Μέθοδοι μετάδοσης πληροφοριών σε φυσικό επίπεδο. Διαλέξεις Δίκτυα υπολογιστών. Φυσικό επίπεδο. Επικοινωνίες μικροκυμάτων

2 Λειτουργίες του φυσικού στρώματος Αναπαράσταση bit από ηλεκτρικά/οπτικά σήματα Κωδικοποίηση bit Συγχρονισμός bit Μετάδοση/λήψη bit μέσω φυσικών καναλιών επικοινωνίας Συντονισμός με το φυσικό περιβάλλον Εύρος ταχύτητας μετάδοσης Επίπεδα σήματος, σύνδεσμοι Σε όλες τις συσκευές δικτύου Υλοποίηση υλικού (προσαρμογείς δικτύου ) Παράδειγμα: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100m, 10Mbit/s, κωδικός MII, RJ-45






5 Εξοπλισμός μετάδοσης δεδομένων Μήνυμα μετατροπέα - Ελ. Κωδικοποιητής σήματος (συμπίεση, κωδικοί διόρθωσης) Διαμορφωτής Ενδιάμεσος εξοπλισμός Βελτίωση της ποιότητας επικοινωνίας - (ενισχυτής) Δημιουργία σύνθετου καναλιού - (διακόπτης) Πολυπλεξία καναλιών - (Πολυπλέκτης) (Το PA μπορεί να απουσιάζει σε ένα LAN)


6 Κύρια χαρακτηριστικά των γραμμών επικοινωνίας Διαδρομή (πρωτόκολλο) Αξιοπιστία μετάδοσης δεδομένων (πρωτόκολλο) Καθυστέρηση διάδοσης Απόκριση πλάτους-συχνότητας (AFC) Εξασθένιση εύρους ζώνης Ανοσία θορύβου Crosstalk στο κοντινό τέλος της γραμμής Κόστος μονάδας






9 Εξασθένιση A – ένα σημείο στην απόκριση συχνότητας A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Παράδειγμα 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Εξασθένηση = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Παράδειγμα 2: UTP cat 5 Εξασθένηση >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Τυπικά είναι για τη θεμελιώδη συχνότητα του σήματος = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Συνήθως υποδεικνύεται Α για τη συχνότητα του κύριου σήματος">




11 Ανοσία θορύβου Γραμμές οπτικών ινών Καλωδιακές γραμμές Ενσύρματες εναέριες γραμμές Γραμμές ραδιοφώνου (Θωράκιση, συστροφή) Ανοσία σε εξωτερικές παρεμβολές Ανοσία σε εσωτερικές παρεμβολές Εξασθένιση διασταυρούμενης συνομιλίας κοντινού άκρου (NEXT) Εξασθένηση διασταύρωσης μακρινών άκρων (FEXT) (FEXT - Δύο ζεύγη σε μία κατεύθυνση )


12 Near End Cross Talk loss – NEXT Για καλώδια πολλαπλών ζευγών NEXT = 10 log Pout/Pin dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT


13 Αξιοπιστία μετάδοσης δεδομένων Ποσοστό σφάλματος bit – BER Πιθανότητα καταστροφής bit δεδομένων Αιτίες: εξωτερικές και εσωτερικές παρεμβολές, στενό εύρος ζώνης Αγώνας: αύξηση της θορύβου, μείωση της NEXT παρεμβολών, επέκταση του εύρους ζώνης Συνεστραμμένο ζεύγος BER ~ Καλώδιο οπτικών ινών BER ~ Χωρίς πρόσθετο μέσο προστασίας :: διορθωτικοί κωδικοί, πρωτόκολλα με επανάληψη






16 Twisted Pair Twisted Pair (TP) φύλλο αλουμινόχαρτου πλεγμένο πλέγμα συρμάτινο μονωμένο εξωτερικό περίβλημα σύρματος UTP Unshielded Twisted Pair κατηγορία 1, UTP ζεύγη γάτας σε θήκη STP Shielded Twisted Pair Τύποι Τύπος 1…9 Κάθε ζεύγος έχει τη δική του οθόνη Κάθε ζευγάρι έχει το δικό του βήμα ανατροπές, το δικό σας χρώμα Ανοσία θορύβου Κόστος Πολυπλοκότητα τοποθέτησης




18 Οπτικές ίνες Συνολική εσωτερική ανάκλαση μιας δέσμης στη διεπαφή δύο μέσων n1 > n2 - (δείκτης διάθλασης) n1 n2 n2 - (δείκτης διάθλασης) n1 n2"> n2 - (δείκτης διάθλασης) n1 n2"> n2 - (δείκτης διάθλασης) n1 n2" title="18 Οπτικές ίνες Συνολική εσωτερική ανάκλαση μιας δέσμης στο όριο δύο μέσα n1 > n2 - (δείκτης διάθλασης) n1 n2"> title="18 Οπτικές ίνες Συνολική εσωτερική ανάκλαση μιας δέσμης στη διεπαφή δύο μέσων n1 > n2 - (δείκτης διάθλασης) n1 n2"> !}








22 Καλώδιο οπτικών ινών Multi Mode Fiber MMF50/125, 62,5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9,5/125 D = 250 µm 1 GHz – 100 km BaseLH5000 km - 1 Gbit/s MM (2005)


23 Πηγές οπτικού σήματος Κανάλι: πηγή - φορέας - δέκτης (ανιχνευτής) Πηγές LED (Δίοδος εκπομπής φωτός) nm ασυνάρτητη πηγή - MMF Συνεκτική πηγή λέιζερ ημιαγωγών - SMF - Ισχύς = f (t o) Ανιχνευτές Φωτοδίοδοι, διόδους ακροδεκτών, διόδους χιονοστιβάδας




25 Σύστημα δομημένης καλωδίωσης - SCS First LAN – διάφορα καλώδιακαι τοπολογίες Ενοποίηση του καλωδιακού συστήματος SCS - ανοικτή υποδομή καλωδίων LAN (υποσυστήματα, εξαρτήματα, διεπαφές) - ανεξαρτησία από τεχνολογία δικτύου- Καλώδια LAN, τηλεόραση, συστήματα ασφαλείας κ.λπ. - γενική καλωδίωση χωρίς αναφορά σε συγκεκριμένη τεχνολογία δικτύου - Κατασκευαστής




27 Πρότυπα SCS (βασικά) EIA/TIA-568A Πρότυπο καλωδίωσης τηλεπικοινωνιών εμπορικού κτιρίου (ΗΠΑ) CENELEC EN50173 Απαιτήσεις απόδοσης των γενικών σχεδίων καλωδίωσης (Ευρώπη) Τεχνολογία πληροφοριών ISO/IEC IS - Γενική καλωδίωση για μετάδοση στο χώρο του πελάτη Καλωδίωση μετάδοσης δεδομένων: . Τοπολογία Επιτρεπόμενες αποστάσεις (μήκη καλωδίων) Διεπαφή σύνδεσης χρήστη. Καλώδια και εξοπλισμός σύνδεσης. Παραγωγική απόδοση (Απόδοση). Πρακτική εγκατάστασης (Οριζόντιο υποσύστημα - UTP, αστέρι, 100 m...)


28 Ασύρματες Επικοινωνίες Ασύρματη μετάδοση Πλεονεκτήματα: ευκολία, δυσπρόσιτες περιοχές, κινητικότητα. γρήγορη ανάπτυξη... Μειονεκτήματα: υψηλό επίπεδο παρεμβολής ( ειδικά μέσα: κωδικοί, διαμόρφωση...), πολυπλοκότητα χρήσης κάποιων περιοχών Γραμμή επικοινωνίας: πομπός - μέσο - χαρακτηριστικά LAN δέκτη ~ F(Δf, fн);









34 2. Κινητή τηλεφωνία Διαίρεση της επικράτειας σε κυψέλες Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων Χαμηλή ισχύς (διαστάσεις) Στο κέντρο - σταθμός βάσης Ευρώπη - Παγκόσμιο σύστημα για κινητά - GSM Wireless τηλεφωνικές επικοινωνίες 1. Ραδιοφωνικός σταθμός χαμηλής κατανάλωσης - (ακουστικό-βάση, 300 μέτρα) DECT Ψηφιακή ευρωπαϊκή ασύρματη περιαγωγή τηλεπικοινωνιών - εναλλαγή από ένα κεντρικό δίκτυοστο άλλο - τη βάση κυψελοειδείς επικοινωνίες


35 Δορυφορική σύνδεσηΒασισμένο σε δορυφόρο (ανακλαστήρας-ενισχυτής) Πομποδέκτες - αναμεταδότες H~50 MHz (1 δορυφόρος ~ 20 αναμεταδότες) Εύρος συχνοτήτων: C. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 GHz Πάνω 5,925-6,425 GHz Ku - Down 11. 12,2 GHz Up 14,0-14,5 GHz Ka - Down 17,7-21,7 GHz Up 27,5-30,5 GHz


36 Δορυφορικές επικοινωνίες. Τύποι δορυφόρων Δορυφορικές επικοινωνίες: μικροκύματα - οπτική επαφή Γεωστατική Μεγάλη κάλυψη Σταθερή, Χαμηλή φθορά Repeater δορυφόρος, εκπομπή, χαμηλό κόστος, το κόστος δεν εξαρτάται από την απόσταση, Άμεση δημιουργία σύνδεσης (Mil) Tz=300ms Χαμηλή ασφάλεια, Αρχικά μεγάλη κεραία (αλλά VSAT) Χιλιόμετρα μεσαίας τροχιάς Παγκόσμιο Σύστημα εντοπισμού θέσης GPS - 24 δορυφόροι Χαμηλής τροχιάς χιλιόμετρα χαμηλής κάλυψης Πρόσβαση στο Διαδίκτυο χαμηλής καθυστέρησης


40 Τεχνικές διάδοσης φάσματος Ειδικές τεχνικές διαμόρφωσης και κωδικοποίησης για ασύρματη επικοινωνία C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Μείωση ισχύος Ανοσία θορύβου Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Κατά τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω καναλιών επικοινωνίας, χρησιμοποιούνται δύο κύριοι τύποι φυσικής κωδικοποίησης - με βάση ένα ημιτονοειδές σήμα φορέα και με βάση μια ακολουθία ορθογώνιων παλμών. Η πρώτη μέθοδος ονομάζεται συχνά διαμόρφωσηή αναλογική διαμόρφωση,τονίζοντας το γεγονός ότι η κωδικοποίηση πραγματοποιείται αλλάζοντας τις παραμέτρους του αναλογικού σήματος. Η δεύτερη μέθοδος συνήθως ονομάζεται ψηφιακή κωδικοποίηση.Αυτές οι μέθοδοι διαφέρουν ως προς το εύρος του φάσματος του προκύπτοντος σήματος και την πολυπλοκότητα του εξοπλισμού που απαιτείται για την εφαρμογή τους.

Όταν χρησιμοποιείτε ορθογώνιους παλμούς, το φάσμα του προκύπτοντος σήματος είναι πολύ ευρύ. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη αν θυμηθούμε ότι το φάσμα ενός ιδανικού παλμού έχει άπειρο πλάτος. Η χρήση ημιτονοειδούς κύματος έχει ως αποτέλεσμα ένα φάσμα πολύ μικρότερου πλάτους με τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών. Ωστόσο, για την εφαρμογή της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης, απαιτείται πιο περίπλοκος και ακριβός εξοπλισμός από την εφαρμογή ορθογώνιων παλμών.

Επί του παρόντος, όλο και περισσότερο, τα δεδομένα που ήταν αρχικά σε αναλογική μορφή - ομιλία, τηλεοπτικές εικόνες - μεταδίδονται μέσω καναλιών επικοινωνίας σε διακριτή μορφή, δηλαδή ως ακολουθία μονάδων και μηδενικών. Η διαδικασία αναπαράστασης αναλογικών πληροφοριών σε διακριτή μορφή ονομάζεται διακριτή διαμόρφωση.Οι όροι "διαμόρφωση" και "κωδικοποίηση" χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά.

2.2.1. Αναλογική διαμόρφωση

Η αναλογική διαμόρφωση χρησιμοποιείται για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω καναλιών με στενή ζώνη συχνοτήτων, τυπικός εκπρόσωπος της οποίας είναι φωνητικό κανάλι,διατίθενται στους χρήστες δημόσιων τηλεφωνικών δικτύων. Μια τυπική απόκριση πλάτους-συχνότητας ενός καναλιού συχνότητας φωνής φαίνεται στο Σχ. 2.12. Αυτό το κανάλι εκπέμπει συχνότητες στην περιοχή από 300 έως 3400 Hz, επομένως το εύρος ζώνης του είναι 3100 Hz. Αν και η ανθρώπινη φωνή έχει πολύ μεγαλύτερο εύρος - από περίπου 100 Hz έως 10 kHz - για αποδεκτή ποιότητα ομιλίας, το εύρος των 3100 Hz είναι μια καλή λύση. Ο αυστηρός περιορισμός του εύρους ζώνης του καναλιού φωνής σχετίζεται με τη χρήση εξοπλισμού πολυπλεξίας και μεταγωγής καναλιών σε τηλεφωνικά δίκτυα.

2.2. Μέθοδοι για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων σε σωματικό επίπεδο 133

Μια συσκευή που εκτελεί τις λειτουργίες της ημιτονοειδής διαμόρφωσης φορέα στην πλευρά εκπομπής και της αποδιαμόρφωσης στην πλευρά λήψης ονομάζεται μοντέμ(διαμορφωτής-αποδιαμορφωτής).

Μέθοδοι αναλογικής διαμόρφωσης

Η αναλογική διαμόρφωση είναι μια φυσική μέθοδος κωδικοποίησης στην οποία οι πληροφορίες κωδικοποιούνται αλλάζοντας το πλάτος, τη συχνότητα ή τη φάση ενός ημιτονοειδούς σήματος φέρουσα συχνότητα. Οι κύριες μέθοδοι αναλογικής διαμόρφωσης φαίνονται στο Σχ. 2.13. Στο διάγραμμα (Εικ. 2.13, ΕΝΑ)δείχνει μια ακολουθία από bit πληροφοριών πηγής, που αντιπροσωπεύονται από δυναμικά υψηλού επιπέδου για ένα λογικό και ένα δυναμικό μηδενικού επιπέδου για λογικό μηδέν. Αυτή η μέθοδος κωδικοποίησης ονομάζεται δυνητικός κώδικας, ο οποίος χρησιμοποιείται συχνά κατά τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ μπλοκ υπολογιστών.

Στο διαμόρφωση εύρους(Εικ. 2.13, 6) για μια λογική μονάδα επιλέγεται ένα επίπεδο του πλάτους του ημιτονοειδούς φέρουσας συχνότητας και για ένα λογικό μηδέν - ένα άλλο. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σπάνια στην καθαρή της μορφή στην πράξη λόγω χαμηλής ατρωσίας θορύβου, αλλά χρησιμοποιείται συχνά σε συνδυασμό με έναν άλλο τύπο διαμόρφωσης - διαμόρφωση φάσης.

Στο διαμόρφωση συχνότητας (Εικ. 2.13, γ) οι τιμές 0 και 1 των δεδομένων πηγής μεταδίδονται από ημιτονοειδή με διαφορετικές συχνότητες - fo και fi. Αυτή η μέθοδος διαμόρφωσης δεν απαιτεί πολύπλοκα κυκλώματα σε μόντεμ και χρησιμοποιείται συνήθως σε μόντεμ χαμηλής ταχύτητας που λειτουργούν στα 300 ή 1200 bps.

Στο διαμόρφωση φάσης(Εικ. 2.13, δ) οι τιμές δεδομένων 0 και 1 αντιστοιχούν σε σήματα της ίδιας συχνότητας, αλλά με διαφορετικές φάσεις, για παράδειγμα 0 και 180 μοίρες ή 0,90,180 και 270 μοίρες.

Τα μόντεμ υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούν συχνά συνδυασμένες μεθόδους διαμόρφωσης, συνήθως πλάτους σε συνδυασμό με φάση.

Κεφάλαιο 2. Βασικά στοιχεία Διακριτικής Μεταφοράς Δεδομένων

Διαμορφωμένο φάσμα σήματος

Το φάσμα του προκύπτοντος διαμορφωμένου σήματος εξαρτάται από τον τύπο της διαμόρφωσης και τον ρυθμό διαμόρφωσης, δηλαδή τον επιθυμητό ρυθμό μετάδοσης bit της αρχικής πληροφορίας.

Ας εξετάσουμε πρώτα το φάσμα του σήματος κατά την κωδικοποίηση δυναμικού. Έστω ένα λογικό να κωδικοποιείται από ένα θετικό δυναμικό και ένα λογικό μηδέν με ένα αρνητικό δυναμικό ίδιου μεγέθους. Για να απλοποιήσουμε τους υπολογισμούς, υποθέτουμε ότι μεταδίδονται πληροφορίες που αποτελούνται από μια άπειρη ακολουθία εναλλασσόμενων μονάδων και μηδενικών, όπως φαίνεται στο Σχ. 2.13, ΕΝΑ.Σημειώστε ότι σε αυτήν την περίπτωση οι τιμές του baud και των bits ανά δευτερόλεπτο είναι οι ίδιες.

Για την κωδικοποίηση δυναμικού, το φάσμα λαμβάνεται απευθείας από τους τύπους Fourier για την περιοδική συνάρτηση. Εάν τα διακριτά δεδομένα μεταδίδονται με ρυθμό bit N bit/s, τότε το φάσμα αποτελείται από μια σταθερή συνιστώσα μηδενικής συχνότητας και μια άπειρη σειρά αρμονικών με συχνότητες fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., όπου fo = N /2. Τα πλάτη αυτών των αρμονικών μειώνονται αρκετά αργά - με συντελεστές 1/3, 1/5,1/7,... από το πλάτος της αρμονικής fo (Εικ. 2.14, ΕΝΑ).Ως αποτέλεσμα, το φάσμα του δυνητικού κώδικα απαιτεί μεγάλο εύρος ζώνης για μετάδοση υψηλής ποιότητας. Επιπλέον, πρέπει να λάβετε υπόψη ότι στην πραγματικότητα το φάσμα του σήματος αλλάζει συνεχώς ανάλογα με τα δεδομένα που μεταδίδονται μέσω της γραμμής επικοινωνίας. Για παράδειγμα, η μετάδοση μιας μεγάλης ακολουθίας μηδενικών ή μονάδων μετατοπίζει το φάσμα στο πλάι χαμηλές συχνότητες, και στην ακραία περίπτωση, όταν τα μεταδιδόμενα δεδομένα αποτελούνται μόνο από ένα (ή μόνο μηδενικά), το φάσμα αποτελείται από μια αρμονική μηδενικής συχνότητας. Κατά τη μετάδοση εναλλασσόμενων μονάδων και μηδενικών, δεν υπάρχει σταθερή συνιστώσα. Επομένως, το φάσμα του προκύπτοντος σήματος δυνητικού κώδικα κατά τη μετάδοση αυθαίρετων δεδομένων καταλαμβάνει μια ζώνη από μια ορισμένη τιμή κοντά στα 0 Hz έως περίπου 7fo (οι αρμονικές με συχνότητες πάνω από 7fo μπορούν να παραμεληθούν λόγω της μικρής συμβολής τους στο σήμα που προκύπτει). Για ένα κανάλι συχνότητας φωνής, το ανώτερο όριο για την κωδικοποίηση δυναμικού επιτυγχάνεται για ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 971 bps και το κατώτερο όριο είναι απαράδεκτο για οποιαδήποτε ταχύτητα, καθώς το εύρος ζώνης του καναλιού ξεκινά από τα 300 Hz. Ως αποτέλεσμα, οι πιθανοί κωδικοί στα κανάλια φωνής δεν χρησιμοποιούνται ποτέ.

2.2. Μέθοδοι για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων σε φυσικό επίπεδο 135

Με τη διαμόρφωση πλάτους, το φάσμα αποτελείται από ένα ημιτονοειδές της φέρουσας συχνότητας f c και δύο πλευρικές αρμονικές: (f c + f m) και (f c - f m), όπου f m είναι η συχνότητα αλλαγής της παραμέτρου πληροφοριών του ημιτονοειδούς, η οποία συμπίπτει με ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων όταν χρησιμοποιούνται δύο επίπεδα πλάτους (Εικ. 2.14, 6). Η συχνότητα f m καθορίζει τη χωρητικότητα της γραμμής στο αυτή τη μέθοδοκωδικοποίηση. Σε μια μικρή συχνότητα διαμόρφωσης, το πλάτος του φάσματος σήματος θα είναι επίσης μικρό (ίσο με 2f m), επομένως τα σήματα δεν θα παραμορφώνονται από τη γραμμή εάν το εύρος ζώνης της είναι μεγαλύτερο ή ίσο με 2f m. Για ένα κανάλι συχνότητας φωνής, αυτή η μέθοδος διαμόρφωσης είναι αποδεκτή με ρυθμό μεταφοράς δεδομένων όχι μεγαλύτερο από 3100/2=1550 bps. Εάν χρησιμοποιούνται 4 επίπεδα πλάτους για την παρουσίαση δεδομένων, τότε η χωρητικότητα του καναλιού αυξάνεται στα 3100 bps.

Με τη διαμόρφωση φάσης και συχνότητας, το φάσμα του σήματος είναι πιο περίπλοκο από ό,τι με τη διαμόρφωση πλάτους, αφού εδώ σχηματίζονται περισσότερες από δύο πλευρικές αρμονικές, αλλά είναι επίσης συμμετρικά τοποθετημένες σε σχέση με την κύρια φέρουσα συχνότητα και τα πλάτη τους μειώνονται γρήγορα. Επομένως, αυτοί οι τύποι διαμόρφωσης είναι επίσης κατάλληλοι για μετάδοση δεδομένων μέσω καναλιού φωνής.

Για να αυξηθεί ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων, χρησιμοποιούνται συνδυασμένες μέθοδοι διαμόρφωσης. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι είναι διαμόρφωση πλάτους τετραγωνισμού (QAM).Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται σε συνδυασμό διαμόρφωσης φάσης με 8 τιμές μετατόπισης φάσης και διαμόρφωσης πλάτους με 4 επίπεδα πλάτους. Ωστόσο, από τους 32 πιθανούς συνδυασμούς σημάτων, δεν χρησιμοποιούνται όλοι. Για παράδειγμα, στους κωδικούς ΚαφασωτόΜόνο 6, 7 ή 8 συνδυασμοί επιτρέπεται να αντιπροσωπεύουν τα αρχικά δεδομένα και οι υπόλοιποι συνδυασμοί απαγορεύονται. Ένας τέτοιος πλεονασμός κωδικοποίησης απαιτείται για το μόντεμ να αναγνωρίζει λανθασμένα σήματα που προκύπτουν από παραμορφώσεις λόγω παρεμβολών, τα οποία στα τηλεφωνικά κανάλια, ειδικά στα τηλεφωνικά κανάλια, είναι πολύ σημαντικά σε πλάτος και μεγάλο χρονικό διάστημα.

2.2.2. Ψηφιακή κωδικοποίηση

Κατά την ψηφιακή κωδικοποίηση διακριτών πληροφοριών, χρησιμοποιούνται κωδικοί δυναμικού και παλμού.

Στους δυνητικούς κωδικούς, χρησιμοποιείται μόνο η δυναμική τιμή του σήματος για την αναπαράσταση λογικών μονάδων και μηδενικών, και οι πτώσεις του, που σχηματίζουν πλήρεις παλμούς, δεν λαμβάνονται υπόψη. Οι κωδικοί παλμών σάς επιτρέπουν να αναπαραστήσετε δυαδικά δεδομένα είτε ως παλμούς συγκεκριμένης πολικότητας είτε ως μέρος ενός παλμού - μια διαφορά δυναμικού σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Απαιτήσεις για μεθόδους ψηφιακής κωδικοποίησης

Όταν χρησιμοποιείτε ορθογώνιους παλμούς για τη μετάδοση διακριτών πληροφοριών, είναι απαραίτητο να επιλέξετε μια μέθοδο κωδικοποίησης που επιτυγχάνει ταυτόχρονα πολλούς στόχους:

Με τον ίδιο ρυθμό bit, είχε το μικρότερο εύρος φάσματος του προκύπτοντος σήματος.

Παρέχεται συγχρονισμός μεταξύ πομπού και δέκτη.

Κατείχε την ικανότητα να αναγνωρίζει λάθη.

Είχε χαμηλό κόστος υλοποίησης.

136 Κεφάλαιο 2 Βασικά στοιχεία της διακριτής μεταφοράς δεδομένων

Ένα στενότερο φάσμα σημάτων επιτρέπει σε κάποιον να επιτύχει υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς δεδομένων στην ίδια γραμμή (με το ίδιο εύρος ζώνης). Επιπλέον, το φάσμα σήματος συχνά υπόκειται στην απαίτηση να μην υπάρχει σταθερή συνιστώσα, δηλαδή η παρουσία συνεχές ρεύμαμεταξύ πομπού και δέκτη. Ειδικότερα, η χρήση διαφόρων κυκλωμάτων μετασχηματιστών γαλβανική μόνωσηεμποδίζει τη διέλευση συνεχούς ρεύματος.

Ο συγχρονισμός του πομπού και του δέκτη είναι απαραίτητος, ώστε ο δέκτης να γνωρίζει ακριβώς σε ποιο χρονικό σημείο είναι απαραίτητο να διαβάσει νέες πληροφορίες από τη γραμμή επικοινωνίας. Αυτό το πρόβλημα είναι πιο δύσκολο να λυθεί σε δίκτυα παρά κατά την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ συσκευών που βρίσκονται κοντά, για παράδειγμα, μεταξύ μονάδων μέσα σε έναν υπολογιστή ή μεταξύ ενός υπολογιστή και ενός εκτυπωτή. Επί ΚΟΝΤΙΝΕΣ ΑΠΟΣΤΑΣΕΙΣΈνα σχήμα που βασίζεται σε ξεχωριστή γραμμή επικοινωνίας ρολογιού λειτουργεί καλά (Εικ. 2.15), έτσι ώστε οι πληροφορίες να αφαιρούνται από τη γραμμή δεδομένων μόνο τη στιγμή που φθάνει ο παλμός του ρολογιού. Στα δίκτυα, η χρήση αυτού του σχήματος προκαλεί δυσκολίες λόγω της ετερογένειας των χαρακτηριστικών των αγωγών στα καλώδια. Σε μεγάλες αποστάσεις, η άνιση ταχύτητα διάδοσης του σήματος μπορεί να προκαλέσει την άφιξη του παλμού του ρολογιού τόσο αργά ή πριν από το αντίστοιχο σήμα δεδομένων ώστε το bit δεδομένων να παραλειφθεί ή να ξαναδιαβαστεί. Ένας άλλος λόγος για τον οποίο τα δίκτυα αρνούνται να χρησιμοποιήσουν παλμούς ρολογιού είναι η εξοικονόμηση αγωγών σε ακριβά καλώδια.

Επομένως, τα δίκτυα χρησιμοποιούν τα λεγόμενα αυτοσυγχρονιζόμενοι κωδικοί,τα σήματα των οποίων φέρουν οδηγίες για τον πομπό σε ποια χρονική στιγμή είναι απαραίτητο να αναγνωρίσει το επόμενο bit (ή πολλά bit, εάν ο κώδικας εστιάζεται σε περισσότερες από δύο καταστάσεις σήματος). Οποιαδήποτε απότομη αλλαγή στο σήμα - η λεγόμενη άκρη - μπορεί να χρησιμεύσει ως καλή ένδειξη για το συγχρονισμό του δέκτη με τον πομπό.

Όταν χρησιμοποιείτε ημιτονοειδή ως σήμα φορέα, ο κώδικας που προκύπτει έχει την ιδιότητα αυτοσυγχρονισμού, καθώς η αλλαγή του πλάτους της φέρουσας συχνότητας επιτρέπει στον δέκτη να προσδιορίσει τη στιγμή που εμφανίζεται ο κωδικός εισόδου.

Η αναγνώριση και η διόρθωση των παραμορφωμένων δεδομένων είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί με τη χρήση μέσων του φυσικού επιπέδου, επομένως τις περισσότερες φορές αυτή η εργασία αναλαμβάνεται από τα πρωτόκολλα που βρίσκονται παραπάνω: κανάλι, δίκτυο, μεταφορά ή εφαρμογή. Από την άλλη πλευρά, η αναγνώριση σφαλμάτων στο φυσικό επίπεδο εξοικονομεί χρόνο, αφού ο δέκτης δεν περιμένει να τοποθετηθεί τελείως το πλαίσιο στο buffer, αλλά το απορρίπτει αμέσως όταν αναγνωρίσει λανθασμένα bits μέσα στο πλαίσιο.

Οι απαιτήσεις για τις μεθόδους κωδικοποίησης είναι αμοιβαία αντιφατικές, επομένως καθεμία από τις δημοφιλείς μεθόδους ψηφιακής κωδικοποίησης που συζητούνται παρακάτω έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σε σύγκριση με άλλες.

______________________________2.2. Μέθοδοι μετάδοσης διακριτών δεδομένων σε φυσικό επίπεδο _______137

Δυνητικός κωδικός χωρίς επιστροφή στο μηδέν

Στο Σχ. 2.16, και δείχνει την προαναφερθείσα μέθοδο κωδικοποίησης πιθανών, που ονομάζεται επίσης κωδικοποίηση χωρίς επιστροφή στο μηδέν (Non Return to Zero, NRZ).Το επώνυμο αντικατοπτρίζει το γεγονός ότι κατά τη μετάδοση μιας ακολουθίας μονάδων, το σήμα δεν επιστρέφει στο μηδέν κατά τη διάρκεια του κύκλου του ρολογιού (όπως θα δούμε παρακάτω, σε άλλες μεθόδους κωδικοποίησης εμφανίζεται μια επιστροφή στο μηδέν σε αυτήν την περίπτωση). Η μέθοδος NRZ είναι εύκολη στην εφαρμογή, έχει καλή αναγνώριση σφαλμάτων (λόγω δύο έντονα διαφορετικών δυνατοτήτων), αλλά δεν έχει την ιδιότητα του αυτοσυγχρονισμού. Κατά τη μετάδοση μιας μεγάλης ακολουθίας μονάδων ή μηδενικών, το σήμα στη γραμμή δεν αλλάζει, επομένως ο δέκτης δεν μπορεί να προσδιορίσει από το σήμα εισόδου τις χρονικές στιγμές που είναι απαραίτητο να διαβάσει ξανά τα δεδομένα. Ακόμη και με μια γεννήτρια ρολογιού υψηλής ακρίβειας, ο δέκτης μπορεί να κάνει λάθος με τη στιγμή της συλλογής δεδομένων, καθώς οι συχνότητες των δύο γεννητριών δεν είναι ποτέ εντελώς ίδιες. Επομένως, σε υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και μεγάλες ακολουθίες ενός ή μηδενικού, μια μικρή αναντιστοιχία ρολογιού μπορεί να οδηγήσει σε σφάλμα ολόκληρου του κύκλου ρολογιού και, κατά συνέπεια, σε λανθασμένη ανάγνωση τιμής bit.

Ένα άλλο σοβαρό μειονέκτημα της μεθόδου NRZ είναι η παρουσία μιας συνιστώσας χαμηλής συχνότητας που πλησιάζει το μηδέν κατά τη μετάδοση μεγάλων ακολουθιών μονάδων ή μηδενικών. Εξαιτίας αυτού, πολλά κανάλια επικοινωνίας δεν παρέχουν

138 Κεφάλαιο 2 Βασικές αρχές της διακριτής μεταφοράς δεδομένων

Αυτά που παρέχουν άμεση γαλβανική σύνδεση μεταξύ του δέκτη και της πηγής δεν υποστηρίζουν αυτόν τον τύπο κωδικοποίησης. Ως αποτέλεσμα, ο κώδικας NRZ στην καθαρή του μορφή δεν χρησιμοποιείται σε δίκτυα. Ωστόσο, χρησιμοποιούνται διάφορες τροποποιήσεις του, οι οποίες εξαλείφουν τόσο τον κακό αυτοσυγχρονισμό του κώδικα NRZ όσο και την παρουσία ενός σταθερού στοιχείου. Η ελκυστικότητα του κώδικα NRZ, που καθιστά χρήσιμη τη βελτίωσή του, είναι η αρκετά χαμηλή θεμελιώδης συχνότητα fo, η οποία είναι ίση με N/2 Hz, όπως παρουσιάστηκε στην προηγούμενη ενότητα. Σε άλλες μεθόδους κωδικοποίησης, όπως το Μάντσεστερ, η θεμελιώδης αρμονική έχει υψηλότερη συχνότητα.

Διπολική μέθοδος κωδικοποίησης με εναλλακτική αντιστροφή

Μία από τις τροποποιήσεις της μεθόδου NRZ είναι η μέθοδος διπολική κωδικοποίηση με εναλλακτική αντιστροφή (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI).Σε αυτή τη μέθοδο (Εικ. 2.16, 6) Χρησιμοποιούνται τρία επίπεδα δυναμικού - αρνητικό, μηδενικό και θετικό. Για την κωδικοποίηση ενός λογικού μηδέν, χρησιμοποιείται ένα μηδενικό δυναμικό και ένα λογικό κωδικοποιείται είτε από ένα θετικό δυναμικό είτε από ένα αρνητικό, με το δυναμικό κάθε νέας μονάδας να είναι αντίθετο από το δυναμικό της προηγούμενης.

Ο κωδικός AMI εξαλείφει εν μέρει το DC και τα προβλήματα αυτοσυγχρονισμού που είναι εγγενή στον κώδικα NRZ. Αυτό συμβαίνει όταν μεταδίδονται μεγάλες ακολουθίες από αυτές. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το σήμα στη γραμμή είναι μια ακολουθία αντίθετα πολωμένων παλμών με το ίδιο φάσμα με τον κώδικα NRZ, που εκπέμπουν εναλλασσόμενα μηδενικά και μονάδες, δηλαδή χωρίς σταθερή συνιστώσα και με θεμελιώδη αρμονική N/2 Hz (όπου N είναι ο ρυθμός μετάδοσης bit της μεταφοράς δεδομένων). Οι μεγάλες ακολουθίες μηδενικών είναι εξίσου επικίνδυνες για τον κώδικα AMI όσο και για τον κώδικα NRZ - το σήμα εκφυλίζεται σε ένα σταθερό δυναμικό μηδενικού πλάτους. Επομένως, ο κώδικας AMI απαιτεί περαιτέρω βελτίωση, αν και η εργασία είναι απλοποιημένη - το μόνο που μένει είναι να ασχοληθούμε με ακολουθίες μηδενικών.

Γενικά, για διαφορετικούς συνδυασμούς δυαδικών ψηφίων σε μια γραμμή, η χρήση του κώδικα AMI έχει ως αποτέλεσμα ένα στενότερο φάσμα σήματος από τον κώδικα NRZ, και επομένως υψηλότερο εύρος ζώνηςγραμμές. Για παράδειγμα, κατά τη μετάδοση εναλλασσόμενων μονάδων και μηδενικών, η θεμελιώδης αρμονική fo έχει συχνότητα N/4 Hz. Ο κωδικός AMI παρέχει επίσης ορισμένες δυνατότητες για την αναγνώριση λανθασμένων σημάτων. Έτσι, μια παραβίαση της αυστηρής εναλλαγής της πολικότητας του σήματος υποδηλώνει έναν ψευδή παλμό ή την εξαφάνιση ενός σωστού παλμού από τη γραμμή. Ένα σήμα με λανθασμένη πολικότητα ονομάζεται ένα απαγορευμένο σήμα (παραβίαση σήματος).

Ο κωδικός AMI χρησιμοποιεί όχι δύο, αλλά τρία επίπεδα σήματος στη γραμμή. Το πρόσθετο στρώμα απαιτεί μια αύξηση στην ισχύ του πομπού κατά περίπου 3 dB για να παρέχει την ίδια πιστότητα bit στη γραμμή, κάτι που είναι κοινό μειονέκτημα κωδικών με πολλαπλές καταστάσεις σήματος σε σύγκριση με κώδικες που διακρίνουν μόνο δύο καταστάσεις.

Δυνητικός κωδικός με αντιστροφή στο ένα

Υπάρχει κωδικός παρόμοιος με τον AMI, αλλά με μόνο δύο επίπεδα σήματος. Όταν εκπέμπει ένα μηδέν, μεταδίδει το δυναμικό που είχε οριστεί στον προηγούμενο κύκλο (δηλαδή, δεν το αλλάζει) και όταν μεταδίδει ένα, το δυναμικό αντιστρέφεται στο αντίθετο. Αυτός ο κωδικός ονομάζεται δυνητικός κώδικας με αντιστροφή στο ένα

2.2. Μέθοδοι για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων σε φυσικό επίπεδο 139

(Μη επιστροφή στο μηδέν με ανεστραμμένες μονάδες, NRZI).Αυτός ο κωδικός είναι βολικός σε περιπτώσεις όπου η χρήση ενός τρίτου επιπέδου σήματος είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη, για παράδειγμα σε οπτικά καλώδια, όπου αναγνωρίζονται με συνέπεια δύο καταστάσεις σήματος - φως και σκοτάδι. Δύο μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση πιθανών κωδικών όπως AMI και NRZI. Η πρώτη μέθοδος βασίζεται στην προσθήκη περιττών bits που περιέχουν λογικά στον πηγαίο κώδικα. Προφανώς, σε αυτή την περίπτωση, οι μεγάλες ακολουθίες μηδενικών διακόπτονται και ο κώδικας γίνεται αυτοσυγχρονιζόμενος για τυχόν μεταδιδόμενα δεδομένα. Η σταθερή συνιστώσα εξαφανίζεται επίσης, πράγμα που σημαίνει ότι το φάσμα του σήματος στενεύει ακόμη περισσότερο. Αλλά αυτή η μέθοδος μειώνει τη χρήσιμη χωρητικότητα της γραμμής, καθώς δεν μεταφέρονται περιττές μονάδες πληροφοριών χρήστη. Μια άλλη μέθοδος βασίζεται στην προκαταρκτική «ανάμιξη» των αρχικών πληροφοριών, έτσι ώστε η πιθανότητα εμφάνισης μονάδων και μηδενικών στη γραμμή να πλησιάζει. Οι συσκευές ή τα μπλοκ που εκτελούν μια τέτοια λειτουργία καλούνται κρέμπλερ(ανακατωσούρα - χωματερή, άτακτη συναρμολόγηση). Κατά την κρυπτογράφηση, χρησιμοποιείται ένας πολύ γνωστός αλγόριθμος, οπότε ο δέκτης, έχοντας λάβει δυαδικά δεδομένα, τα μεταδίδει σε αποκωδικοποιητής,που επαναφέρει την αρχική ακολουθία bit. Σε αυτήν την περίπτωση, τα πλεονάζοντα bits δεν μεταδίδονται μέσω της γραμμής. Και οι δύο μέθοδοι αναφέρονται σε λογική και όχι φυσική κωδικοποίηση, καθώς δεν καθορίζουν το σχήμα των σημάτων στη γραμμή. Μελετώνται λεπτομερέστερα στην επόμενη ενότητα.

Διπολικός κωδικός παλμού

Εκτός από τους πιθανούς κωδικούς, οι παλμικοί κώδικες χρησιμοποιούνται επίσης σε δίκτυα, όταν τα δεδομένα αντιπροσωπεύονται από έναν πλήρη παλμό ή μέρος αυτού - μια άκρη. Η απλούστερη περίπτωση αυτής της προσέγγισης είναι διπολικός κωδικός παλμού,όπου το ένα αντιπροσωπεύεται από έναν παλμό μιας πολικότητας και το μηδέν με μια άλλη (Εικ. 2.16, V).Κάθε σφυγμός διαρκεί μισό χτύπο. Ένας τέτοιος κώδικας έχει εξαιρετικές ιδιότητες αυτοσυγχρονισμού, αλλά μπορεί να υπάρχει ένα σταθερό στοιχείο, για παράδειγμα, κατά τη μετάδοση μιας μεγάλης ακολουθίας μονάδων ή μηδενικών. Επιπλέον, το φάσμα του είναι ευρύτερο από αυτό των πιθανών κωδικών. Έτσι, κατά τη μετάδοση όλων των μηδενικών ή ενός, η συχνότητα της θεμελιώδους αρμονικής του κώδικα θα είναι ίση με N Hz, η οποία είναι δύο φορές υψηλότερη από τη θεμελιώδη αρμονική του κώδικα NRZ και τέσσερις φορές υψηλότερη από τη θεμελιώδη αρμονική του κώδικα AMI κατά τη μετάδοση εναλλασσόμενων μονάδων και μηδενικών. Λόγω του πολύ μεγάλου φάσματος του, ο διπολικός κώδικας παλμών χρησιμοποιείται σπάνια.

Κωδικός Μάντσεστερ

ΣΕ τοπικά δίκτυαΜέχρι πρόσφατα, η πιο διαδεδομένη μέθοδος κωδικοποίησης ήταν η λεγόμενη Κωδικός Μάντσεστερ(Εικ. 2.16, δ). Χρησιμοποιείται σε τεχνολογίες Ethernet και Token Ring.

Ο κώδικας του Manchester χρησιμοποιεί μια διαφορά δυναμικού, δηλαδή την άκρη ενός παλμού, για να κωδικοποιήσει ένα και μηδενικά. Με την κωδικοποίηση Manchester, κάθε μέτρο χωρίζεται σε δύο μέρη. Οι πληροφορίες κωδικοποιούνται από πιθανές πτώσεις που συμβαίνουν στη μέση κάθε κύκλου ρολογιού. Το ένα κωδικοποιείται από μια ακμή από ένα χαμηλό επίπεδο σήματος σε ένα υψηλό, και ένα μηδέν κωδικοποιείται από μια αντίστροφη ακμή. Στην αρχή κάθε κύκλου ρολογιού, μπορεί να προκύψει πτώση σήματος, εάν χρειαστεί να αναπαραστήσετε πολλά μονόμετρα ή μηδενικά στη σειρά. Δεδομένου ότι το σήμα αλλάζει τουλάχιστον μία φορά ανά κύκλο ρολογιού μετάδοσης ενός bit δεδομένων, ο κώδικας του Manchester έχει καλό

140 Κεφάλαιο 2 Βασικά στοιχεία της διακριτής μεταφοράς δεδομένων _____________________________________________

αυτοσυγχρονιζόμενες ιδιότητες. Το εύρος ζώνης του κώδικα Μάντσεστερ είναι στενότερο από αυτό του διπολικού παλμού. Επίσης δεν έχει συνιστώσα DC και η θεμελιώδης αρμονική στη χειρότερη περίπτωση (όταν εκπέμπει μια ακολουθία μονάδων ή μηδενικών) έχει συχνότητα N Hz και στην καλύτερη περίπτωση (όταν εκπέμπει εναλλασσόμενα και μηδενικά) είναι ίση με N / 2 Hz, όπως AMI ή NRZ Κατά μέσο όρο, το εύρος ζώνης του κώδικα του Μάντσεστερ είναι μιάμιση φορά πιο στενό από αυτό του διπολικού κώδικα παλμού και η θεμελιώδης αρμονική κυμαίνεται γύρω από την τιμή 3N/4. Ο κώδικας του Manchester έχει ένα άλλο πλεονέκτημα έναντι του διπολικού κωδικού παλμού. Το τελευταίο χρησιμοποιεί τρία επίπεδα σήματος για τη μετάδοση δεδομένων, ενώ το του Μάντσεστερ δύο.

Δυνητικός κωδικός 2B1Q

Στο Σχ. 2.16, ρεδείχνει έναν πιθανό κωδικό με τέσσερα επίπεδα σήματος για την κωδικοποίηση δεδομένων. Αυτός είναι ο κωδικός 2Β1Qτο όνομα του οποίου αντικατοπτρίζει την ουσία του - κάθε δύο bit (2B) μεταδίδονται σε έναν κύκλο ρολογιού από ένα σήμα που έχει τέσσερις καταστάσεις (1Q). Το ζεύγος bit 00 αντιστοιχεί σε δυναμικό -2,5 V, το ζεύγος bit 01 αντιστοιχεί σε δυναμικό -0,833 V, το ζεύγος I αντιστοιχεί σε δυναμικό +0,833 V και το ζεύγος 10 αντιστοιχεί σε δυναμικό +2,5 V. Με αυτήν την κωδικοποίηση Μέθοδος, απαιτούνται πρόσθετα μέτρα για την καταπολέμηση μεγάλων ακολουθιών πανομοιότυπων ζευγών bit, καθώς στην περίπτωση αυτή το σήμα μετατρέπεται σε σταθερό στοιχείο. Με την τυχαία παρεμβολή bit, το φάσμα του σήματος είναι δύο φορές πιο στενό από αυτό του κώδικα NRZ, αφού με τον ίδιο ρυθμό bit η διάρκεια του ρολογιού διπλασιάζεται. Έτσι, χρησιμοποιώντας τον κωδικό 2B1Q, μπορείτε να μεταφέρετε δεδομένα στην ίδια γραμμή δύο φορές πιο γρήγορα από ότι χρησιμοποιώντας τον κωδικό AMI ή NRZI. Ωστόσο, για να το εφαρμόσετε, η ισχύς του πομπού πρέπει να είναι υψηλότερη, ώστε τα τέσσερα επίπεδα να διακρίνονται καθαρά από τον δέκτη σε φόντο παρεμβολών.

2.2.3. Λογική κωδικοποίηση

Η λογική κωδικοποίηση χρησιμοποιείται για τη βελτίωση πιθανών κωδικών όπως AMI, NRZI ή 2Q1B. Η λογική κωδικοποίηση πρέπει να αντικαταστήσει μεγάλες ακολουθίες bit που οδηγούν σε σταθερό δυναμικό με διάσπαρτες. Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η λογική κωδικοποίηση χαρακτηρίζεται από δύο μεθόδους - πλεονάζοντες κωδικούς και κρυπτογράφηση.

Περιττοί κωδικοί

Περιττοί κωδικοίβασίζονται στο σπάσιμο της αρχικής ακολουθίας bit σε κομμάτια, που συχνά ονομάζονται σύμβολα. Στη συνέχεια, κάθε αρχικός χαρακτήρας αντικαθίσταται με έναν νέο που έχει περισσότερα bits από τον αρχικό. Για παράδειγμα, ο λογικός κώδικας 4V/5V που χρησιμοποιείται στις τεχνολογίες FDDI και Fast Ethernet αντικαθιστά τα αρχικά σύμβολα 4 bit με σύμβολα 5 bit. Δεδομένου ότι τα σύμβολα που προκύπτουν περιέχουν περιττά bit, ο συνολικός αριθμός συνδυασμών bit σε αυτά είναι μεγαλύτερος από ό,τι στα αρχικά. Έτσι, σε έναν κωδικό 4B/5B, τα σύμβολα που προκύπτουν μπορούν να περιέχουν συνδυασμούς 32 bit, ενώ τα αρχικά σύμβολα περιέχουν μόνο 16. Επομένως, στον κώδικα που προκύπτει, μπορείτε να επιλέξετε 16 τέτοιους συνδυασμούς που δεν περιέχουν μεγάλο αριθμό μηδενικών και μετρήστε τα υπόλοιπα απαγορευμένοι κωδικοί (παραβίαση κώδικα).Εκτός από την εξάλειψη του σταθερού στοιχείου και την παροχή στον κώδικα ιδιότητες αυτοσυγχρονισμού, οι περιττοί κωδικοί επιτρέπουν

2.2. Μέθοδοι για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων σε φυσικό επίπεδο 141

ο δέκτης μπορεί να αναγνωρίσει τα κατεστραμμένα bit. Εάν ο δέκτης λάβει παράνομο κωδικό, σημαίνει ότι το σήμα έχει παραμορφωθεί στη γραμμή.

Η αντιστοιχία μεταξύ των κωδικών πηγής και αποτελέσματος 4B/5B παρουσιάζεται παρακάτω.

Ο κώδικας 4B/5B μεταδίδεται στη συνέχεια μέσω της γραμμής χρησιμοποιώντας φυσική κωδικοποίηση χρησιμοποιώντας μία από τις πιθανές μεθόδους κωδικοποίησης, η οποία είναι ευαίσθητη μόνο σε μεγάλες ακολουθίες μηδενικών. Τα σύμβολα κωδικών 4B/5B, μήκους 5 bit, εγγυώνται ότι ανεξάρτητα από το πώς συνδυάζονται, περισσότερα από τρία μηδενικά στη σειρά δεν μπορούν να εμφανιστούν στη γραμμή.

Το γράμμα Β στο όνομα του κώδικα σημαίνει ότι το στοιχειώδες σήμα έχει 2 καταστάσεις - από το αγγλικό δυαδικό - δυαδικό. Υπάρχουν επίσης κώδικες με τρεις καταστάσεις σήματος, για παράδειγμα, στον κώδικα 8B/6T, για την κωδικοποίηση 8 bit πληροφοριών πηγής, χρησιμοποιείται ένας κωδικός 6 σημάτων, καθένα από τα οποία έχει τρεις καταστάσεις. Ο πλεονασμός του κώδικα 8B/6T είναι υψηλότερος από αυτόν του κώδικα 4B/5B, αφού για 256 πηγαίους κωδικούς υπάρχουν 3 6 = 729 σύμβολα που προκύπτουν.

Η χρήση ενός πίνακα αναζήτησης είναι μια πολύ απλή λειτουργία, επομένως αυτή η προσέγγιση δεν προσθέτει πολυπλοκότητα στους προσαρμογείς δικτύου και στα μπλοκ διασύνδεσης των μεταγωγέων και των δρομολογητών.

Για να διασφαλιστεί μια δεδομένη χωρητικότητα γραμμής, ένας πομπός που χρησιμοποιεί πλεονάζοντα κωδικό πρέπει να λειτουργεί με αυξημένη συχνότητα ρολογιού. Έτσι, για να μεταδώσει κωδικούς 4B/5B με ταχύτητα 100 Mb/s, ο πομπός πρέπει να λειτουργεί σε συχνότητα ρολογιού 125 MHz. Σε αυτή την περίπτωση, το φάσμα του σήματος στη γραμμή επεκτείνεται σε σύγκριση με την περίπτωση που ένας καθαρός, μη περιττός κώδικας μεταδίδεται κατά μήκος της γραμμής. Ωστόσο, το φάσμα του πλεονάζοντος δυναμικού κώδικα αποδεικνύεται στενότερο από το φάσμα του κώδικα του Manchester, γεγονός που δικαιολογεί το πρόσθετο στάδιο της λογικής κωδικοποίησης, καθώς και τη λειτουργία του δέκτη και του πομπού σε αυξημένη συχνότητα ρολογιού.

Ανακατεύοντας

Η ανακάτεμα των δεδομένων με έναν αναδευτήρα προτού τα περάσετε στη γραμμή χρησιμοποιώντας έναν πιθανό κώδικα είναι ένας άλλος τρόπος λογικής κωδικοποίησης.

Οι μέθοδοι κρυπτογράφησης αποτελούνται από τον κατά bit υπολογισμό του προκύπτοντος κώδικα με βάση τα bit πηγαίος κώδικαςκαι τα προκύπτοντα bits κώδικα που ελήφθησαν σε προηγούμενους κύκλους ρολογιού. Για παράδειγμα, ένας scrambler μπορεί να εφαρμόσει την ακόλουθη σχέση:

Bi - Ai 8 Bi-z f Bi. 5 ,

όπου bi είναι το δυαδικό ψηφίο του προκύπτοντος κώδικα που λαμβάνεται στον i-ο κύκλο ρολογιού του scrambler, ai είναι το δυαδικό ψηφίο του πηγαίου κώδικα που λαμβάνεται στον i-ο κύκλο ρολογιού στο

142 Κεφάλαιο 2 Βασικά στοιχεία της διακριτής μεταφοράς δεδομένων

Είσοδος scrambler, B^3 και B t .5 - δυαδικά ψηφία του προκύπτοντος κωδικού που ελήφθησαν στους προηγούμενους κύκλους του scrambler, αντίστοιχα 3 και 5 κύκλοι ρολογιού νωρίτερα από τον τρέχοντα κύκλο ρολογιού, 0 - αποκλειστική λειτουργία OR (προσθήκη modulo 2) .

Για παράδειγμα, για την αρχική ακολουθία 110110000001, ο αναδευτήρας θα δώσει τον ακόλουθο κωδικό αποτελέσματος:

bi = ai - 1 (τα τρία πρώτα ψηφία του προκύπτοντος κωδικού θα συμπίπτουν με τον αρχικό, καθώς δεν υπάρχουν ακόμη απαραίτητα προηγούμενα ψηφία)

Έτσι, η έξοδος του scrambler θα είναι η ακολουθία 110001101111, η οποία δεν περιέχει την ακολουθία των έξι μηδενικών που υπάρχουν στον πηγαίο κώδικα.

Μετά τη λήψη της ακολουθίας που προκύπτει, ο δέκτης τη μεταδίδει στον αποκωδικοποιητή, ο οποίος επαναφέρει την αρχική ακολουθία με βάση την αντίστροφη σχέση:

Οι διαφορετικοί αλγόριθμοι κρυπτογράφησης διαφέρουν ως προς τον αριθμό των όρων που δίνουν το προκύπτον κωδικό ψηφίο και τη μετατόπιση μεταξύ των όρων. Έτσι, μέσα Δίκτυα ISDNΚατά τη μετάδοση δεδομένων από το δίκτυο σε έναν συνδρομητή, χρησιμοποιείται ένας μετασχηματισμός με μετατοπίσεις 5 και 23 θέσεων και κατά τη μετάδοση δεδομένων από έναν συνδρομητή στο δίκτυο, χρησιμοποιείται μετασχηματισμός με μετατοπίσεις 18 και 23 θέσεων.

Υπάρχουν περισσότερα απλές μεθόδουςκαταπολέμηση αλληλουχιών μονάδων, που επίσης ταξινομούνται ως ανακαίνιση.

Για τη βελτίωση του Διπολικού κώδικα AMI, χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι, που βασίζονται στην τεχνητή παραμόρφωση της ακολουθίας των μηδενικών με παράνομους χαρακτήρες.

Στο Σχ. Το Σχήμα 2.17 δείχνει τη χρήση της μεθόδου B8ZS (Διπολική με Αντικατάσταση 8 Μηδενικών) και της μεθόδου HDB3 (Διπολική 3-Μηδενική Υψηλής Πυκνότητας) για τη ρύθμιση του κωδικού AMI. Ο πηγαίος κώδικας αποτελείται από δύο μεγάλες ακολουθίες μηδενικών: στην πρώτη περίπτωση - από το 8 και στη δεύτερη - από το 5.

Ο κωδικός B8ZS διορθώνει μόνο ακολουθίες που αποτελούνται από 8 μηδενικά. Για να γίνει αυτό, μετά τα τρία πρώτα μηδενικά, αντί για τα υπόλοιπα πέντε μηδενικά, εισάγει πέντε ψηφία: V-1*-0-V-1*. Το V εδώ υποδηλώνει ένα σήμα μονάδας που απαγορεύεται για έναν δεδομένο κύκλο πολικότητας, δηλαδή ένα σήμα που δεν αλλάζει την πολικότητα της προηγούμενης μονάδας, το 1* είναι ένα σήμα μονάδας της σωστής πολικότητας και το σύμβολο του αστερίσκου επισημαίνει ότι

2.2. Μέθοδοι για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων σε φυσικό επίπεδο 143

Το γεγονός είναι ότι στον πηγαίο κώδικα σε αυτόν τον κύκλο δεν υπήρχε μια μονάδα, αλλά ένα μηδέν. Ως αποτέλεσμα, σε 8 κύκλους ρολογιού ο δέκτης παρατηρεί 2 παραμορφώσεις - είναι πολύ απίθανο αυτό να συνέβη λόγω θορύβου γραμμής ή άλλων αστοχιών μετάδοσης. Επομένως, ο δέκτης θεωρεί τέτοιες παραβιάσεις ως κωδικοποίηση 8 διαδοχικών μηδενικών και, μετά τη λήψη, τις αντικαθιστά με τα αρχικά 8 μηδενικά. Ο κώδικας B8ZS είναι κατασκευασμένος με τέτοιο τρόπο ώστε η σταθερή συνιστώσα του να είναι μηδέν για οποιαδήποτε ακολουθία δυαδικών ψηφίων.

Ο κωδικός HDB3 διορθώνει τυχόν τέσσερα διαδοχικά μηδενικά στην αρχική ακολουθία. Οι κανόνες για τη δημιουργία του κώδικα HDB3 είναι πιο περίπλοκοι από τον κώδικα B8ZS. Κάθε τέσσερα μηδενικά αντικαθίστανται από τέσσερα σήματα, στα οποία υπάρχει ένα σήμα V. Για την καταστολή της συνιστώσας DC, η πολικότητα του σήματος V εναλλάσσεται σε διαδοχικές αντικαταστάσεις. Επιπλέον, δύο μοτίβα κωδικών τεσσάρων κύκλων χρησιμοποιούνται για αντικατάσταση. Εάν πριν από την αντικατάσταση ο πηγαίος κώδικας περιείχε μονό αριθμό μονάδων, τότε χρησιμοποιείται η ακολουθία OOOV και εάν ο αριθμός των ήταν ζυγός, χρησιμοποιείται η ακολουθία 1*OOV.

Οι βελτιωμένοι υποψήφιοι κωδικοί έχουν ένα αρκετά στενό εύρος ζώνης για οποιεσδήποτε ακολουθίες μονάδων και μηδενικών που εμφανίζονται στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Στο Σχ. Το σχήμα 2.18 δείχνει τα φάσματα των σημάτων διαφορετικών κωδικών που λαμβάνονται κατά τη μετάδοση αυθαίρετων δεδομένων, στα οποία είναι εξίσου πιθανοί διάφοροι συνδυασμοί μηδενικών και μονάδων στον πηγαίο κώδικα. Κατά τη σχεδίαση των γραφημάτων, ο μέσος όρος του φάσματος υπολογίστηκε σε όλα τα πιθανά σύνολα αρχικών ακολουθιών. Φυσικά, οι κωδικοί που προκύπτουν μπορεί να έχουν διαφορετική κατανομή μηδενικών και μονάδων. Από το Σχ. Το 2.18 δείχνει ότι ο δυνητικός κώδικας NRZ έχει καλό φάσμα με ένα μειονέκτημα - έχει μια σταθερή συνιστώσα. Οι κώδικες που λαμβάνονται από το δυναμικό με λογική κωδικοποίηση έχουν στενότερο φάσμα από το Μάντσεστερ, ακόμη και σε αυξημένη συχνότητα ρολογιού (στο σχήμα, το φάσμα του κώδικα 4B/5B θα πρέπει περίπου να συμπίπτει με τον κώδικα B8ZS, αλλά μετατοπίζεται

144 Κεφάλαιο 2 Βασικές αρχές διακριτής μετάδοσης δεδομένων

στην περιοχή των υψηλότερων συχνοτήτων, αφού η συχνότητα ρολογιού του είναι αυξημένη κατά 1/4 σε σύγκριση με άλλους κωδικούς). Αυτό εξηγεί τη χρήση πιθανών περιττών και κωδικοποιημένων κωδικών σύγχρονες τεχνολογίες, όπως FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN κ.λπ. αντί για Μάντσεστερ και διπολική κωδικοποίηση παλμών.

2.2.4. Διακριτή διαμόρφωση αναλογικών σημάτων

Μία από τις κύριες τάσεις στην ανάπτυξη τεχνολογιών δικτύου είναι η μετάδοση τόσο διακριτών όσο και αναλογικών δεδομένων σε ένα δίκτυο. Πηγές διακριτών δεδομένων είναι υπολογιστές και άλλες υπολογιστικές συσκευές και πηγές αναλογικών δεδομένων είναι συσκευές όπως τηλέφωνα, βιντεοκάμερες, εξοπλισμός αναπαραγωγής ήχου και βίντεο. Στα πρώτα στάδια επίλυσης αυτού του προβλήματος στα εδαφικά δίκτυα, όλα τα είδη δεδομένων μεταδίδονταν σε αναλογική μορφή, ενώ δεδομένα υπολογιστή που ήταν διακριτής φύσης μετατράπηκαν σε αναλογική μορφή χρησιμοποιώντας μόντεμ.

Ωστόσο, καθώς αναπτύχθηκε η τεχνολογία συλλογής και μετάδοσης αναλογικών δεδομένων, κατέστη σαφές ότι η μετάδοσή τους σε αναλογική μορφή δεν βελτιώνει την ποιότητα των δεδομένων που λαμβάνονται στο άλλο άκρο της γραμμής, εάν παραμορφώνονταν σημαντικά κατά τη μετάδοση. Το ίδιο το αναλογικό σήμα δεν δίνει καμία ένδειξη ότι έχει συμβεί παραμόρφωση ή πώς να το διορθώσετε, καθώς το σχήμα του σήματος μπορεί να είναι οποιοδήποτε, συμπεριλαμβανομένου αυτού που ανιχνεύεται από τον δέκτη. Η βελτίωση της ποιότητας των γραμμών, ιδιαίτερα των εδαφικών, απαιτεί τεράστια προσπάθεια και επενδύσεις. Ως εκ τούτου, η αναλογική τεχνολογία εγγραφής και μετάδοσης ήχου και εικόνας έχει αντικατασταθεί από την ψηφιακή τεχνολογία. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί τη λεγόμενη διακριτή διαμόρφωση των αρχικών χρονικά συνεχών αναλογικών διεργασιών.

Οι μέθοδοι διακριτής διαμόρφωσης βασίζονται στη δειγματοληψία συνεχών διεργασιών τόσο σε πλάτος όσο και σε χρόνο (Εικ. 2.19). Ας δούμε τις αρχές της διαμόρφωσης σπινθήρα χρησιμοποιώντας ένα παράδειγμα διαμόρφωση κωδικού παλμού, PCM (Διαμόρφωση πλάτους παλμού, PAM),που χρησιμοποιείται ευρέως στην ψηφιακή τηλεφωνία.

Το πλάτος της αρχικής συνεχούς συνάρτησης μετριέται με μια δεδομένη περίοδο - λόγω αυτού, η διακριτοποίηση εμφανίζεται στο χρόνο. Στη συνέχεια, κάθε μέτρηση αντιπροσωπεύεται ως ένας δυαδικός αριθμός ενός συγκεκριμένου βάθους bit, που σημαίνει διακριτοποίηση με τιμές συνάρτησης - ένα συνεχές σύνολο πιθανών τιμών πλάτους αντικαθίσταται από ένα διακριτό σύνολο τιμών του. Μια συσκευή που εκτελεί παρόμοια λειτουργία ονομάζεται μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (ADC).Μετά από αυτό, οι μετρήσεις μεταδίδονται μέσω καναλιών επικοινωνίας με τη μορφή μιας ακολουθίας μονάδων και μηδενικών. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιούνται οι ίδιες μέθοδοι κωδικοποίησης όπως στην περίπτωση της μετάδοσης αρχικά διακριτών πληροφοριών, δηλαδή, για παράδειγμα, μέθοδοι που βασίζονται στον κώδικα B8ZS ή 2B1Q.

Στην πλευρά λήψης της γραμμής, οι κωδικοί μετατρέπονται στην αρχική ακολουθία bit και καλείται ο ειδικός εξοπλισμός μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC),αποδιαμορφώνει τα ψηφιοποιημένα πλάτη ενός συνεχούς σήματος, αποκαθιστώντας την αρχική συνάρτηση συνεχούς χρόνου.

Η διακριτή διαμόρφωση βασίζεται σε Θεωρία χαρτογράφησης Nyquist-Kotelnikov.Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, μια αναλογική συνεχής συνάρτηση που δίνεται ως ακολουθία των χρονικά διακριτών τιμών της μπορεί να ανακατασκευαστεί με ακρίβεια εάν ο ρυθμός δειγματοληψίας ήταν δύο ή περισσότερες φορές υψηλότερος από τη συχνότητα του υψηλότερου αρμονικού φάσματος της αρχικής συνάρτησης.

Εάν δεν πληρούται αυτή η συνθήκη, τότε η επαναφερόμενη λειτουργία θα διαφέρει σημαντικά από την αρχική.

Το πλεονέκτημα των ψηφιακών μεθόδων εγγραφής, αναπαραγωγής και μετάδοσης αναλογικών πληροφοριών είναι η δυνατότητα ελέγχου της ακρίβειας των δεδομένων που διαβάζονται από ένα μέσο ή λαμβάνονται μέσω μιας γραμμής επικοινωνίας. Για να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις ίδιες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για δεδομένα υπολογιστή (και αναλύονται λεπτομερέστερα παρακάτω), - υπολογισμός άθροισμα ελέγχου, αναμετάδοση παραμορφωμένων πλαισίων, εφαρμογή αυτοδιορθωτικών κωδικών.

Για μετάδοση φωνής υψηλής ποιότητας, η μέθοδος PCM χρησιμοποιεί μια συχνότητα κβαντισμού του πλάτους των ηχητικών δονήσεων 8000 Hz. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην αναλογική τηλεφωνία επιλέχθηκε η περιοχή από 300 έως 3400 Hz για μετάδοση φωνής, η οποία μεταφέρει όλες τις βασικές αρμονικές των συνομιλητών με επαρκή ποιότητα. Σύμφωνα με Θεώρημα Nyquist-Koteltkovγια μετάδοση φωνής υψηλής ποιότητας

146 Κεφάλαιο 2 Βασικά στοιχεία της διακριτής μεταφοράς δεδομένων

αρκεί να επιλέξετε μια συχνότητα δειγματοληψίας που είναι διπλάσια από την υψηλότερη αρμονική του συνεχούς σήματος, δηλαδή 2 x 3400 = 6800 Hz. Ο πραγματικά επιλεγμένος ρυθμός δειγματοληψίας των 8000 Hz παρέχει κάποιο περιθώριο ποιότητας. Η μέθοδος PCM χρησιμοποιεί συνήθως 7 ή 8 bit κώδικα για να αναπαραστήσει το πλάτος ενός μεμονωμένου δείγματος. Αντίστοιχα, αυτό δίνει 127 ή 256 διαβαθμίσεις του ηχητικού σήματος, το οποίο είναι αρκετά αρκετό για μετάδοση φωνής υψηλής ποιότητας. Όταν χρησιμοποιείτε τη μέθοδο PCM, ένα μεμονωμένο κανάλι φωνής απαιτεί απόδοση 56 ή 64 Kbps, ανάλογα με το πόσα bit αντιπροσωπεύεται κάθε δείγμα. Εάν χρησιμοποιείται για αυτούς τους σκοπούς

7 bit, τότε με συχνότητα μετάδοσης μέτρησης 8000 Hz παίρνουμε:

8000 x 7 = 56000 bps ή 56 Kbps; και για την περίπτωση των 8 bit:

8000 x 8 - 64000 bps ή 64 Kbps.

Πρότυπο είναι ψηφιακό κανάλι 64 Kbps, καλείται επίσης στοιχειώδες κανάλι ψηφιακών τηλεφωνικών δικτύων.

Η μετάδοση ενός συνεχούς σήματος σε διακριτή μορφή απαιτεί από τα δίκτυα να τηρούν αυστηρά ένα χρονικό διάστημα 125 μs (που αντιστοιχεί σε συχνότητα δειγματοληψίας 8000 Hz) μεταξύ γειτονικών μετρήσεων, δηλαδή απαιτεί σύγχρονη μετάδοση δεδομένων μεταξύ κόμβων δικτύου. Εάν δεν διατηρηθεί ο συγχρονισμός των μετρήσεων που φτάνουν, το αρχικό σήμα αποκαθίσταται λανθασμένα, γεγονός που οδηγεί σε παραμόρφωση της φωνής, της εικόνας ή άλλων πληροφοριών πολυμέσων που μεταδίδονται μέσω ψηφιακών δικτύων. Έτσι, μια παραμόρφωση συγχρονισμού 10 ms μπορεί να οδηγήσει σε εφέ «ηχούς» και μετατοπίσεις μεταξύ μετρήσεων 200 ms οδηγούν σε απώλεια αναγνώρισης των προφορικών λέξεων. Ταυτόχρονα, η απώλεια μιας μέτρησης, ενώ διατηρείται ο συγχρονισμός μεταξύ των άλλων μετρήσεων, δεν έχει ουσιαστικά καμία επίδραση στον αναπαραγόμενο ήχο. Αυτό συμβαίνει λόγω των συσκευών εξομάλυνσης σε μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό, οι οποίοι βασίζονται στην ιδιότητα αδράνειας οποιουδήποτε φυσικού σήματος - το πλάτος των ηχητικών δονήσεων δεν μπορεί να αλλάξει αμέσως σε μεγάλο βαθμό.

Η ποιότητα του σήματος μετά το DAC επηρεάζεται όχι μόνο από τον συγχρονισμό των μετρήσεων που φτάνουν στην είσοδό του, αλλά και από το σφάλμα δειγματοληψίας των πλατών αυτών των μετρήσεων.

8 του θεωρήματος Nyquist-Kotelnikov υποθέτει ότι τα πλάτη της συνάρτησης μετρώνται με ακρίβεια, την ίδια στιγμή, η χρήση δυαδικών αριθμών με περιορισμένη χωρητικότητα bit για την αποθήκευση τους παραμορφώνει κάπως αυτά τα πλάτη. Αντίστοιχα, το ανακατασκευασμένο συνεχές σήμα παραμορφώνεται, το οποίο ονομάζεται θόρυβος δειγματοληψίας (σε πλάτος).

Υπάρχουν άλλες τεχνικές διακριτής διαμόρφωσης που μπορούν να αναπαραστήσουν μετρήσεις φωνής σε πιο συμπαγή μορφή, όπως μια ακολουθία αριθμών 4-bit ή 2-bit. Σε αυτήν την περίπτωση, ένα κανάλι φωνής απαιτεί λιγότερο εύρος ζώνης, για παράδειγμα 32 Kbps, 16 Kbps ή ακόμα λιγότερο. Από το 1985, χρησιμοποιείται ένα πρότυπο κωδικοποίησης φωνής CCITT που ονομάζεται Προσαρμοστική Διαφορική Διαμόρφωση Παλμικού Κώδικα (ADPCM). Οι κωδικοί ADPCM βασίζονται στην εύρεση των διαφορών μεταξύ διαδοχικών μετρήσεων φωνής, οι οποίες στη συνέχεια μεταδίδονται μέσω του δικτύου. Ο κώδικας ADPCM χρησιμοποιεί 4 bit για να αποθηκεύσει μία διαφορά και μεταδίδει φωνή στα 32 Kbps. Περισσότερο σύγχρονη μέθοδοςΗ Γραμμική Προγνωστική Κωδικοποίηση (LPC) λαμβάνει δείγματα της αρχικής συνάρτησης, πιο σπάνια, αλλά χρησιμοποιεί μεθόδους για να προβλέψει την κατεύθυνση της αλλαγής στο πλάτος του σήματος. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο, μπορείτε να μειώσετε την ταχύτητα μετάδοσης φωνής στα 9600 bps.

2.2. Μέθοδοι για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων σε φυσικό επίπεδο 147

Τα συνεχή δεδομένα που παρουσιάζονται σε ψηφιακή μορφή μπορούν εύκολα να μεταδοθούν μέσω ενός δικτύου υπολογιστών. Για να γίνει αυτό, αρκεί να τοποθετήσετε πολλές μετρήσεις σε ένα πλαίσιο κάποιας τυπικής τεχνολογίας δικτύου, να δώσετε στο πλαίσιο τη σωστή διεύθυνση προορισμού και να το στείλετε στον παραλήπτη. Ο παραλήπτης πρέπει να εξαγάγει μετρήσεις από το πλαίσιο και να τις υποβάλλει σε συχνότητα κβαντισμού (για φωνή - σε συχνότητα 8000 Hz) σε μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό. Καθώς φτάνουν τα επόμενα καρέ με φωνητικές μετρήσεις, η λειτουργία πρέπει να επαναληφθεί. Εάν τα καρέ φτάνουν αρκετά συγχρονισμένα, η ποιότητα της φωνής μπορεί να είναι αρκετά υψηλή. Ωστόσο, όπως ήδη γνωρίζουμε, τα πλαίσια στα δίκτυα υπολογιστών μπορούν να καθυστερήσουν τόσο σε τελικούς κόμβους (ενώ περιμένουν πρόσβαση στο κοινό μέσο) όσο και σε ενδιάμεσες συσκευές επικοινωνίας - γέφυρες, διακόπτες και δρομολογητές. Επομένως, η ποιότητα της φωνής όταν μεταδίδεται ψηφιακά μέσω δίκτυα υπολογιστώνσυνήθως χαμηλά. Για υψηλής ποιότητας μετάδοση ψηφιοποιημένων συνεχών σημάτων - φωνής, εικόνας - σήμερα χρησιμοποιούνται ειδικά ψηφιακά δίκτυα, όπως ISDN, ATM και ψηφιακή τηλεόραση. Ωστόσο, για τη μεταβίβαση των ενδοεταιρικών τηλεφωνικές συνομιλίεςΣήμερα, τυπικά είναι τα δίκτυα frame relay, των οποίων οι καθυστερήσεις μετάδοσης πλαισίου είναι εντός αποδεκτών ορίων.

2.2.5. Ασύγχρονη και σύγχρονη μετάδοση

Κατά την ανταλλαγή δεδομένων στο φυσικό επίπεδο, η μονάδα πληροφοριών είναι λίγο, επομένως το φυσικό επίπεδο διατηρεί πάντα συγχρονισμό bit μεταξύ του δέκτη και του πομπού.

Το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων λειτουργεί σε πλαίσια δεδομένων και παρέχει συγχρονισμό σε επίπεδο πλαισίου μεταξύ του δέκτη και του πομπού. Οι ευθύνες του δέκτη περιλαμβάνουν την αναγνώριση της αρχής του πρώτου byte του πλαισίου, την αναγνώριση των ορίων των πεδίων του πλαισίου και την αναγνώριση του τέλους του καρέ.

Συνήθως αρκεί να διασφαλιστεί ο συγχρονισμός σε αυτά τα δύο επίπεδα - bit και frame - έτσι ώστε ο πομπός και ο δέκτης να μπορούν να εξασφαλίσουν μια σταθερή ανταλλαγή πληροφοριών. Ωστόσο, όταν κακής ποιότηταςΟι γραμμές επικοινωνίας (συνήθως αναφέρονται σε κανάλια μεταγωγής τηλεφώνου) για τη μείωση του κόστους του εξοπλισμού και την αύξηση της αξιοπιστίας της μετάδοσης δεδομένων εισάγουν πρόσθετα μέσα συγχρονισμού σε επίπεδο byte.

Αυτός ο τρόπος λειτουργίας ονομάζεται ασύγχρονοςή ξεκίνα σταμάτα.Ένας άλλος λόγος για τη χρήση αυτού του τρόπου λειτουργίας είναι η παρουσία συσκευών που δημιουργούν byte δεδομένων σε τυχαίους χρόνους. Έτσι λειτουργεί το πληκτρολόγιο μιας οθόνης ή άλλης τερματικής συσκευής, από την οποία ένα άτομο εισάγει δεδομένα για επεξεργασία από υπολογιστή.

Στην ασύγχρονη λειτουργία, κάθε byte δεδομένων συνοδεύεται από ειδικά σήματα "start" και "stop" (Εικ. 2.20, ΕΝΑ).Ο σκοπός αυτών των σημάτων είναι, πρώτον, να ειδοποιήσουν τον δέκτη για την άφιξη των δεδομένων και, δεύτερον, να δώσουν στον δέκτη αρκετό χρόνο για να εκτελέσει ορισμένες λειτουργίες που σχετίζονται με το συγχρονισμό πριν φτάσει το επόμενο byte. Το σήμα έναρξης έχει διάρκεια ενός διαστήματος ρολογιού και το σήμα διακοπής μπορεί να διαρκέσει μία, μιάμιση ή δύο περιόδους ρολογιού, επομένως λέγεται ότι ένα, ενάμισι ή δύο bit χρησιμοποιούνται ως σήμα διακοπής , αν και αυτά τα σήματα δεν αντιπροσωπεύουν bits χρήστη.

Η περιγραφόμενη λειτουργία ονομάζεται ασύγχρονη επειδή κάθε byte μπορεί να μετατοπιστεί ελαφρώς χρονικά σε σχέση με τα ρολόγια bit του προηγούμενου

148 Κεφάλαιο 2 Βασικές αρχές της διακριτής μεταφοράς δεδομένων

ψηφιόλεξη. Αυτή η ασύγχρονη μετάδοση bytes δεν επηρεάζει την ορθότητα των ληφθέντων δεδομένων, καθώς στην αρχή κάθε byte λαμβάνει χώρα πρόσθετος συγχρονισμός του δέκτη με την πηγή λόγω των bits "start". Οι περισσότερες «χαλαρές» ανοχές χρόνου καθορίζουν το χαμηλό κόστος του ασύγχρονου εξοπλισμού του συστήματος.

Στη λειτουργία σύγχρονης μετάδοσης, δεν υπάρχουν bit start-stop μεταξύ κάθε ζεύγους byte. Τα δεδομένα χρήστη συλλέγονται σε ένα πλαίσιο, του οποίου προηγούνται byte συγχρονισμού (Εικ. 2.20, σι).Ένα byte συγχρονισμού είναι ένα byte που περιέχει έναν γνωστό κωδικό, όπως το 0111110, που ειδοποιεί τον παραλήπτη για την άφιξη ενός πλαισίου δεδομένων. Μόλις το λάβει, ο δέκτης πρέπει να εισάγει συγχρονισμό byte με τον πομπό, δηλαδή να κατανοήσει σωστά την αρχή του επόμενου byte του πλαισίου. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται πολλαπλά byte συγχρονισμού για να παρέχουν πιο αξιόπιστο συγχρονισμό μεταξύ του δέκτη και του πομπού. Δεδομένου ότι κατά τη μετάδοση ενός μεγάλου καρέ ο δέκτης μπορεί να έχει προβλήματα με το συγχρονισμό bit, σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιούνται κωδικοί αυτοσυγχρονισμού.

» Κατά τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω ενός καναλιού φωνητικής συχνότητας στενής ζώνης που χρησιμοποιείται στην τηλεφωνία, οι καταλληλότερες μέθοδοι είναι η αναλογική διαμόρφωση, στην οποία το φέρον ημιτονοειδή διαμορφώνεται από την αρχική ακολουθία δυαδικών ψηφίων. Αυτή η λειτουργία πραγματοποιείται από ειδικές συσκευές - μόντεμ.

* Για μετάδοση δεδομένων χαμηλής ταχύτητας, εφαρμόζεται αλλαγή στη συχνότητα του φέροντος ημιτονοειδούς. Τα μόντεμ υψηλότερης ταχύτητας λειτουργούν χρησιμοποιώντας μεθόδους συνδυασμένης διαμόρφωσης τετραγωνικού πλάτους (QAM), οι οποίες χαρακτηρίζονται από 4 επίπεδα πλάτους ημιτονοειδούς φορέα και 8 επίπεδα φάσης. Δεν χρησιμοποιούνται όλοι οι πιθανοί 32 συνδυασμοί της μεθόδου QAM για μετάδοση δεδομένων· οι απαγορευμένοι συνδυασμοί καθιστούν δυνατή την αναγνώριση παραμορφωμένων δεδομένων σε φυσικό επίπεδο.

* Στα κανάλια ευρυζωνικής επικοινωνίας, χρησιμοποιούνται μέθοδοι κωδικοποίησης δυναμικού και παλμού, στις οποίες τα δεδομένα αντιπροσωπεύονται από διαφορετικά επίπεδα σταθερού δυναμικού σήματος ή πολικότητες ενός παλμού ή του μετώπου του.

* Όταν χρησιμοποιείτε πιθανούς κωδικούς, το έργο του συγχρονισμού του δέκτη με τον πομπό έχει ιδιαίτερη σημασία, καθώς κατά τη μετάδοση μεγάλων ακολουθιών μηδενικών ή μονάδων, το σήμα στην είσοδο του δέκτη δεν αλλάζει και είναι δύσκολο για τον δέκτη να προσδιορίσει τη στιγμή για τη λήψη του επόμενου bit δεδομένων.

___________________________________________2.3. Μέθοδοι μετάδοσης επιπέδου σύνδεσης δεδομένων _______149

* Ο απλούστερος δυνητικός κωδικός είναι ο κωδικός μη επιστροφής στο μηδέν (NRZ), ωστόσο δεν είναι αυτοχρονολογιζόμενος και παράγει ένα στοιχείο DC.

» Ο πιο δημοφιλής παλμικός κώδικας είναι ο κώδικας του Μάντσεστερ, στον οποίο οι πληροφορίες μεταφέρονται από την κατεύθυνση της πτώσης του σήματος στη μέση κάθε κύκλου ρολογιού. Ο κώδικας Manchester χρησιμοποιείται στις τεχνολογίες Ethernet και Token Ring.

» Για τη βελτίωση των ιδιοτήτων ενός πιθανού κώδικα NRZ, χρησιμοποιούνται τεχνικές λογικής κωδικοποίησης που εξαλείφουν μεγάλες ακολουθίες μηδενικών. Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται σε:

Σχετικά με την εισαγωγή περιττών bit στα δεδομένα πηγής (κωδικοί τύπου 4B/5B).

Κωδικοποίηση δεδομένων πηγής (κωδικοί τύπου 2B1Q).

» Οι βελτιωμένοι κωδικοί δυναμικού έχουν στενότερο φάσμα από τους παλμικούς κωδικούς, επομένως χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες υψηλής ταχύτητας όπως FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

ΦυσικόςΤο στρώμα ασχολείται με την πραγματική μετάδοση των ακατέργαστων bits

κανάλι επικοινωνίας.

Η μεταφορά δεδομένων σε δίκτυα υπολογιστών από τον έναν υπολογιστή στον άλλο πραγματοποιείται διαδοχικά, κομμάτι προς bit. Φυσικά, τα bits δεδομένων μεταδίδονται μέσω ζεύξεων δεδομένων με τη μορφή αναλογικών ή ψηφιακών σημάτων.

Το σύνολο των μέσων (γραμμές επικοινωνίας, εξοπλισμός μετάδοσης δεδομένων και λήψης) που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων σε δίκτυα υπολογιστών ονομάζεται κανάλι μετάδοσης δεδομένων. Ανάλογα με τη μορφή των μεταδιδόμενων πληροφοριών, τα κανάλια μετάδοσης δεδομένων μπορούν να χωριστούν σε αναλογικά (συνεχή) και ψηφιακά (διακριτά).

Δεδομένου ότι ο εξοπλισμός μετάδοσης και λήψης δεδομένων λειτουργεί με δεδομένα σε διακριτή μορφή (δηλαδή, τα διακριτά ηλεκτρικά σήματα αντιστοιχούν σε μονάδες και μηδενικά δεδομένων), κατά τη μετάδοσή τους μέσω ενός αναλογικού καναλιού, απαιτείται η μετατροπή των διακριτών δεδομένων σε αναλογικά (διαμόρφωση).

Κατά τη λήψη τέτοιων αναλογικών δεδομένων, απαιτείται μια αντίστροφη μετατροπή - αποδιαμόρφωση. Διαμόρφωση/αποδιαμόρφωση – διαδικασίες μετατροπής ψηφιακές πληροφορίεςσε αναλογικά σήματα και αντίστροφα. Κατά τη διαμόρφωση, οι πληροφορίες αντιπροσωπεύονται από ένα ημιτονοειδές σήμα της συχνότητας που εκπέμπει καλά το κανάλι μετάδοσης δεδομένων.

Οι μέθοδοι διαμόρφωσης περιλαμβάνουν:

· Διαμόρφωση πλάτους.

· Διαμόρφωση συχνότητας.

· Διαμόρφωση φάσης.

Κατά τη μετάδοση διακριτών σημάτων μέσω ψηφιακού καναλιού δεδομένων, χρησιμοποιείται κωδικοποίηση:

· δυνητικός;

· παλμικό.

Έτσι, η κωδικοποίηση δυναμικού ή παλμού εφαρμόζεται στα κανάλια Υψηλή ποιότητακαι η διαμόρφωση που βασίζεται σε ημιτονοειδή σήματα είναι προτιμότερη σε περιπτώσεις όπου το κανάλι εισάγει ισχυρές παραμορφώσεις στα μεταδιδόμενα σήματα.

Συνήθως η διαμόρφωση χρησιμοποιείται σε παγκόσμια δίκτυακατά τη μετάδοση δεδομένων μέσω αναλογικών τηλεφωνικών γραμμών, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να μεταδίδουν φωνή σε αναλογική μορφή και επομένως δεν είναι κατάλληλες για άμεση μετάδοση παλμών.

Ανάλογα με τις μεθόδους συγχρονισμού, τα κανάλια μετάδοσης δεδομένων δίκτυα υπολογιστώνμπορεί να χωριστεί σε σύγχρονο και ασύγχρονο. Ο συγχρονισμός είναι απαραίτητος ώστε ο κόμβος δεδομένων αποστολής να μπορεί να μεταδώσει κάποιο σήμα στον κόμβο λήψης, έτσι ώστε ο κόμβος λήψης να γνωρίζει πότε να αρχίσει να λαμβάνει εισερχόμενα δεδομένα.

Η σύγχρονη μετάδοση δεδομένων απαιτεί μια πρόσθετη γραμμή επικοινωνίας για τη μετάδοση παλμών ρολογιού. Η μετάδοση των bit από το σταθμό εκπομπής και η λήψη τους από το σταθμό λήψης πραγματοποιείται τις στιγμές εμφάνισης παλμών ρολογιού.

Για ασύγχρονη μεταφορά δεδομένων, δεν απαιτείται πρόσθετη γραμμή επικοινωνίας. Σε αυτή την περίπτωση, η μετάδοση δεδομένων πραγματοποιείται σε μπλοκ σταθερού μήκους (bytes). Ο συγχρονισμός πραγματοποιείται με πρόσθετα bit (bits έναρξης και bit τερματισμού), τα οποία μεταδίδονται πριν και μετά το εκπεμπόμενο byte.

Κατά την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ κόμβων δικτύου υπολογιστών, χρησιμοποιούνται τρεις μέθοδοι μεταφοράς δεδομένων:

Simplex (μονόδρομη) μετάδοση (τηλεόραση, ραδιόφωνο).

half-duplex (η λήψη/μετάδοση πληροφοριών πραγματοποιείται εναλλάξ).

αμφίδρομη (αμφίδρομη), κάθε κόμβος εκπέμπει και λαμβάνει ταυτόχρονα δεδομένα (για παράδειγμα, τηλεφωνικές συνομιλίες).

| επόμενη διάλεξη ==>

Κατά τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω καναλιών επικοινωνίας, χρησιμοποιούνται δύο κύριοι τύποι φυσικής κωδικοποίησης -με βάσηημιτονοειδές σήμα φορέα και βασίζεται σε μια ακολουθία ορθογώνιων παλμών. Η πρώτη μέθοδος ονομάζεται συχνά διαμόρφωσηή αναλογική διαμόρφωση,τονίζοντας το γεγονός ότι η κωδικοποίηση πραγματοποιείται αλλάζοντας τις παραμέτρους του αναλογικού σήματος. Η δεύτερη μέθοδος συνήθως ονομάζεται ψηφιακή κωδικοποίηση.Αυτές οι μέθοδοι διαφέρουν ως προς το εύρος του φάσματος του προκύπτοντος σήματος και την πολυπλοκότητα του εξοπλισμού που απαιτείται για την εφαρμογή τους.

Όταν χρησιμοποιείτε ορθογώνιους παλμούς, το φάσμα του προκύπτοντος σήματος είναι πολύ ευρύ. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη αν θυμηθούμε ότι το φάσμα ενός ιδανικού παλμού έχει άπειρο πλάτος. Η χρήση ημιτονοειδούς κύματος έχει ως αποτέλεσμα ένα φάσμα πολύ μικρότερου πλάτους με τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών. Ωστόσο, για την εφαρμογή της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης, απαιτείται πιο περίπλοκος και ακριβός εξοπλισμός από την εφαρμογή ορθογώνιων παλμών.

Επί του παρόντος, όλο και περισσότερο, τα δεδομένα που ήταν αρχικά σε αναλογική μορφή - ομιλία, τηλεοπτικές εικόνες - μεταδίδονται μέσω καναλιών επικοινωνίας σε διακριτή μορφή, δηλαδή με τη μορφή μιας ακολουθίας μονάδων και μηδενικών. Η διαδικασία αναπαράστασης αναλογικών πληροφοριών σε διακριτή μορφή ονομάζεται διακριτή διαμόρφωση.Οι όροι "διαμόρφωση" και "κωδικοποίηση" χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά.

Στο ψηφιακή κωδικοποίησηΟι κωδικοί δυναμικού και παλμού χρησιμοποιούνται για διακριτές πληροφορίες. Στους δυνητικούς κωδικούς, χρησιμοποιείται μόνο η δυναμική τιμή του σήματος για την αναπαράσταση λογικών μονάδων και μηδενικών, και οι πτώσεις του, που σχηματίζουν πλήρεις παλμούς, δεν λαμβάνονται υπόψη. Οι κωδικοί παλμών σάς επιτρέπουν να αναπαραστήσετε δυαδικά δεδομένα είτε ως παλμούς συγκεκριμένης πολικότητας είτε ως μέρος ενός παλμού - μια πιθανή πτώση προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Όταν χρησιμοποιείτε ορθογώνιους παλμούς για τη μετάδοση διακριτών πληροφοριών, είναι απαραίτητο να επιλέξετε μια μέθοδο κωδικοποίησης που θα επιτύχει ταυτόχρονα πολλούς στόχους: να έχει το μικρότερο εύρος φάσματος του προκύπτοντος σήματος με τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης bit. παρέχεται συγχρονισμός μεταξύ του πομπού και του δέκτη.

Κατείχε την ικανότητα να αναγνωρίζει λάθη. είχε χαμηλή τιμή πώλησης.

Τα δίκτυα χρησιμοποιούν τα λεγόμενα αυτοσυγχρονιζόμενοι κωδικοί,τα σήματα των οποίων φέρουν οδηγίες για τον πομπό σε ποια χρονική στιγμή είναι απαραίτητο να αναγνωρίσει το επόμενο bit (ή πολλά bit, εάν ο κώδικας εστιάζεται σε περισσότερες από δύο καταστάσεις σήματος). Οποιαδήποτε απότομη αλλαγή στο σήμα - η λεγόμενη άκρη - μπορεί να χρησιμεύσει ως καλή ένδειξη για το συγχρονισμό του δέκτη με τον πομπό. Η αναγνώριση και η διόρθωση των παραμορφωμένων δεδομένων είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί με τη χρήση μέσων του φυσικού επιπέδου, επομένως τις περισσότερες φορές αυτή η εργασία αναλαμβάνεται από τα πρωτόκολλα που βρίσκονται παραπάνω: κανάλι, δίκτυο, μεταφορά ή εφαρμογή. Από την άλλη, η αναγνώριση σφαλμάτων σε φυσικό επίπεδο εξοικονομεί χρόνο, αφού ο δέκτης δεν περιμένει να τοποθετηθεί τελείως το πλαίσιο στο buffer, αλλά το απορρίπτει αμέσως με την τοποθέτηση. γνώση λανθασμένων bits εντός του πλαισίου.

Δυνητικός κωδικός χωρίς επιστροφή στο μηδέν, μέθοδος δυνητικής κωδικοποίησης, που ονομάζεται επίσης κωδικοποίηση χωρίς επιστροφή στο μηδέν (Μη ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ προς την Μηδέν, NRZ). Το επώνυμο αντικατοπτρίζει το γεγονός ότι κατά τη μετάδοση μιας ακολουθίας μονάδων, το σήμα δεν επιστρέφει στο μηδέν κατά τη διάρκεια του κύκλου του ρολογιού (όπως θα δούμε παρακάτω, σε άλλες μεθόδους κωδικοποίησης εμφανίζεται μια επιστροφή στο μηδέν σε αυτήν την περίπτωση). Η μέθοδος NRZ είναι απλή στην εφαρμογή, έχει καλή αναγνώριση σφαλμάτων (λόγω δύο έντονα διαφορετικών δυνατοτήτων), αλλά δεν έχει την ιδιότητα του αυτοσυγχρονισμού. Κατά τη μετάδοση μιας μεγάλης ακολουθίας μονάδων ή μηδενικών, το σήμα στη γραμμή δεν αλλάζει, επομένως ο δέκτης δεν μπορεί να προσδιορίσει από το σήμα εισόδου τις χρονικές στιγμές που είναι απαραίτητο να διαβάσει ξανά τα δεδομένα. Ακόμη και με μια γεννήτρια ρολογιού υψηλής ακρίβειας, ο δέκτης μπορεί να κάνει λάθος με τη στιγμή της συλλογής δεδομένων, καθώς οι συχνότητες των δύο γεννητριών δεν είναι ποτέ εντελώς ίδιες. Επομένως, σε υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και μεγάλες ακολουθίες ενός ή μηδενικού, μια μικρή αναντιστοιχία ρολογιού μπορεί να οδηγήσει σε σφάλμα ολόκληρου του κύκλου ρολογιού και, κατά συνέπεια, σε λανθασμένη ανάγνωση τιμής bit.

Διπολική μέθοδος κωδικοποίησης με εναλλακτική αντιστροφή. Μία από τις τροποποιήσεις της μεθόδου NRZ είναι η διπολική κωδικοποίηση με εναλλακτική αντιστροφή (Διπολικός Εναλλακτικό Σημάδι Αναστροφή, AMI). Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί τρία δυναμικά επίπεδα - αρνητικό, μηδέν και θετικό. Για την κωδικοποίηση ενός λογικού μηδέν, χρησιμοποιείται ένα μηδενικό δυναμικό και ένα λογικό κωδικοποιείται είτε από ένα θετικό δυναμικό είτε από ένα αρνητικό, με το δυναμικό κάθε νέας μονάδας να είναι αντίθετο από το δυναμικό της προηγούμενης. Έτσι, μια παραβίαση της αυστηρής εναλλαγής της πολικότητας του σήματος υποδηλώνει έναν ψευδή παλμό ή την εξαφάνιση ενός σωστού παλμού από τη γραμμή. Ένα σήμα με λανθασμένη πολικότητα ονομάζεται απαγορευμένο σήμα (σήμα παράβαση). Ο κωδικός AMI χρησιμοποιεί όχι δύο, αλλά τρία επίπεδα σήματος στη γραμμή. Το πρόσθετο στρώμα απαιτεί μια αύξηση στην ισχύ του πομπού κατά περίπου 3 dB για να παρέχει την ίδια πιστότητα bit στη γραμμή, κάτι που είναι κοινό μειονέκτημα κωδικών με πολλαπλές καταστάσεις σήματος σε σύγκριση με κώδικες που διακρίνουν μόνο δύο καταστάσεις.

Δυνητικός κωδικός με αντιστροφή στο ένα. Υπάρχει κωδικός παρόμοιος με τον AMI, αλλά με μόνο δύο επίπεδα σήματος. Όταν εκπέμπει ένα μηδέν, μεταδίδει το δυναμικό που είχε οριστεί στον προηγούμενο κύκλο (δηλαδή, δεν το αλλάζει) και όταν μεταδίδει ένα, το δυναμικό αντιστρέφεται στο αντίθετο. Αυτός ο κωδικός ονομάζεται δυνητικός κώδικας με αντιστροφή στο ένα (Μη ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ προς την Μηδέν με αυτές Αντεστραμμένο, NRZI). Αυτός ο κωδικός είναι βολικός σε περιπτώσεις όπου η χρήση ενός τρίτου επιπέδου σήματος είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη, για παράδειγμα σε οπτικά καλώδια, όπου δύο καταστάσεις σήματος - φως και σκοτάδι - αναγνωρίζονται σταθερά.

Διπολικός κωδικός παλμούΕκτός από τους πιθανούς κωδικούς, οι κωδικοί παλμών χρησιμοποιούνται επίσης σε δίκτυα, όταν τα δεδομένα αντιπροσωπεύονται από έναν πλήρη παλμό ή μέρος αυτού - το μπροστινό μέρος. Η απλούστερη περίπτωση αυτής της προσέγγισης είναι διπολικός κωδικός παλμού,όπου το ένα αντιπροσωπεύεται από έναν παλμό μιας πολικότητας και το μηδέν με μια άλλη . Κάθε σφυγμός διαρκεί μισό χτύπο. Ένας τέτοιος κώδικας έχει εξαιρετικές ιδιότητες αυτοσυγχρονισμού, αλλά μπορεί να υπάρχει ένα σταθερό στοιχείο, για παράδειγμα, κατά τη μετάδοση μιας μεγάλης ακολουθίας μονάδων ή μηδενικών. Επιπλέον, το φάσμα του είναι ευρύτερο από αυτό των πιθανών κωδικών. Έτσι, κατά τη μετάδοση όλων των μηδενικών ή ενός, η συχνότητα της θεμελιώδους αρμονικής του κώδικα θα είναι ίση με NHz, η οποία είναι δύο φορές υψηλότερη από τη θεμελιώδη αρμονική του κώδικα NRZ και τέσσερις φορές υψηλότερη από τη θεμελιώδη αρμονική του κώδικα AMI όταν μεταδίδοντας εναλλασσόμενες μονάδες και μηδενικά. Λόγω του πολύ μεγάλου φάσματος του, ο διπολικός κώδικας παλμών χρησιμοποιείται σπάνια.

Κωδικός Μάντσεστερ.Στα τοπικά δίκτυα, μέχρι πρόσφατα, η πιο διαδεδομένη μέθοδος κωδικοποίησης ήταν η λεγόμενη Κωδικός Μάντσεστερ.Χρησιμοποιείται σε τεχνολογίες Ethernet και TokenRing. Ο κώδικας του Manchester χρησιμοποιεί μια διαφορά δυναμικού, δηλαδή την άκρη ενός παλμού, για να κωδικοποιήσει ένα και μηδενικά. Με την κωδικοποίηση Manchester, κάθε μέτρο χωρίζεται σε δύο μέρη. Οι πληροφορίες κωδικοποιούνται από πιθανές πτώσεις που συμβαίνουν στη μέση κάθε κύκλου ρολογιού. Μια μονάδα κωδικοποιείται από ένα άκρο από ένα χαμηλό επίπεδο σήματος σε ένα υψηλό, και ένα μηδέν κωδικοποιείται από μια αντίστροφη ακμή. Στην αρχή κάθε κύκλου ρολογιού, μπορεί να προκύψει πτώση σήματος, εάν χρειαστεί να αναπαραστήσετε πολλά μονόμετρα ή μηδενικά στη σειρά. Δεδομένου ότι το σήμα αλλάζει τουλάχιστον μία φορά ανά κύκλο μετάδοσης ενός bit δεδομένων, ο κώδικας Manchester έχει καλές ιδιότητες αυτοσυγχρονισμού. Το εύρος ζώνης του κώδικα Μάντσεστερ είναι στενότερο από αυτό του διπολικού παλμού. Κατά μέσο όρο, το εύρος ζώνης του κώδικα του Μάντσεστερ είναι μιάμιση φορά πιο στενό από αυτό του διπολικού κώδικα παλμού και η θεμελιώδης αρμονική κυμαίνεται γύρω από την τιμή 3N/4. Ο κώδικας του Manchester έχει ένα άλλο πλεονέκτημα έναντι του διπολικού κωδικού παλμού. Το τελευταίο χρησιμοποιεί τρία επίπεδα σήματος για τη μετάδοση δεδομένων και το Μάντσεστερ χρησιμοποιεί δύο.

Δυνητικός κωδικός 2B 1Q. Δυνητικός κωδικός με τέσσερα επίπεδα σήματος για την κωδικοποίηση δεδομένων. Αυτός είναι ο κωδικός 2 ΣΕ 1Q, το όνομα του οποίου αντικατοπτρίζει την ουσία του - κάθε δύο bit (2B) μεταδίδονται σε έναν κύκλο ρολογιού από ένα σήμα που έχει τέσσερις καταστάσεις (1Q). Το ζεύγος δυαδικών ψηφίων 00 αντιστοιχεί σε δυναμικό -2,5 V, το ζεύγος δυαδικών ψηφίων 01 αντιστοιχεί σε δυναμικό -0,833 V, το ζεύγος 11 αντιστοιχεί σε δυναμικό +0,833 V και το ζεύγος 10 αντιστοιχεί σε δυναμικό +2,5 V. Με αυτή τη μέθοδο κωδικοποίησης, απαιτούνται πρόσθετα μέτρα για την αντιμετώπιση μεγάλων ακολουθιών πανομοιότυπων ζευγών bit, καθώς σε αυτή την περίπτωση το σήμα μετατρέπεται σε σταθερό στοιχείο. Με την τυχαία εναλλαγή των bit, το φάσμα του σήματος είναι δύο φορές πιο στενό από αυτό του κώδικα NRZ, αφού με τον ίδιο ρυθμό bit η διάρκεια του ρολογιού διπλασιάζεται. Έτσι, χρησιμοποιώντας τον κωδικό 2B 1Q, μπορείτε να μεταφέρετε δεδομένα στην ίδια γραμμή δύο φορές πιο γρήγορα από ότι χρησιμοποιώντας τον κωδικό AMI ή NRZI. Ωστόσο, για να το εφαρμόσετε, η ισχύς του πομπού πρέπει να είναι υψηλότερη, ώστε τα τέσσερα επίπεδα να διακρίνονται καθαρά από τον δέκτη σε φόντο παρεμβολών.

Λογική κωδικοποίησηΗ λογική κωδικοποίηση χρησιμοποιείται για τη βελτίωση πιθανών κωδικών όπως AMI, NRZI ή 2Q.1B. Η λογική κωδικοποίηση πρέπει να αντικαταστήσει μεγάλες ακολουθίες bit που οδηγούν σε σταθερό δυναμικό με διάσπαρτες. Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η λογική κωδικοποίηση χαρακτηρίζεται από δύο μεθόδους -. περιττοί κωδικοί και κρυπτογράφηση.

Περιττοί κωδικοίβασίζονται στο σπάσιμο της αρχικής ακολουθίας bit σε κομμάτια, που συχνά ονομάζονται σύμβολα. Στη συνέχεια, κάθε αρχικός χαρακτήρας αντικαθίσταται με έναν νέο που έχει περισσότερα bits από τον αρχικό.

Για να διασφαλιστεί μια δεδομένη χωρητικότητα γραμμής, ένας πομπός που χρησιμοποιεί πλεονάζοντα κωδικό πρέπει να λειτουργεί με αυξημένη συχνότητα ρολογιού. Έτσι, για να μεταδώσει κωδικούς 4V/5V με ταχύτητα 100 Mb/s, ο πομπός πρέπει να λειτουργεί σε συχνότητα ρολογιού 125 MHz. Σε αυτή την περίπτωση, το φάσμα του σήματος στη γραμμή επεκτείνεται σε σύγκριση με την περίπτωση που ένας καθαρός, μη περιττός κώδικας μεταδίδεται κατά μήκος της γραμμής. Ωστόσο, το φάσμα του πλεονάζοντος δυναμικού κώδικα αποδεικνύεται στενότερο από το φάσμα του κώδικα του Manchester, γεγονός που δικαιολογεί το πρόσθετο στάδιο της λογικής κωδικοποίησης, καθώς και τη λειτουργία του δέκτη και του πομπού σε αυξημένη συχνότητα ρολογιού.

Ανακατεύοντας. Η ανακάτεμα των δεδομένων με έναν αναδευτήρα προτού τα περάσετε στη γραμμή χρησιμοποιώντας έναν πιθανό κώδικα είναι ένας άλλος τρόπος λογικής κωδικοποίησης. Οι μέθοδοι κρυπτογράφησης περιλαμβάνουν υπολογισμό bit-by-bit του προκύπτοντος κώδικα με βάση τα bit του πηγαίου κώδικα και τα bit του προκύπτοντος κώδικα που ελήφθησαν σε προηγούμενους κύκλους ρολογιού. Για παράδειγμα, ένας scrambler μπορεί να εφαρμόσει την ακόλουθη σχέση:

Ασύγχρονη και σύγχρονη μετάδοση

Κατά την ανταλλαγή δεδομένων στο φυσικό επίπεδο, η μονάδα πληροφοριών είναι λίγο, επομένως το φυσικό επίπεδο διατηρεί πάντα συγχρονισμό bit μεταξύ του δέκτη και του πομπού. Συνήθως αρκεί να διασφαλιστεί ο συγχρονισμός σε αυτά τα δύο επίπεδα - bit και frame - έτσι ώστε ο πομπός και ο δέκτης να μπορούν να εξασφαλίσουν μια σταθερή ανταλλαγή πληροφοριών. Ωστόσο, όταν η ποιότητα της γραμμής επικοινωνίας είναι κακή (συνήθως αυτό ισχύει για κανάλια τηλεφωνικής σύνδεσης), εισάγονται πρόσθετα μέσα συγχρονισμού σε επίπεδο byte για μείωση του κόστους του εξοπλισμού και αύξηση της αξιοπιστίας της μετάδοσης δεδομένων.

Αυτός ο τρόπος λειτουργίας ονομάζεται ασύγχρονοςή ξεκίνα σταμάτα.Στην ασύγχρονη λειτουργία, κάθε byte δεδομένων συνοδεύεται από ειδικά σήματα έναρξης και διακοπής. Ο σκοπός αυτών των σημάτων είναι, πρώτον, να ειδοποιήσουν τον δέκτη για την άφιξη των δεδομένων και, δεύτερον, να δώσουν στον δέκτη αρκετό χρόνο για να εκτελέσει ορισμένες λειτουργίες που σχετίζονται με το συγχρονισμό πριν φτάσει το επόμενο byte. Το σήμα έναρξης έχει διάρκεια ενός διαστήματος ρολογιού και το σήμα διακοπής μπορεί να διαρκέσει μία, μιάμιση ή δύο περιόδους ρολογιού, επομένως λέγεται ότι ένα, ενάμισι ή δύο bit χρησιμοποιούνται ως σήμα διακοπής , αν και αυτά τα σήματα δεν αντιπροσωπεύουν bits χρήστη.

Στη λειτουργία σύγχρονης μετάδοσης, δεν υπάρχουν bit start-stop μεταξύ κάθε ζεύγους byte. συμπεράσματα

Κατά τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω ενός καναλιού φωνητικής συχνότητας στενής ζώνης που χρησιμοποιείται στην τηλεφωνία, οι καταλληλότερες μέθοδοι είναι η αναλογική διαμόρφωση, στην οποία το φέρον ημιτονοειδή διαμορφώνεται από την αρχική ακολουθία δυαδικών ψηφίων. Αυτή η λειτουργία πραγματοποιείται από ειδικές συσκευές - μόντεμ.

Για μετάδοση δεδομένων χαμηλής ταχύτητας, χρησιμοποιείται μια αλλαγή στη συχνότητα του φέροντος ημιτονοειδούς. Τα μόντεμ υψηλότερης ταχύτητας λειτουργούν χρησιμοποιώντας συνδυασμένες μεθόδους διαμόρφωσης τετραγωνικού πλάτους (QAM), η οποία χαρακτηρίζεται από 4 επίπεδα πλάτους ημιτονοειδούς φορέα και 8 επίπεδα φάσης. Δεν χρησιμοποιούνται όλοι οι πιθανοί 32 συνδυασμοί της μεθόδου QAM για μετάδοση δεδομένων· οι απαγορευμένοι συνδυασμοί καθιστούν δυνατή την αναγνώριση κατεστραμμένων δεδομένων σε φυσικό επίπεδο.

Στα κανάλια ευρυζωνικής επικοινωνίας, χρησιμοποιούνται μέθοδοι κωδικοποίησης δυναμικού και παλμού, στις οποίες τα δεδομένα αντιπροσωπεύονται από διαφορετικά επίπεδα σταθερού δυναμικού σήματος ή πολικές παλμούς ή τουεμπρός.

Κατά τη χρήση πιθανών κωδικών, το έργο του συγχρονισμού του δέκτη με τον πομπό αποκτά ιδιαίτερη σημασία, καθώς κατά τη μετάδοση μεγάλων ακολουθιών μηδενικών ή μονάδων, το σήμα στην είσοδο του δέκτη δεν αλλάζει και είναι δύσκολο για τον δέκτη να προσδιορίσει τη στιγμή συλλέγοντας το επόμενο bit δεδομένων.

Ο απλούστερος δυνητικός κωδικός είναι ο κωδικός μη επιστροφής στο μηδέν (NRZ), αλλά δεν είναι αυτοχρονολογιζόμενος και παράγει ένα στοιχείο DC.

Ο πιο δημοφιλής παλμικός κώδικας είναι ο κώδικας του Μάντσεστερ, στον οποίο οι πληροφορίες μεταφέρονται από την κατεύθυνση της πτώσης του σήματος στη μέση κάθε κύκλου ρολογιού. Ο κώδικας Manchester χρησιμοποιείται στις τεχνολογίες Ethernet και TokenRing.

Για τη βελτίωση των ιδιοτήτων ενός πιθανού κώδικα NRZ, χρησιμοποιούνται λογικές μέθοδοι κωδικοποίησης που εξαλείφουν μεγάλες ακολουθίες μηδενικών. Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται σε:

Σχετικά με την εισαγωγή περιττών bit στα δεδομένα πηγής (κωδικοί τύπου 4B/5B).

Κωδικοποίηση δεδομένων πηγής (κωδικοί όπως 2B 1Q).

Οι βελτιωμένοι κωδικοί δυναμικού έχουν στενότερο φάσμα από τους παλμικούς κώδικες, επομένως χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες υψηλής ταχύτητας όπως FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

Κατά τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω καναλιών επικοινωνίας, χρησιμοποιούνται δύο κύριοι τύποι φυσικής κωδικοποίησης - με βάση ημιτονοειδές σήμα φορέα και βασίζεται σε μια ακολουθία ορθογώνιων παλμών.Η πρώτη μέθοδος συχνά ονομάζεται επίσης διαμόρφωση ή αναλογική διαμόρφωση, δίνοντας έμφαση στο γεγονός ότι η κωδικοποίηση πραγματοποιείται αλλάζοντας τις παραμέτρους του αναλογικού σήματος. Η δεύτερη μέθοδος συνήθως ονομάζεται ψηφιακή κωδικοποίηση. Αυτές οι μέθοδοι διαφέρουν ως προς το εύρος του φάσματος του προκύπτοντος σήματος και την πολυπλοκότητα του εξοπλισμού που απαιτείται για την εφαρμογή τους.
Αναλογική διαμόρφωσηχρησιμοποιείται για τη μετάδοση διακριτών δεδομένων μέσω καναλιών με στενή ζώνη συχνοτήτων, τυπικός εκπρόσωπος της οποίας είναι το κανάλι φωνητικής συχνότητας που παρέχεται στους χρήστες δημόσιων τηλεφωνικών δικτύων. Μια τυπική απόκριση πλάτους-συχνότητας ενός καναλιού συχνότητας φωνής φαίνεται στο Σχ. 2.12. Αυτό το κανάλι εκπέμπει συχνότητες στην περιοχή από 300 έως 3400 Hz, επομένως το εύρος ζώνης του είναι 3100 Hz. Μια συσκευή που εκτελεί τις λειτουργίες της φέρουσας ημιτονοειδής διαμόρφωσης στην πλευρά εκπομπής και της αποδιαμόρφωσης στην πλευρά λήψης ονομάζεται μόντεμ (διαμορφωτής - αποδιαμορφωτής).
Μέθοδοι αναλογικής διαμόρφωσης
Η αναλογική διαμόρφωση είναι μια φυσική μέθοδος κωδικοποίησης στην οποία οι πληροφορίες κωδικοποιούνται αλλάζοντας το πλάτος, τη συχνότητα ή τη φάση ενός ημιτονοειδούς φέροντος σήματος.
Το διάγραμμα (Εικ. 2.13, α) δείχνει μια ακολουθία από bit της αρχικής πληροφορίας, που αντιπροσωπεύεται από δυναμικά υψηλού επιπέδου για μια λογική μονάδα και ένα δυναμικό μηδενικού επιπέδου για λογικό μηδέν. Αυτή η μέθοδος κωδικοποίησης ονομάζεται δυνητικός κώδικας, ο οποίος χρησιμοποιείται συχνά κατά τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ μπλοκ υπολογιστών.
Με τη διαμόρφωση πλάτους (Εικ. 2.13, b), επιλέγεται ένα επίπεδο του πλάτους του ημιτονοειδούς φέρουσας συχνότητας για μια λογική μονάδα και ένα άλλο για το λογικό μηδέν. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σπάνια στην καθαρή της μορφή στην πράξη λόγω χαμηλής ατρωσίας θορύβου, αλλά χρησιμοποιείται συχνά σε συνδυασμό με έναν άλλο τύπο διαμόρφωσης - διαμόρφωση φάσης.
Με τη διαμόρφωση συχνότητας (Εικ. 2.13, γ), οι τιμές 0 και 1 των δεδομένων πηγής μεταδίδονται από ημιτονοειδή με διαφορετικές συχνότητες - f0 και f1. Αυτή η μέθοδος διαμόρφωσης δεν απαιτεί πολύπλοκα κυκλώματα σε μόντεμ και χρησιμοποιείται συνήθως σε μόντεμ χαμηλής ταχύτητας που λειτουργούν στα 300 ή 1200 bps.
Με τη διαμόρφωση φάσης, οι τιμές δεδομένων 0 και 1 αντιστοιχούν σε σήματα της ίδιας συχνότητας, αλλά με διαφορετικές φάσεις, για παράδειγμα 0 και 180 μοίρες ή 0,90,180 και 270 μοίρες.
Τα μόντεμ υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούν συχνά συνδυασμένες μεθόδους διαμόρφωσης, συνήθως πλάτους σε συνδυασμό με φάση.
Όταν χρησιμοποιείτε ορθογώνιους παλμούς για τη μετάδοση διακριτών πληροφοριών, είναι απαραίτητο να επιλέξετε μια μέθοδο κωδικοποίησης που επιτυγχάνει ταυτόχρονα πολλούς στόχους:
· είχε το μικρότερο εύρος φάσματος του προκύπτοντος σήματος με τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης bit.
· εξασφαλισμένος συγχρονισμός μεταξύ του πομπού και του δέκτη.
· είχε την ικανότητα να αναγνωρίζει λάθη.
· είχε χαμηλό κόστος πώλησης.
Ένα στενότερο φάσμα σημάτων επιτρέπει σε κάποιον να επιτύχει υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς δεδομένων στην ίδια γραμμή (με το ίδιο εύρος ζώνης). Επιπλέον, το φάσμα του σήματος απαιτείται συχνά να μην έχει συνιστώσα DC, δηλαδή την παρουσία ρεύματος συνεχούς ρεύματος μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Συγκεκριμένα, η χρήση διαφόρων κυκλωμάτων γαλβανικής απομόνωσης μετασχηματιστών εμποδίζει τη διέλευση συνεχούς ρεύματος.
Ο συγχρονισμός του πομπού και του δέκτη είναι απαραίτητος, ώστε ο δέκτης να γνωρίζει ακριβώς σε ποιο χρονικό σημείο είναι απαραίτητο να διαβάσει νέες πληροφορίες από τη γραμμή επικοινωνίας.
Η αναγνώριση και η διόρθωση των παραμορφωμένων δεδομένων είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί με τη χρήση μέσων φυσικού επιπέδου, επομένως τις περισσότερες φορές αυτή η εργασία αναλαμβάνεται από πρωτόκολλα υψηλότερης ποιότητας: κανάλι, δίκτυο, μεταφορά ή εφαρμογή. Από την άλλη πλευρά, η αναγνώριση σφαλμάτων στο φυσικό επίπεδο εξοικονομεί χρόνο, αφού ο δέκτης δεν περιμένει να τοποθετηθεί τελείως το πλαίσιο στο buffer, αλλά το απορρίπτει αμέσως όταν αναγνωρίσει λανθασμένα bits μέσα στο πλαίσιο.
Οι απαιτήσεις για τις μεθόδους κωδικοποίησης είναι αμοιβαία αντιφατικές, επομένως καθεμία από τις δημοφιλείς μεθόδους ψηφιακής κωδικοποίησης που συζητούνται παρακάτω έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σε σύγκριση με άλλες.




Μπλουζα