволоконний кабель BER ~ Без додатків кодів, протоколів із повторенням

16 Вита пара Twisted Pair (TP) екран з фольги плетений дротяний екран провід в ізоляції зовнішня оболонка UTP Unshielded Twisted Pair категорії 1, UTP кат пари в оболонці STP Shielded Twisted Pair Типи Type 1…9 У кожної пари свій екран Кожна пара - свій крок скрутки, свій колір Складність прокладки

18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (показник заломлення) n1 n2 n2 - (показник заломлення) n1 n2"> n2 - (показник заломлення) n1 n2"> n2 - (показник заломлення) n1 n2" title="(!LANG:18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (Показник заломлення) n1 n2"> title="18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (показник заломлення) n1 n2"> !}

22 Волоконно-оптичний кабель Multi Mode Fiber MMF50/125, 62,5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9,5/125 D = 250 мкм 1 ГГц – 100 км BaseLH5000км - 1 Гбіт/с (20

23 Джерела оптичного сигналу Канал: джерело - носій - приймач (детектор) Джерела Світлодіод (LED- Light Emitting Diod) нм некогерентне джерело - MMF Напівпровідниковий лазер когерентне джерело - SMF - Потужність = f (t o) Детектори Фотодіоди, pin-діоди, лавинні діоди

25 Структуровані кабельні системи - СКС Structured Cabling System - SCS Перші ЛОМ – різні кабелі та топології Уніфікація кабельної системиСКС – відкрита кабельна інфраструктура ЛОМ (підсистеми, компоненти, інтерфейси) - незалежність від мережевий технології- кабелі ЛОМ, TV, системи охорони тощо. - Універсальна кабельна проводка без прив'язки до конкретної мережевої технології -Конструктор

27 Стандарти СКС (основні) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США) CENELEC EN50173 Performance Requirements of Generic Cabling Schemes (Європа) ISO/IEC IS Information Technology - Generic cabling for customer premises . Топологія Допустимі відстані(Довжина кабелів) Інтерфейс підключення користувачів. Кабелі та сполучна апаратура. Пропускна спроможність (Performance). Практика встановлення (Горизонтальна підсистема – UTP, зірка, 100 м...)

28 Бездротовий зв'язок Wireless Transmission Переваги: ​​зручність, недоступні райони, мобільність. швидке розгортання... Недоліки: високий рівень перешкод (спеціальні засоби: коди, модуляція…), складність використання деяких діапазонів Лінія зв'язку: передавач - середовище - приймач Характеристики ЛЗ ~ F(Δf, fн);

34 2. Стільникова телефонія Розбиття території на стільники Повторне використаннячастот Мала потужність (габарити) У центрі – базова станціяЄвропа – Global System for Mobile- GSM Бездротова телефонний зв'язок 1. Маломощна радіостанція – (трубка-база, 300м) DECT стільникового зв'язку

35 Супутниковий зв'язок В основі – супутник (відбивач-підсилювач) Приймачі – транспондери Н~50 Мгц (1 супутник ~ 20 транспондерів) Діапазони частот: С. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 ГГц Up 5,925-6,425 Гц Ku - Down 11,7-12,2 ГГц Up 14,0-14,5 ГГц Ka - Down 17,7-21,7 ГГц Up 27,5-30,5 ГГц

36 Супутниковий зв'язок. Типи супутників Супутниковий зв'язок: мікрохвилі – пряма видимість Геостаціонарні Велике покриття Нерухомість, Малий знос Супутник-повторювач, широкомовність, низька вартість, вартість не залежить від відстані, Миттєве встановлення зв'язку (Mil) Tз=300мс Низька захищеність, Спочатку VS Середньоорбітальні км Global Positioning System GPS - 24 супутники Низькоорбітальні км мале покриття мала затримка Доступ до Інтернету

40 Техніка розширення спектру Спеціальні методи модуляції та кодування для бездротового зв'язкуЗ (Біт/с) = Δ F (Гц) * log2 (1+Ps/P N) Зменшення потужності Перешкодостійкість Прихованість OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA