Az adattovábbítás fizikai alapjai. Az adatátvitel módszerei fizikai szinten. Az adattovábbítás fizikai alapjai

7. FIZIKAI ADATÁTVITELI SZINT

7.2. Diszkrét adatátviteli módszerek

Amikor diszkrét adatokat továbbítanak kommunikációs csatornákon, a fizikai kódolás két fő típusát alkalmazzák - szinuszos vivőjelen és téglalap alakú impulzusok sorozatán alapulva. Az első módszert gyakran ún moduláció vagy analóg moduláció , hangsúlyozva azt a tényt, hogy a kódolás az analóg jel paramétereinek megváltoztatásával történik. A második módszer az ún digitális kódolás . Ezek a módszerek a kapott jel spektrumának szélességében és a megvalósításukhoz szükséges berendezések bonyolultságában különböznek egymástól.

Téglalap alakú impulzusok használatakor a kapott jel spektruma nagyon széles. A szinuszhullám alkalmazása szűkebb spektrumot eredményez azonos információátviteli sebesség mellett. A moduláció megvalósításához azonban bonyolultabb és drágább berendezésekre van szükség, mint a téglalap alakú impulzusok megvalósításához.

Jelenleg egyre inkább az eredetileg analóg formában lévő adatok - beszéd, televíziókép - diszkrét formában, azaz egyesek és nullák sorozataként kerülnek továbbításra kommunikációs csatornákon. Az analóg információ diszkrét formában való megjelenítésének folyamatát ún diszkrét moduláció .

Az analóg modulációt diszkrét adatok továbbítására használják szűk frekvenciasávú csatornákon - hangfrekvenciás csatornákon (nyilvános telefonhálózatok). Ez a csatorna 300-3400 Hz tartományban sugároz frekvenciákat, így a sávszélessége 3100 Hz.

Az adó oldalon a vivő szinuszos moduláció, a vevő oldalon a demoduláció funkcióit ellátó eszközt ún. modem (modulátor-demodulátor).

Az analóg moduláció egy fizikai kódolási módszer, amelyben az információt egy szinuszos jel amplitúdójának, frekvenciájának vagy fázisának megváltoztatásával kódolják. vivőfrekvencia(27. ábra).

Nál nél amplitúdó moduláció (27. ábra, b) egy logikai egységhez a vivőfrekvenciás szinusz amplitúdójának egy szintje van kiválasztva, a logikai nullához pedig egy másik. Ezt a módszert a gyakorlatban ritkán használják tiszta formájában az alacsony zajtűrés miatt, de gyakran más típusú modulációval - fázismodulációval kombinálva.

Nál nél frekvencia moduláció (27. ábra, c) a forrásadatok 0 és 1 értékeit különböző frekvenciájú szinuszok továbbítják - f 0 és f 1,. Ez a modulációs módszer nem igényel bonyolult áramkört a modemekben, és jellemzően alacsony sebességű, 300 vagy 1200 bps-os modemekben használatos.

Nál nél fázis moduláció (27. ábra, d) A 0 és 1 adatértékek azonos frekvenciájú, de különböző fázisú jeleknek felelnek meg, például 0 és 180 fok vagy 0, 90, 180 és 270 fok.

A nagysebességű modemek gyakran kombinált modulációs módszereket használnak, általában amplitúdót kombinálva fázissal.

Rizs. 27. Különféle típusok moduláció

A kapott modulált jel spektruma a moduláció típusától és sebességétől függ.

A potenciálkódoláshoz a spektrumot közvetlenül a periodikus függvény Fourier-képleteiből kapjuk. Ha diszkrét adatot N bit/s bitsebességgel továbbítunk, akkor a spektrum egy állandó nulla frekvenciájú összetevőből és egy végtelen sorozatból áll, amelyek frekvenciája f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., ahol f 0 = N/2. Ezeknek a harmonikusoknak az amplitúdója meglehetősen lassan csökken - 1/3, 1/5, 1/7, ... együtthatókkal az f 0 harmonikus amplitúdójából (28. ábra, a). Ennek eredményeként a potenciális kód spektruma széles sávszélességet igényel a kiváló minőségű átvitelhez. Ezenkívül figyelembe kell vennie, hogy a valóságban a jel spektruma folyamatosan változik az adatok természetétől függően. Ezért a kapott potenciálkód jel spektruma tetszőleges adatok továbbításakor egy bizonyos 0 Hz-hez közeli értéktől körülbelül 7f 0-ig terjedő sávot foglal el (a 7f 0 feletti frekvenciájú harmonikusok figyelmen kívül hagyhatók, mivel kis mértékben járulnak hozzá a kapott jelhez). Hangcsatorna esetén a lehetséges kódolás felső határa 971 bps adatsebességgel érhető el. Ennek eredményeként a hangcsatornák lehetséges kódjait soha nem használják fel.

Amplitúdó moduláció esetén a spektrum a vivőfrekvencia szinuszhullámából áll f withés két oldalharmonikus: (f c + f m ) és ( f c – f m), hol f m – a szinusz információs paraméterének változási gyakorisága, amely egybeesik az adatátviteli sebességgel két amplitúdószint használata esetén (28. ábra, b). Frekvencia f m meghatározza egy adott kódolási módszer vonalkapacitását. Alacsony modulációs frekvencia esetén a jelspektrum szélessége is kicsi lesz (2f m ), így a jeleket nem torzítja el egy vonal, ha a sávszélessége nagyobb vagy egyenlő, mint 2f m . Hangfrekvenciás csatorna esetén ez a modulációs módszer legfeljebb 3100/2=1550 bps adatátviteli sebesség mellett elfogadható. Ha 4 amplitúdószintet használunk az adatok bemutatására, akkor a csatorna kapacitása 3100 bps-ra nő.

Rizs. 28. Jelek spektruma a potenciálkódolás során

és amplitúdó moduláció

A fázis- és frekvenciamodulációnál a jelspektrum bonyolultabb, mint az amplitúdómodulációnál, hiszen itt kettőnél több oldalharmonikus képződik, de ezek is szimmetrikusan helyezkednek el a fő vivőfrekvenciához képest, és amplitúdójuk gyorsan csökken. Ezért az ilyen típusú moduláció kiválóan alkalmas hangcsatornán keresztüli adatátvitelre is.

A diszkrét információk digitális kódolásakor potenciál- és impulzuskódokat használnak. A potenciálkódokban csak a jel potenciálértékét használjuk a logikai egyesek és nullák ábrázolására, éleit nem veszik figyelembe. Az impulzuskódok lehetővé teszik a bináris adatok megjelenítését vagy egy bizonyos polaritású impulzusként, vagy egy impulzus részeként - egy adott irányú potenciálkülönbség.

Ha téglalap alakú impulzusokat használ diszkrét információk továbbítására, olyan kódolási módszert kell választani, amely egyszerre több célt is elér:

· a kapott jel legkisebb spektrumszélességével rendelkezett azonos bitsebességgel;

· biztosított a szinkronizálás az adó és a vevő között;

· képes volt felismerni a hibákat;

· alacsony eladási ára volt.

A szűkebb jelspektrum nagyobb adatátviteli sebességet tesz lehetővé ugyanazon a vonalon. A jel spektrumának gyakran arra van szüksége, hogy ne legyen DC komponense.

Az adó és a vevő szinkronizálására azért van szükség, hogy a vevő pontosan tudja, hogy mikor kell új információt olvasni a kommunikációs vonalról. Ezt a problémát a hálózatokban nehezebb megoldani, mint a közeli eszközök közötti adatcsere során, például a számítógépen belüli egységek vagy a számítógép és a nyomtató között. Ezért a hálózatok úgynevezett önszinkronizáló kódokat használnak, amelyek jelei utasításokat hordoznak az adó számára arról, hogy a következő bitet (vagy több bitet) mikor kell felismerni. Bármilyen éles változás a jelben - az úgynevezett él - jó jelzésként szolgálhat a vevő és az adó szinkronizálására.

Ha szinuszokat használunk vivőjelként, a kapott kód önszinkronizációs tulajdonsággal rendelkezik, mivel a vivőfrekvencia amplitúdójának megváltoztatása lehetővé teszi a vevő számára, hogy meghatározza a bemeneti kód megjelenésének pillanatát.

A kódolási módszerekkel szemben támasztott követelmények egymásnak ellentmondóak, ezért az alábbiakban tárgyalt népszerű digitális kódolási módszerek mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai a többihez képest.

ábrán. A 29. ábra a lehetséges kódolási módszert mutatja, amelyet kódolásnak is neveznek nullára való visszatérés nélkül (Nem Vissza a nullához, NRZ) . A vezetéknév azt a tényt tükrözi, hogy egyesek sorozatának továbbításakor a jel nem tér vissza nullára az órajel ciklusa alatt. Az NRZ módszer könnyen megvalósítható, jó hibafelismeréssel rendelkezik (két élesen eltérő potenciál miatt), de nem rendelkezik az önszinkronizáció tulajdonságával. Egyesek vagy nullák hosszú sorozatának továbbításakor a vonalon a jel nem változik, így a vevő nem tudja meghatározni a bemeneti jelből azokat az időpillanatokat, amikor szükséges az adatolvasás. A vevő még nagy pontosságú óragenerátor esetén is hibázhat az adatgyűjtés pillanatában, mivel a két generátor frekvenciája soha nem teljesen azonos. Ezért nagy adatsebesség és hosszú egyesek vagy nullák sorozata esetén egy kis órajel-eltérés egy teljes óraciklus hibájához vezethet, és ennek megfelelően egy helytelen bitérték olvasásához vezethet.

Az NRZ-módszer másik komoly hátránya egy alacsony frekvenciájú komponens jelenléte, amely közelít a nullához, amikor egyesek vagy nullák hosszú sorozatait továbbítják. Emiatt sok olyan kommunikációs csatorna, amely nem biztosít közvetlen galvanikus kapcsolatot a vevő és a forrás között, nem támogatja az ilyen típusú kódolást. Ennek eredményeként az NRZ kódot tiszta formájában nem használják a hálózatokban. Ennek ellenére különféle módosításokat alkalmaznak, amelyek kiküszöbölik az NRZ kód rossz önszinkronizálását és egy állandó komponens jelenlétét. Az NRZ kód vonzereje, ami miatt érdemes továbbfejleszteni, az f 0 alapharmonikus meglehetősen alacsony frekvenciája, amely N/2 Hz-zel egyenlő. Más kódolási módszerekben, például Manchesterben, az alapharmonikus magasabb frekvenciával rendelkezik.

Rizs. 29. A diszkrét adatkódolás módszerei

Az NRZ módszer egyik módosítása a módszer bipoláris kódolás alternatív inverzióval (Kétpólusú Alternate Mark Inversion, AMI). Ez a módszer (29. ábra, b) három potenciálszintet használ - negatív, nulla és pozitív. A logikai nulla kódolásához nulla potenciált használnak, a logikai potenciált pedig pozitív vagy negatív potenciál kódolja, ahol minden egyes új egység potenciálja ellentétes az előző potenciáljával.

Az AMI kód ​​részben kiküszöböli a DC-t és az NRZ kódban rejlő önszinkronizálási problémák hiányát. Ez akkor fordul elő, ha hosszú sorozatokat küldünk. Ezekben az esetekben a vonalon a jel az NRZ kóddal azonos spektrumú, ellentétes polaritású impulzusok sorozata, amelyek váltakozó nullákat és egyeseket adnak át, azaz állandó komponens nélkül és N/2 Hz alapharmonikussal (ahol N az adatátvitel bitsebessége). A nullák hosszú sorozatai ugyanolyan veszélyesek az AMI kódra, mint az NRZ kódra – a jel állandó nulla amplitúdójú potenciállá degenerálódik. Ezért az AMI kód ​​további fejlesztést igényel.

Általánosságban elmondható, hogy egy vonal különböző bitkombinációinál az AMI kód ​​használata szűkebb jelspektrumot eredményez, mint az NRZ kód, és ezért magasabb. sávszélesség vonalak. Például váltakozó egyesek és nullák átvitelekor az f 0 alapharmonikus frekvenciája N/4 Hz. Az AMI kód ​​bizonyos képességeket is biztosít a hibás jelek felismerésére. Így a jel polaritás szigorú váltakozásának megsértése hamis impulzust vagy a helyes impulzus eltűnését jelzi a vonalból. Ezt a jelet ún tiltott jelzés (jel megsértése).

Az AMI kód ​​nem két, hanem három jelszintet használ a vonalon. A további réteghez körülbelül 3 dB-lel kell megnövelni az adóteljesítményt, hogy ugyanazt a bithűséget biztosítsa a vonalon, ami a több jelállapotú kódok általános hátránya a csak két állapotot megkülönböztető kódokhoz képest.

Az AMI-hez hasonló kód létezik, de csak két jelszinttel. Nulla átvitelekor az előző ciklusban beállított potenciált továbbítja (vagyis nem változtatja meg), az egyes továbbításakor pedig az ellenkezőjére fordítja a potenciált. Ezt a kódot hívják potenciálkód inverzióval egyben (Nem Visszatérés nak nek Nulla val vel azok Fordított , NRZI ) . Ez a kód olyan esetekben hasznos, amikor egy harmadik jelszint használata nagyon nem kívánatos, például in optikai kábelek, ahol két jelállapot következetesen felismerhető – a fény és az árnyék.

A potenciális kódokon kívül impulzuskódokat is használnak a hálózatokban, amikor az adatokat egy teljes impulzus vagy annak egy része - egy él - képviseli. Ennek a megközelítésnek a legegyszerűbb esete az bipoláris impulzuskód , amelyben az egyiket egy, a nullát egy másik polaritású impulzus képviseli (29. ábra, c). Minden impulzus fél ütemig tart. Ez a kód kiváló önszinkronizáló tulajdonságok, de jelen lehet egy állandó komponens, például egyek vagy nullák hosszú sorozatának továbbításakor. Ráadásul spektruma szélesebb, mint a potenciális kódoké. Így az összes nulla vagy egyes átvitelekor a kód alapharmonikusának frekvenciája N Hz lesz, ami kétszerese az NRZ kód alapharmonikusának és négyszerese az AMI kód ​​alapharmonikusának. váltakozó egyesek és nullák továbbításakor. Túl széles spektruma miatt a bipoláris impulzuskódot ritkán használják.

BAN BEN helyi hálózatok Egészen a közelmúltig a legelterjedtebb kódolási módszer az ún Manchester kód (29. ábra, d). Ethernet és Token Ring technológiákban használják.

A Manchester-kód egy potenciálkülönbséget, vagyis az impulzus szélét használja egyesek és nullák kódolására. Manchesteri kódolással minden ütem két részre oszlik. Az információkat az egyes óraciklusok közepén fellépő potenciálesések kódolják. Az egyiket egy él kódolja alacsonytól a magasig, a nullát pedig egy fordított él kódolja. Minden órajelciklus elején előfordulhat többletjelesés, ha egymás után több egyest vagy nullát kell ábrázolnia. Mivel a jel egy adatbit átviteli ciklusánként legalább egyszer változik, a Manchester kód jó önszinkronizáló tulajdonságait. A Manchester kód sávszélessége szűkebb, mint a bipoláris impulzusé. Egyenáramú komponense sincs, és az alapharmonikus a legrosszabb esetben (egyesek vagy nullák sorozatának átvitelekor) N Hz frekvenciájú, legjobb esetben pedig (váltakozó egyesek és nullák átvitelekor) N / 2 Hz, mint az AMI vagy az NRZ A manchesteri kód sávszélessége átlagosan másfélszer szűkebb, mint a bipoláris impulzuskódé, az alapharmonikus pedig 3N/4 érték körül ingadozik. A Manchester kódnak van egy másik előnye a bipoláris impulzuskóddal szemben. Ez utóbbi három jelszintet használ az adatátvitelhez, míg a manchesteri kettőt.

ábrán. 29, d egy potenciálkódot mutat négy jelszinttel az adatok kódolásához. Ez egy 2B1Q kód, amelynek a neve tükrözi a lényegét - minden két bitet (2B) egy órajel ciklusban továbbít egy négy állapotú (1Q) jel. A 00 bitpár -2,5 V-os, a 01-es bitpár -0,833 V-os, a 11-es bitpár +0,833 V-os, a 10-es pár pedig +2,5 V-os potenciálnak felel meg. Ezzel a kódolással módszerrel, további intézkedésekre van szükség az azonos bitpárok hosszú sorozatai elleni küzdelemhez, mivel ebben az esetben a jel állandó komponenssé válik. A bitek véletlenszerű interleavelésével a jelspektrum kétszer szűkebb, mint az NRZ kódé, mivel azonos bitsebesség mellett az órajel időtartama megduplázódik. Így a 2B1Q kód használatával kétszer olyan gyorsan továbbíthat adatokat ugyanazon a vonalon, mint az AMI vagy az NRZI kód ​​használatával. Ennek megvalósításához azonban az adó teljesítményének nagyobbnak kell lennie, hogy a négy szintet a vevő egyértelműen megkülönböztethesse az interferencia hátterében.

oldal 27 tól től 27 Az adattovábbítás fizikai alapjai(Kommunikációs vonalak,)

Az adattovábbítás fizikai alapjai

Minden hálózati technológiának biztosítania kell a diszkrét adatok megbízható és gyors továbbítását kommunikációs vonalakon. Bár nagy különbségek vannak a technológiák között, ezek a diszkrét adatátvitel közös elvein alapulnak. Ezek az alapelvek a bináris egyesek és nullák megjelenítésére szolgáló eljárásokban, különböző fizikai természetű kommunikációs vonalakban impulzusos vagy szinuszos jelek alkalmazásával, hibaészlelési és -javítási módszerekben, tömörítési módszerekben és kapcsolási módszerekben testesülnek meg.

Vonalakkommunikáció

Elsődleges hálózatok, vonalak és kommunikációs csatornák

Leíráskor műszaki rendszer, amely információt továbbít a hálózati csomópontok között, több elnevezés is megtalálható a szakirodalomban: kommunikációs vonal, összetett csatorna, csatorna, kapcsolat. Ezeket a kifejezéseket gyakran felcserélve használják, és ez sok esetben nem okoz problémát. Ugyanakkor vannak sajátosságok a használatukban.

Link(link) egy szegmens, amely adatátvitelt biztosít két szomszédos hálózati csomópont között. Azaz a link nem tartalmaz közbenső kapcsoló- és multiplexelő eszközöket.

Csatorna A (csatorna) leggyakrabban a kapcsolat sávszélességének a kapcsolás során önállóan használt részét jelöli. Például egy elsődleges hálózati kapcsolat 30 csatornából állhat, amelyek mindegyikének kapacitása 64 Kbps.

Összetett csatorna(áramkör) egy út a hálózat két végcsomópontja között. Egy összetett csatornát az egyes közbenső kapcsolatok és a kapcsolókban lévő belső kapcsolatok alkotnak. Az „összetett” jelzőt gyakran elhagyják, és a „csatorna” kifejezést mind az összetett csatornára, mind a szomszédos csomópontok közötti csatornára, azaz egy linken belüli csatornára használják.

Kommunikációs vonal a másik három kifejezés bármelyikének szinonimájaként használható.

ábrán. két kommunikációs vonal opció látható. Az első esetben ( A) a vezeték több tíz méter hosszú kábelszakaszból áll, és egy összeköttetés. A második esetben (b) a kommunikációs vonal egy kompozit csatorna, amely egy áramkörkapcsolt hálózatban van kiépítve. Ilyen hálózat lehetne elsődleges hálózat vagy telefonhálózat.

Azonban azért számítógép hálózat ez a vonal egy kapcsolatot jelent, mivel két szomszédos csomópontot köt össze, és minden kapcsoló közbenső berendezés átlátszó ezen csomópontok számára. A számítástechnikai szakemberek és az elsődleges hálózati szakemberek közötti kölcsönös félreértés oka itt nyilvánvaló.

Az elsődleges hálózatokat kifejezetten azért hozták létre, hogy adatátviteli csatorna-szolgáltatásokat nyújtsanak számítógépes és telefonhálózatok számára, amelyek ilyen esetekben állítólag az elsődleges hálózatok „tetején” működnek, és átfedő hálózatok.

A kommunikációs vonalak osztályozása

Kommunikációs vonal általában egy fizikai közegből áll, amelyen keresztül elektromos információs jelek, adatátviteli berendezések és közbenső berendezések továbbításra kerülnek. Az adatátvitel fizikai közege (fizikai adathordozó) lehet kábel, azaz vezetékek, szigetelő- és védőburkolatok és csatlakozó csatlakozók halmaza, valamint a föld légköre vagy a világűr, amelyen az elektromágneses hullámok terjednek.

Az első esetben beszélünk vezetékes környezet, a másodikban pedig - kb vezeték nélküli.

A modern távközlési rendszerekben az információ továbbítása a segítségével történik elektromos áram vagy feszültség, rádiójelek vagy fényjelek- mindezek a fizikai folyamatok az elektromágneses mező különböző frekvenciájú oszcillációit jelentik.

Vezetékes (felső) vezetékek A csatlakozások szigetelő vagy árnyékoló fonat nélküli, oszlopok közé fektetett és a levegőben lógó vezetékek. Még a közelmúltban is az ilyen kommunikációs vonalak voltak a fő vonalak a telefon- vagy távírójelek továbbítására. Manapság a vezetékes kommunikációs vonalakat gyorsan felváltják a kábelvonalak. De néhány helyen még megőrzik, és egyéb lehetőség hiányában továbbra is számítógépes adatok továbbítására használják. Ezen vonalak sebessége és zajtűrése sok kívánnivalót hagy maga után.

Kábelvonalak meglehetősen összetett kialakításúak. A kábel több szigetelési rétegbe zárt vezetékekből áll: elektromos, elektromágneses, mechanikus és esetleg klimatikus. Ezenkívül a kábel felszerelhető csatlakozókkal, amelyek lehetővé teszik a különféle berendezések gyors csatlakoztatását. A számítógépes (és távközlési) hálózatokban három fő kábeltípust használnak: csavart rézvezetékpáron alapuló kábelek - árnyékolatlan csavart érpár(Unshielded Twisted Pair, UTP) és árnyékolt csavart érpár(árnyékolt csavart érpár, STP), koaxiális kábelek rézmagos, optikai kábelekkel. Az első két típusú kábelt is hívják rézkábelek.

Rádió csatornák A földi és műholdas kommunikációt rádióhullám-adó és -vevő segítségével alakítják ki. Nagyon sokféle rádiócsatorna létezik, amelyek mind a használt frekvenciatartományban, mind a csatornatartományban különböznek. Rádiósávok sugárzása(hosszú, közepes és rövid hullámok), más néven AM zenekarok, vagy amplitúdómodulációs tartományok (Amplitude Modulation, AM), nagy távolságú kommunikációt biztosítanak, de alacsony adatátviteli sebességgel. A leggyorsabb csatornák azok, amelyek használják nagyon magas frekvencia tartományok(Very High Frequency, VHF), amelyhez frekvenciamodulációt (FM) használnak. Adatátvitelre is használható ultra magas frekvencia tartományok(Ultra High Frequency, UHF), más néven mikrohullámú szalagok(300 MHz felett). 30 MHz feletti frekvenciákon a jeleket már nem verik vissza a Föld ionoszférája, és a stabil kommunikációhoz közvetlen láthatóság szükséges az adó és a vevő között. Ezért az ilyen frekvenciákat vagy műholdas csatornák, vagy rádiórelé csatornák, vagy helyi ill mobilhálózat, ahol ez a feltétel teljesül.

2 A fizikai réteg funkciói Bitek ábrázolása elektromos/optikai jelekkel Bitek kódolása Bitek szinkronizálása Bitek átvitele/vétele fizikai kommunikációs csatornákon Koordináció a fizikai környezettel Átviteli sebesség Tartomány Jelszintek, csatlakozók Minden hálózati eszközben Hardveres megvalósítás (hálózati adapterek) ) Példa: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100m, 10Mbit/s, MII kód, RJ-45

5 Adatátviteli berendezés Átalakító Üzenet - El. jel Kódoló (tömörítés, korrekciós kódok) Modulátor Köztes berendezés Kommunikációs minőség javítása - (Erősítő) Kompozit csatorna létrehozása - (Switch) Csatorna multiplexelés - (Multiplexer) (A PA hiányzik a LAN-ban)

6 A kommunikációs vonalak főbb jellemzői Átmenőképesség (Protokoll) Adatátvitel megbízhatósága (Protokoll) Terjedési késleltetés Amplitúdó-frekvencia válasz (AFC) Sávszélesség Csillapítás Zajtűrés Áthallás a vonal közeli végén Egységköltség

9 A csillapítás – egy pont a frekvenciameneten A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q 1. példa: Pin = 10 mW , Pout = 5 mW Csillapítás = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q 2. példa: UTP cat 5 Csillapítás >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Jellemzően A jelzés a jel alapfrekvenciájára = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Jellemzően A jelzett a fő jel frekvenciájánál">

11 Zajtűrés Száloptikai vezetékek Kábelvezetékek Vezetékes felsővezetékek Rádióvezetékek (árnyékolás, csavarás) Külső interferencia elleni védelem Belső interferencia elleni védelem Közeli áthallás csillapítás (NEXT) Távoli áthallás csillapítás (FEXT) (FEXT - Két pár egy irányban )

12 Near End Cross Talk loss – NEXT Több érpáros kábelekhez NEXT = 10 log Pout/Pin dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Az adatátvitel megbízhatósága Bit Error Rate – BER Az adatbitek sérülésének valószínűsége Okok: külső és belső interferencia, szűk sávszélesség Küzdelem: a zajtűrés növelése, a NEXT interferencia csökkentése, a sávszélesség bővítése Csavart érpár BER ~ Optikai kábel BER ~ Nincs további védelmi eszköz :: javító kódok, protokollok ismétléssel

16 Sodrott érpár, csavart érpár (TP) fóliaszivacs fonott huzalszitával szigetelt huzal külső köpeny UTP árnyékolatlan csavart érpár 1. kategória, UTP macskapárok hüvelyben STP árnyékolt csavart érpárok Típusok 1…9 Minden párnak saját képernyője van Minden párnak saját lépcsője van csavarok, saját szín Zajállóság Költség A fektetés bonyolultsága

18 Száloptika A nyaláb teljes belső visszaverődése két közeg határfelületén n1 > n2 - (törésmutató) n1 n2 n2 - (törésmutató) n1 n2"> n2 - (törésmutató) n1 n2"> n2 - (törésmutató) n1 n2" title="18 Fiber Optics Egy nyaláb teljes belső visszaverődése két határon közeg n1 > n2 - (törésmutató) n1 n2"> title="18 Száloptika A nyaláb teljes belső visszaverődése két közeg határfelületén n1 > n2 - (törésmutató) n1 n2"> !}

22 Száloptikai kábel Multi Mode Fiber MMF50/125, 62.5/125, Egymódusú FiberSMF8/125, 9.5/125 D = 250 µm 1 GHz – 100 km BaseLH5000 km – 1 Gbit/s (2005)

23 Optikai jelforrások Csatorna: forrás - vivő - vevő (detektor) Források LED (Light Emitting Diode) nm inkoherens forrás - MMF Félvezető lézer koherens forrás - SMF - Teljesítmény = f (t o) Érzékelők Fotodiódák, tűdiódák, lavinadiódák

25 strukturált kábelezési rendszer – SCS First LAN-ok – különféle kábelekés topológiák SCS kábelrendszer egységesítése - nyílt LAN kábel infrastruktúra (alrendszerek, komponensek, interfészek) - függetlenség hálózati technológia- LAN kábelek, TV, biztonsági rendszerek stb. - univerzális kábelezés konkrét hálózati technológiára való hivatkozás nélkül - Konstruktor

27 SCS szabványok (alap) EIA/TIA-568A Kereskedelmi épületek távközlési kábelezési szabványa (USA) CENELEC EN50173 Az általános kábelezési sémák teljesítménykövetelményei (Európa) ISO/IEC IS információtechnológia - Általános kábelezés az ügyfelek helyiségeinek kábelezéséhez Minden alrendszerhez: Adatátviteli közeg . Topológia Megengedett távolságok (kábelhosszak) Felhasználói csatlakozási felület. Kábelek és csatlakozó berendezések. Átbocsátóképesség (Teljesítmény). Telepítési gyakorlat (Vízszintes alrendszer - UTP, csillag, 100 m...)

28 Vezeték nélküli kommunikáció Vezeték nélküli átvitel Előnyök: kényelem, megközelíthetetlen területek, mobilitás. gyors telepítés... Hátrányok: magas szintű interferencia ( speciális eszközök: kódok, moduláció...), egyes tartományok használatának bonyolultsága Kommunikációs vonal: adó - közeg - vevő LAN jellemzői ~ F(Δf, fн);

34 2. Mobiltelefon Terület felosztása cellákra Frekvenciák újrafelhasználása Alacsony teljesítmény (méretek) Központban - bázisállomás Európa - Global System for Mobile - GSM Wireless telefonos kommunikáció 1. Kis teljesítményű rádióállomás - (kézibeszélő-bázis, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - váltás egyről törzshálózat a másiknak - az alapnak sejtes kommunikáció

35 Műholdas kapcsolat Műhold alapú (reflektor-erősítő) Adó-vevők - transzponderek H~50 MHz (1 műhold ~ 20 transzponder) Frekvencia tartományok: C. Ku, Ka C - Le 3,7 - 4,2 GHz Fel 5,925-6,425 GHz Ku - Le 11,7- 12,2 GHz fel 14,0-14,5 GHz Ka - le 17,7-21,7 GHz fel 27,5-30,5 GHz

36 Műholdas kommunikáció . Műholdak típusai Műholdas kommunikáció: mikrohullámú - rálátás Geostacionárius Nagy lefedettség Fix, Alacsony kopás Repeater műhold, broadcast, olcsó, költség nem függ a távolságtól, Azonnali kapcsolat kialakítása (Mil) Tz=300ms Alacsony biztonság, Kezdetben nagy antenna (de VSAT) Középpálya km Globális helymeghatározó rendszer GPS - 24 műhold Alacsony pálya km alacsony lefedettség alacsony késleltetésű Internet hozzáférés

40 Spread Spectrum Techniques Speciális modulációs és kódolási technikák a vezeték nélküli kommunikáció C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Teljesítménycsökkentés Zajtűrés Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

A fizikai kódolásnak két fő típusát alkalmazzák - szinuszos vivőjelen (analóg moduláció) és téglalap alakú impulzusok sorozatán (digitális kódolás) alapuló.

Analóg moduláció - diszkrét adatok továbbítására szűk sávszélességű csatornán keresztül - telefonhálózatok hangfrekvenciás csatorna (300-3400 Hz sávszélesség) Modulációt és demodulációt végző eszköz - modem.

Analóg modulációs módszerek

n amplitúdómoduláció (alacsony zajtűrő képesség, gyakran fázismodulációval együtt alkalmazzák);

n frekvenciamoduláció (komplex műszaki megvalósítás, általában kis sebességű modemekben használják).

n fázisú moduláció.

Modulált jel spektrum

Potenciális kód- ha a diszkrét adatot N bit/s sebességgel továbbítjuk, akkor a spektrum egy állandó nulla frekvenciájú összetevőből és egy végtelen sorozatból áll, amelyek frekvenciája f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., ahol f0 = N /2. Ezeknek a harmonikusoknak az amplitúdója lassan csökken - 1/3, 1/5, 1/7, ... együtthatókkal az f0 amplitúdótól. A kapott potenciálkód jel spektruma tetszőleges adatok továbbításakor egy bizonyos 0-hoz közeli értéktől körülbelül 7f0-ig terjedő sávot foglal el. Hangfrekvenciás csatorna esetén az átviteli sebesség felső határa 971 bit/s adatátviteli sebességnél érhető el, az alsó határ pedig bármilyen sebességnél elfogadhatatlan, mivel a csatorna sávszélessége 300 Hz-nél kezdődik. Vagyis a potenciális kódokat nem használják a hangfrekvenciás csatornákon.

Amplitúdó moduláció- a spektrum egy fc vivőfrekvenciás szinuszból és két fc+fm és fc-fm oldalharmonikusból áll, ahol fm a szinusz információs paraméterének változási frekvenciája, amely egybeesik az adatátviteli sebességgel két amplitúdó használata esetén szinteket. Az fm frekvencia határozza meg a vonal kapacitását ez a módszer kódolás. Kis modulációs frekvencia mellett a jel spektrum szélessége is kicsi lesz (2fm), és a jeleket nem torzítja a vonal, ha a sávszélesség nagyobb vagy egyenlő, mint 2fm. Hangfrekvenciás csatorna esetén ez a módszer elfogadható 3100/2 = 1550 bit/s adatátviteli sebességnél.

Fázis- és frekvenciamoduláció- a spektrum összetettebb, de szimmetrikus, nagyszámú gyorsan csökkenő harmonikussal. Ezek a módszerek hangfrekvenciás csatornán történő átvitelre alkalmasak.

Quadrate Amplitude Modulation - fázismoduláció 8 fáziseltolási értékkel és amplitúdómoduláció 4 amplitúdóértékkel. Nem használja mind a 32 jelkombinációt.

Digitális kódolás

Potenciális kódok– a logikai egyesek és nullák ábrázolásához csak a jelpotenciál értékét használjuk, és annak cseppjeit, amelyek kész impulzusokat fogalmaznak meg, nem vesszük figyelembe.

Impulzus kódok– a bináris adatokat vagy egy bizonyos polaritású impulzusként, vagy egy impulzus részeként - egy adott irányú potenciálkülönbségként ábrázolja.

A digitális kódolási módszer követelményei:

Azonos bitsebesség mellett ennek volt a legkisebb spektrumszélessége a keletkező jelnek (a szűkebb jelspektrum lehetővé teszi, hogy ugyanazon a vonalon nagyobb adatátviteli sebességet érjünk el; követelmény az is, hogy ne legyen állandó komponens, vagyis a jelenlét egyenáram adó és vevő között);

Biztosított szinkronizálás az adó és a vevő között (a vevőnek pontosan tudnia kell, hogy melyik időpontban tudja kiolvasni a vonalból a szükséges információkat, helyi rendszerekben - óravonalak, hálózatokban - önszinkronizáló kódok, amelyek jelei utasításokat hordoznak az adó arról, hogy mely időpontban kell végrehajtani a következő bit felismerését);

Rendelkezett a hibák felismerésének képességével;

A megvalósítás alacsony költséggel járt.

Potenciális kód nullára való visszatérés nélkül. NRZ (Non Return to Zero). A jel nem tér vissza nullára az órajel ciklusa alatt.

Könnyen kivitelezhető, két élesen eltérő jel miatt jó hibafelismeréssel rendelkezik, de nem rendelkezik szinkronizálási tulajdonsággal. A nullák vagy egyesek hosszú sorozatának továbbításakor a vonalon a jel nem változik, így a vevő nem tudja meghatározni, hogy mikor kell újra olvasni az adatokat. További hátránya az alacsony frekvenciájú komponens jelenléte, amely a nullához közelít, amikor egyesek és nullák hosszú sorozatait továbbítják. A kódot ritkán használják tiszta formájában, módosításokat alkalmaznak. vonzerő – alacsony frekvenciaju alapharmonikus f0 = N /2.

Bipoláris kódolási módszer alternatív inverzióval. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), az NRZ módszer módosítása.

A nulla kódolásához nulla potenciált használnak, egy logikai egységet pozitív vagy negatív potenciállal kódolnak, ahol minden egyes következő egység potenciálja ellentétes az előző potenciáljával. Részben kiküszöböli az állandó összetevők és az önszinkronizálás hiányának problémáit. Hosszú egységsorozat átvitele esetén az NRZ kóddal azonos spektrumú többpólusú impulzussorozat, amely váltakozó impulzussorozatot ad ki, azaz konstans komponens és alapharmonikus N/2 nélkül. Általánosságban elmondható, hogy az AMI használata szűkebb spektrumot eredményez, mint az NRZ, és ezáltal nagyobb kapcsolati kapacitást. Például váltakozó nullák és egyesek átvitelekor az f0 alapharmonikus frekvenciája N/4. Lehetséges a hibás adások felismerése, de a megbízható vétel érdekében körülbelül 3 dB-lel kell növelni a teljesítményt, mivel jelszint-beállításokat használnak.

Potenciális kód inverzióval egyben. (Non Return to Zero egyesekkel Inverted, NRZI) AMI-szerű kód két jelszinttel. Nulla átvitelekor az előző ciklus potenciálja, egy átvitelekor pedig az ellenkezőjére fordítódik. A kód olyan esetekben kényelmes, amikor a harmadik szint használata nem kívánatos (optikai kábel).

Az AMI, az NRZI javítására két módszert alkalmaznak. Az első a redundáns egységek hozzáadása a kódhoz. Megjelenik az önszinkronizáció tulajdonsága, eltűnik az állandó komponens, és leszűkül a spektrum, de a hasznos áteresztőképesség csökken.

Egy másik módszer a kiindulási információk „keverése”, hogy az egyesek és nullák megjelenésének valószínűsége a vonalon közel legyen - kódolás. Mindkét módszer logikai kódolás, mivel nem határozza meg a vonalon lévő jelek alakját.

Bipoláris impulzuskód. Az egyiket egy, a nullát egy másik polaritású impulzus képviseli. Minden impulzus fél ütemig tart.

A kód kiváló önszinkronizáló tulajdonságokkal rendelkezik, de hosszú nullák vagy egyesek sorozatának továbbításakor előfordulhat, hogy állandó összetevője van. A spektrum szélesebb, mint a potenciális kódoké.

Manchester kód. A leggyakrabban használt kód Ethernet hálózatok, Token Ring.

Minden intézkedés két részre oszlik. Az információt az óraciklus közepén fellépő potenciálesések kódolják. Az egyest az alacsony jelszintről a magasra való csökkenés kódolja, a nullát pedig a fordított csökkenés. Minden órajelciklus elején előfordulhat szolgáltatási jelesés, ha egymás után több egyest vagy nullát kell ábrázolni. A kód kiváló önszinkronizáló tulajdonságokkal rendelkezik. A sávszélesség szűkebb, mint a bipoláris impulzusoké, nincs állandó komponens, az alapharmonikus legrosszabb esetben N, legjobb esetben N/2 frekvenciájú.

2B1Q potenciálkód. Minden két bitet egy órajel ciklusban továbbít egy négyállapotú jel. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Az azonos bitpárok hosszú sorozatainak kezeléséhez további eszközökre van szükség. A bitek véletlenszerű váltakozása esetén a spektrum kétszer szűkebb, mint az NRZ-é, mivel azonos bitsebesség mellett az órajel időtartama megduplázódik, vagyis ugyanazon a vonalon kétszer olyan gyorsan lehet adatokat továbbítani, mint az AMI, NRZI, de szükséges nagy teljesítményű adó.

Logikai kódolás

Úgy tervezték, hogy javítsa a potenciális kódokat, mint például az AMI, NRZI, 2B1Q, az állandó potenciálhoz vezető hosszú bitszekvenciákat váltja fel egymást közbeiktatott egységekkel. Két módszert alkalmaznak - redundáns kódolást és kódolást.

Redundáns kódok Azon alapulnak, hogy az eredeti bitsorozatot részekre bontják, amelyeket gyakran szimbólumoknak neveznek, majd minden eredeti szimbólumot egy újjal helyettesítenek, amely több bittel rendelkezik, mint az eredeti.

A 4B/5B kód a 4 bites sorozatokat 5 bites sorozatokra cseréli. Ekkor a 16 bites kombinációk helyett 32-t kapunk. Ebből 16-ot választunk ki, amelyek nem tartalmaznak nagy számú nullát, a többi kódsértésnek minősül. A DC komponens kiiktatása és a kód önszinkronizálása mellett a redundáns kódok lehetővé teszik a vevő számára a sérült bitek felismerését. Ha a vevő tiltott kódokat kap, az azt jelenti, hogy a jel torzult a vonalon.

Ezt a kódot a vonalon keresztül fizikai kódolással továbbítják, olyan potenciálkódolási módszerrel, amely csak a hosszú nullák sorozatára érzékeny. A kód garantálja, hogy háromnál több nulla ne legyen egymás után a sorban. Vannak más kódok is, például 8B/6T.

A megadott áteresztőképesség biztosítása érdekében az adónak magasabb órajelen kell működnie (100 Mb/s - 125 MHz esetén). A jelspektrum kitágul az eredetihez képest, de szűkebb marad, mint a manchesteri kódspektrum.

Scrambling - adatok keverése egy scramblerrel a vonalról történő átvitel előtt.

A titkosítási módszerek magukban foglalják az eredménykód bitenkénti kiszámítását a forráskód bitjei és az eredménykód korábbi óraciklusokban kapott bitjei alapján. Például,

B i = A i x vagy B i -3 x vagy B i -5 ,

ahol B i a kódoló i-edik órajelében kapott kód bináris számjegye, A i a kódoló bemenetén az i-edik órajelben kapott forráskód bináris számjegye, B i -3 és B i -5 a kapott kód bináris számjegyei, amelyeket az előző munkaciklusokban kaptunk.

Az 110110000001 sorozathoz a kódoló 110001101111-et ad, vagyis nem lesz hat egymást követő nullából álló sorozat.

A kapott szekvencia vétele után a vevő továbbítja azt a dekódolónak, amely az inverz transzformációt alkalmazza

C i = B i x vagy B i-3 x vagy B i-5 ,

A különböző kódoló rendszerek a kifejezések számában és a köztük lévő eltolódásban különböznek.

Több is van egyszerű módszerek nullák vagy egyesek sorozata elleni küzdelem, amelyek szintén a kódolási módszerek közé tartoznak.

A bipoláris AMI javítására a következőket használják:

B8ZS (Bipoláris 8-zérós helyettesítéssel) – csak a 8 nullából álló sorozatokat javítja.

Ehhez az első három nulla után a maradék öt helyett öt V-1*-0-V-1* jelet szúr be, ahol V egy adott polaritási ciklusra tiltott egy jelet jelöl, azaz olyan jel, amely nem változtatja meg az előző polaritását, 1* - az egy jel megfelelő polaritású, és a csillag jel azt jelzi, hogy a forráskódban ebben az órajelben nem egy, hanem nulla volt . Ennek eredményeként a vevő 8 órajelnél 2 torzítást észlel - nagyon valószínűtlen, hogy ez a vonal zaja miatt történt. Ezért a vevő az ilyen megsértéseket 8 egymást követő nulla kódolásának tekinti. Ebben a kódban a konstans összetevő nulla bármely bináris számjegysorozat esetén.

A HDB3 kód az eredeti sorrendben bármely négy egymást követő nullát kijavít. Minden négy nullát négy jel helyettesít, amelyekben egy V jel van. Az egyenáramú komponens elnyomására a V jel polaritását egymást követő cserékben váltogatjuk. Ezenkívül két négyciklusú kódmintát használnak a cseréhez. Ha csere előtt forrás páratlan számú egységet tartalmazott, akkor a 000V sorozatot használjuk, és ha az egységek száma páros volt, akkor az 1*00V sorozatot használjuk.

A továbbfejlesztett potenciálkódok meglehetősen szűk sávszélességgel rendelkeznek a továbbított adatokban előforduló nullák és egyesek sorozataihoz.

Diszkrét adatok kommunikációs csatornákon történő továbbításakor a fizikai kódolás két fő típusát alkalmazzák - az alapján szinuszos vivőjel és téglalap alakú impulzusok sorozatán alapul. Az első módszert gyakran modulációnak vagy analóg modulációnak is nevezik, hangsúlyozva azt a tényt, hogy a kódolás az analóg jel paramétereinek megváltoztatásával történik. A második módszert általában digitális kódolásnak nevezik. Ezek a módszerek a kapott jel spektrumának szélességében és a megvalósításukhoz szükséges berendezések bonyolultságában különböznek egymástól.
Analóg moduláció diszkrét adatok szűk frekvenciasávú csatornákon történő továbbítására szolgál, amelyek tipikus képviselője a nyilvános telefonhálózatok felhasználóinak biztosított hangfrekvenciás csatorna. Egy hangfrekvenciás csatorna tipikus amplitúdó-frekvencia válaszát az ábra mutatja. 2.12. Ez a csatorna 300-3400 Hz tartományban sugároz frekvenciákat, így a sávszélessége 3100 Hz. Modemnek (modulátor - demodulátor) nevezzük azt az eszközt, amely az adó oldalon a vivő szinuszos moduláció, a vevő oldalon a demoduláció funkcióit látja el.
Analóg modulációs módszerek
Az analóg moduláció egy fizikai kódolási módszer, amelyben az információt egy szinuszos vivőjel amplitúdójának, frekvenciájának vagy fázisának megváltoztatásával kódolják.
A diagram (2.13. ábra, a) az eredeti információ biteinek sorozatát mutatja, amelyet egy logikai egység magas szintű potenciáljával, a logikai nulla nulla szintű potenciáljával ábrázol. Ezt a kódolási módszert potenciálkódnak nevezik, amelyet gyakran használnak számítógépblokkok közötti adatátvitelkor.
Az amplitúdómodulációnál (2.13. ábra, b) a vivőfrekvenciás szinusz amplitúdójának egy szintje kerül kiválasztásra egy logikai egységhez, egy másik pedig a logikai nullához. Ezt a módszert a gyakorlatban ritkán használják tiszta formájában az alacsony zajtűrés miatt, de gyakran más típusú modulációval - fázismodulációval kombinálva.
Frekvenciamodulációval (2.13. ábra, c) a forrásadatok 0 és 1 értékeit különböző frekvenciájú szinuszok továbbítják - f0 és f1. Ez a modulációs módszer nem igényel bonyolult áramkört a modemekben, és jellemzően alacsony sebességű, 300 vagy 1200 bps-os modemekben használatos.
Fázismoduláció esetén a 0 és 1 adatértékek azonos frekvenciájú, de különböző fázisú jeleknek felelnek meg, például 0 és 180 fok vagy 0,90, 180 és 270 fok.
A nagysebességű modemek gyakran kombinált modulációs módszereket használnak, általában amplitúdót kombinálva fázissal.
Ha téglalap alakú impulzusokat használ diszkrét információk továbbítására, olyan kódolási módszert kell választani, amely egyszerre több célt is elér:
· a kapott jel legkisebb spektrumszélességével rendelkezett azonos bitsebességgel;
· biztosított a szinkronizálás az adó és a vevő között;
· képes volt felismerni a hibákat;
· alacsony volt az eladási költség.
A szűkebb jelspektrum lehetővé teszi, hogy egy és ugyanazon vonalon (azonos sávszélességgel) nagyobb adatátviteli sebességet érjünk el. Ezenkívül a jel spektrumának gyakran nem kell egyenáramú komponense, azaz egyenáramnak kell lennie az adó és a vevő között. Különösen a transzformátorok különféle galvanikus leválasztó áramkörei akadályozzák meg az egyenáram áthaladását.
Az adó és a vevő szinkronizálására azért van szükség, hogy a vevő pontosan tudja, hogy mikor kell új információt olvasni a kommunikációs vonalról.
A torz adatok felismerése és kijavítása a fizikai réteg eszközeivel nehezen kivitelezhető, ezért ezt a munkát leggyakrabban a felette lévő protokollok végzik: csatorna, hálózat, szállítás vagy alkalmazás. Másrészt hibafelismerés bekapcsolva fizikai szinten időt takarít meg, mivel a vevő nem várja meg, hogy a képkocka teljesen a pufferbe kerüljön, hanem azonnal eldobja, ha a kereten belül hibás biteket észlel.
A kódolási módszerekkel szemben támasztott követelmények egymásnak ellentmondóak, ezért az alábbiakban tárgyalt népszerű digitális kódolási módszerek mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai a többihez képest.