itthon › Tanácsot › Az információ továbbításának módszerei fizikai szinten. Előadások Számítógépes hálózatok. Fizikai szint. Mikrohullámú kommunikáció

Az információ továbbításának módszerei fizikai szinten. Előadások Számítógépes hálózatok. Fizikai szint. Mikrohullámú kommunikáció

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 Átbocsátóképesség (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 fő jelfrekvencia">

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 cellás 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

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 módszert általában 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. Ez nem meglepő, ha emlékezünk arra, hogy egy ideális impulzus spektruma végtelen széles. A szinuszhullám alkalmazása sokkal kisebb szélességű spektrumot eredményez azonos információátviteli sebesség mellett. A szinuszos 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. A „moduláció” és „kódolás” kifejezéseket gyakran felcserélhetően használják.

2.2.1. Analóg moduláció

Az analóg modulációt diszkrét adatok továbbítására használják szűk frekvenciasávú csatornákon, amelyek tipikus képviselője az hangcsatorna, elérhetővé teszik a nyilvános telefonhálózatok felhasználói számára. 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. Bár az emberi hangnak sokkal szélesebb tartománya van - körülbelül 100 Hz-től 10 kHz-ig - az elfogadható beszédminőség érdekében, a 3100 Hz-es tartomány jó megoldás. A hangcsatorna sávszélességének szigorú korlátozása a multiplexelő és csatornakapcsoló berendezések telefonhálózatokban történő használatához kapcsolódik.

2.2. Diszkrét adatok továbbításának módszerei fizikai szinten 133

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

Analóg modulációs módszerek

Az analóg moduláció egy fizikai kódolási módszer, amelyben az információt egy szinuszos jel amplitúdójának, frekvenciájának vagy fázisának megváltoztatásával kódolják. vivőfrekvencia. Az analóg moduláció főbb módszerei az ábrán láthatók. 2.13. A diagramon (2.13. ábra, A) forrásinformáció-bitek sorozatát mutatja, amelyet magas szintű potenciálok képviselnek egy logikai egyhez és nulla szintű potenciál a logikai nullához. Ezt a kódolási módszert potenciálkódnak nevezik, amelyet gyakran használnak számítógépblokkok közötti adatátvitelkor.

Nál nél amplitúdó moduláció(2.13. ábra, 6) egy logikai egységhez a vivőfrekvenciás szinuszos amplitúdó egy szintjét választják ki, a logikai nullánál pedig egy másikat. Ezt a módszert a gyakorlatban ritkán használják tiszta formájában az alacsony zajtűrés miatt, de gyakran más típusú modulációval - fázismodulációval kombinálva.

Nál nél frekvencia moduláció (2.13. ábra, c) a forrásadatok 0 és 1 értékeit különböző - fo és fi - frekvenciájú szinuszok továbbítják. 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(2.13. 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.

2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

Modulált jel spektrum

A kapott modulált jel spektruma a moduláció típusától és a modulációs sebességtől, azaz az eredeti információ kívánt bitsebességétől függ.

Tekintsük először a jel spektrumát a potenciálkódolás során. Legyen egy logikai egy pozitív potenciállal, egy logikai nulla pedig egy azonos nagyságú negatív potenciállal kódolva. A számítások egyszerűsítése érdekében feltételezzük, hogy az információ továbbítása váltakozó egyesek és nullák végtelen sorozatából áll, amint az az ábrán látható. 2.13, A. Vegye figyelembe, hogy ebben az esetben a baud és a bit per másodperc értéke megegyezik.

A potenciálkódoláshoz a spektrumot közvetlenül a periodikus függvény Fourier-képleteiből kapjuk. Ha a diszkrét adatot N bit/s bitsebességgel továbbítják, akkor a spektrum egy állandó nulla frekvenciájú összetevőből és egy végtelen sorozatból áll a harmonikusok fo, 3fo, 5fo, 7fo,... frekvenciájú sorozatából, ahol fo = N /2. Ezeknek a harmonikusoknak az amplitúdója meglehetősen lassan csökken - 1/3, 1/5,1/7,... együtthatókkal az fo harmonikus amplitúdójából (2.14. 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 attól függően, hogy milyen adatokat továbbítanak a kommunikációs vonalon. Például egy hosszú nullák vagy egyesek sorozatának továbbítása oldalra tolja el a spektrumot alacsony frekvenciák, és szélsőséges esetben, amikor a továbbított adatok csak egyesekből (vagy csak nullákból) állnak, a spektrum egy nulla frekvenciájú harmonikusból áll. Váltakozó egyesek és nullák átvitelekor nincs állandó komponens. Ezért a kapott potenciálkód jel spektruma tetszőleges adatok továbbításakor egy bizonyos 0 Hz-hez közeli értéktől körülbelül 7fo-ig terjedő sávot foglal el (a 7fo-nál nagyobb frekvenciájú harmonikusok figyelmen kívül hagyhatók, mivel kis mértékben járulnak hozzá a kapott jelhez). Hangfrekvenciás csatorna esetén a lehetséges kódolás felső határa 971 bps adatsebességnél érhető el, az alsó határ pedig bármilyen sebességnél elfogadhatatlan, mivel a csatorna sávszélessége 300 Hz-től kezdődik. Ennek eredményeként a hangcsatornák lehetséges kódjait soha nem használják fel.

2.2. Diszkrét adatok fizikai szintű továbbításának módszerei 135

Az amplitúdómodulációval a spektrum egy f c vivőfrekvenciás szinuszból és két oldalharmonikusból áll: (f c + f m) és (f c - f m), ahol f m a szinusz információs paraméterének változási frekvenciája, amely egybeesik az adatátviteli sebesség két amplitúdószint használata esetén (2.14. ábra, 6). Az f m frekvencia határozza meg a vezeték kapacitását at ez a módszer kódolás. Kis modulációs frekvencia esetén a jel spektrum szélessége is kicsi lesz (2f m), így a jeleket nem torzítja a 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.

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.

Az adatátviteli sebesség növelésére kombinált modulációs módszereket alkalmaznak. A leggyakoribb módszerek a kvadratúra amplitúdó moduláció (QAM). Ezek a módszerek a fázismoduláció 8 fáziseltolási értékkel és az amplitúdómoduláció 4 amplitúdószintű kombinációján alapulnak. A lehetséges 32 jelkombináció közül azonban nem mindegyiket használják. Például a kódokban Lugas Csak 6, 7 vagy 8 kombináció használható az eredeti adatok megjelenítésére, a többi kombináció tilos. Ilyen kódolási redundanciára van szükség ahhoz, hogy a modem felismerje az interferencia okozta torzulásokból eredő hibás jeleket, amelyek a telefoncsatornákon, különösen a betárcsázós csatornákon amplitúdójukban és időben nagyon jelentősek.

2.2.2. Digitális kódolás

A diszkrét információk digitális kódolásakor potenciál- és impulzuskódokat használnak.

A potenciálkódokban csak a jel potenciálértékét használjuk a logikai egyesek és nullák ábrázolására, a teljes impulzusokat képező cseppjeit pedig nem vesszük figyelembe. Az impulzuskódok lehetővé teszik a bináris adatok megjelenítését vagy egy bizonyos polaritású impulzusként, vagy egy impulzus részeként - egy adott irányú potenciálkülönbség.

A digitális kódolási módszerek követelményei

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

Ugyanezen bitsebesség mellett a kapott jel legkisebb spektrumszélességével rendelkezett;

Biztosított szinkronizálás az adó és a vevő között;

Rendelkezett a hibák felismerésének képességével;

A megvalósítás alacsony költséggel járt.

136 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

A jelek szűkebb spektruma lehetővé teszi, hogy nagyobb adatátviteli sebességet érjünk el ugyanazon a vonalon (azonos sávszélesség mellett). Ezenkívül a jel spektrumára gyakran vonatkozik az állandó komponens, vagyis a jelenlét követelménye egyenáram adó és vevő között. Különösen a különféle transzformátor áramkörök használata galvanikus leválasztás megakadályozza 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. 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. Tovább rövid távolságok Jól működik egy külön órajeles kommunikációs vonalon alapuló séma (2.15. ábra), így az információ csak az óraimpulzus megérkezésekor kerül ki az adatvonalból. A hálózatokban ennek a sémának a használata nehézségeket okoz a kábelekben lévő vezetők jellemzőinek heterogenitása miatt. Nagy távolságokon az egyenetlen jelterjedési sebesség miatt az óraimpulzus olyan későn vagy a megfelelő adatjel előtt érkezik meg, hogy az adatbit kihagyásra kerül, vagy újra kiolvasható. Egy másik ok, amiért a hálózatok megtagadják az óraimpulzusok használatát, az, hogy a vezetőket drága kábelekben kell megtakarítani.

Ezért a hálózatok ún önszinkronizáló kódok, amelyek jelei utasításokat hordoznak az adó számára, hogy mely időpontban szükséges felismerni a következő bitet (vagy több bitet, ha a kód kettőnél több jelállapotra fókuszál). 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 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 a fizikai réteg hibafelismerése időt takarít meg, mivel a vevő nem várja meg, hogy a keret teljesen bekerüljön a pufferbe, hanem azonnal eldobja, amikor a kereten belüli hibás biteket felismeri.

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.

______________________________2.2. Diszkrét adatok fizikai szintű továbbításának módszerei _______137

Potenciális kód nullára való visszatérés nélkül

ábrán. 2.16, és bemutatja a korábban említett lehetséges kódolási módszert, amelyet kódolásnak is neveznek nullára való visszatérés nélkül (Non Return to Zero, NRZ). A vezetéknév azt a tényt tükrözi, hogy egyesek sorozatának átvitelekor a jel nem tér vissza nullára az órajel ciklusa alatt (amint azt alább látni fogjuk, más kódolási módszerekben ilyenkor történik vissza a nullára). 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 adat újraolvasása. 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 kommunikációs csatorna nem biztosítja

138 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

Azok, amelyek közvetlen galvanikus kapcsolatot biztosítanak a vevő és a forrás között, nem támogatják 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, a meglehetősen alacsony fo alapfrekvencia, amely N/2 Hz-nek felel meg, ahogy az előző részben is látható volt. Más kódolási módszerekben, például Manchesterben, az alapharmonikus magasabb frekvenciával rendelkezik.

Bipoláris kódolási módszer alternatív inverzióval

Az NRZ módszer egyik módosítása a módszer bipoláris kódolás alternatív inverzióval (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). Ennél a módszernél (2.16. ábra, 6) Három potenciálszintet használnak - 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, bár a feladat leegyszerűsödik - már csak a nullák sorozatait kell kezelni.

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 alapharmonikus fo 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. A hibás polaritású jelet hívják tiltott jelzés (jelsértés).

Az AMI kód nem két, hanem három jelszintet használ a vonalon. A további réteghez az adóteljesítmény körülbelül 3 dB-lel történő növelése szükséges ahhoz, hogy ugyanazt a bithűséget biztosítsa a vonalon, ami a több jelállapotú kódok gyakori hátránya a csak két állapotot megkülönböztető kódokhoz képest.

Potenciális kód inverzióval egyben

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

2.2. Diszkrét adatok fizikai szintű továbbításának módszerei 139

(Non Return to Zero with onees Inverted, NRZI). Ez a kód olyan esetekben kényelmes, amikor egy harmadik jelszint használata nagyon nem kívánatos, például optikai kábeleknél, ahol két jelállapot következetesen felismerhető - világos és sötét. Két módszert használnak a potenciális kódok, például az AMI és az NRZI javítására. Az első módszer azon alapul, hogy logikai biteket tartalmazó redundáns biteket adunk a forráskódhoz. Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben a nullák hosszú sorozatai megszakadnak, és a kód önszinkronizálódik minden továbbított adathoz. Az állandó komponens is eltűnik, ami azt jelenti, hogy a jelspektrum még jobban szűkül. Ez a módszer azonban csökkenti a vonal hasznos kapacitását, mivel a felhasználói információ redundáns egységeit nem szállítják. Egy másik módszer a kiindulási információk előzetes „keverésén” alapul, így az egyesek és nullák megjelenésének valószínűsége a vonalon közel lesz. Az ilyen műveleteket végrehajtó eszközöket vagy blokkokat hívják scramblers(kavarás - szemétlerakás, rendetlen összeszerelés). A kódolásnál egy jól ismert algoritmust használnak, így a vevő bináris adatot fogadva továbbítja dekódoló, amely visszaállítja az eredeti bitsorozatot. Ebben az esetben a felesleges bitek nem kerülnek átvitelre a vonalon. Mindkét módszer inkább logikai, mint fizikai kódolásra vonatkozik, mivel nem határozzák meg a vonalon lévő jelek alakját. Ezeket a következő részben részletesebben tanulmányozzuk.

Bipoláris impulzuskód

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 pulzuskód, amelyben az egyiket egy, a nullát egy másik polaritású impulzus képviseli (2.16. ábra, V). Minden impulzus fél ütemig tart. Az ilyen kód kiváló önszinkronizáló tulajdonságokkal rendelkezik, de egy állandó komponens is jelen lehet, 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.

Manchester kód

BAN BEN helyi hálózatok Egészen a közelmúltig a legelterjedtebb kódolási módszer az ún Manchester kód(2.16. 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 egyest egy él kódolja alacsony jelszintről magasra, 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 bit adat továbbítása során legalább egyszer változik, a Manchester kód jó

140 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai _____________________________________________

önszinkronizáló tulajdonságok. 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.

2B1Q potenciálkód

ábrán. 2,16, d négy jelszintű potenciálkódot mutat az adatok kódolásához. Ez a kód 2В1Q melynek neve tükrözi a lényegét - minden két bitet (2B) egy órajelben továbbít egy négy állapotú (1Q) jel. A 00-as bitpár -2,5 V-os, a 01-es bitpár -0,833 V-os, az I-es pár +0,833 V-os, a 10-es pár pedig a +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.

2.2.3. Logikai kódolás

A logikai kódolást olyan potenciális kódok javítására használják, mint az AMI, NRZI vagy 2Q1B. A logikai kódolásnak ki kell cserélnie a hosszú bitsorozatokat, amelyek állandó potenciálhoz vezetnek, közbeékelődött bitekkel. Amint fentebb megjegyeztük, a logikai kódolást két módszer jellemzi - redundáns kódok és kódolás.

Redundáns kódok

Redundáns kódok Az eredeti bitsorozat darabokra bontásán alapulnak, amelyeket gyakran szimbólumoknak neveznek. Ezután minden eredeti karakter lecserélődik egy új karakterre, amely több bittel rendelkezik, mint az eredeti. Például az FDDI és Fast Ethernet technológiákban használt 4 V/5 V logikai kód az eredeti 4 bites szimbólumokat 5 bites szimbólumokra cseréli. Mivel az így kapott szimbólumok redundáns biteket tartalmaznak, a bennük lévő bitkombinációk teljes száma nagyobb, mint az eredetiekben. Így egy 4B/5B kódban a kapott szimbólumok 32 bites kombinációt tartalmazhatnak, míg az eredeti szimbólumok csak 16-ot. Ezért a kapott kódban 16 olyan kombinációt lehet kiválasztani, amelyek nem tartalmaznak nagy számú nullát, ill. számold a többit tiltott kódok (kódsértés). Amellett, hogy kiiktatják a konstans komponenst és megadják a kód önszinkronizálási tulajdonságait, a redundáns kódok lehetővé teszik

2.2. Diszkrét adatok fizikai szintű továbbításának módszerei 141

a vevő képes felismerni a sérült biteket. Ha a vevő illegális kódot kap, az azt jelenti, hogy a jel torzult a vonalon.

Az alábbiakban bemutatjuk a 4B/5B forrás- és eredménykódok közötti megfelelést.

A 4B/5B kódot ezután fizikai kódolással továbbítják a vonalon a potenciális kódolási módszerek egyikével, amely csak a hosszú nullák sorozataira érzékeny. Az 5 bites 4B/5B kódszimbólumok garantálják, hogy akárhogyan is kombinálják őket, háromnál több nulla egymás után nem jelenhet meg a sorban.

A kód nevében szereplő B betű azt jelenti, hogy az elemi jelnek 2 állapota van - az angol binárisból - bináris. Vannak három jelállapotú kódok is, például a 8B/6T kódban 8 bites forrásinformáció kódolására egy 6 jelből álló kódot használnak, amelyek mindegyikének három állapota van. A 8B/6T kód redundanciája nagyobb, mint a 4B/5B kódé, mivel 256 forráskód esetén 3 6 =729 eredő szimbólum van.

A keresőtábla használata nagyon egyszerű művelet, így ez a megközelítés nem bonyolítja a hálózati adaptereket és a kapcsolók és útválasztók interfész blokkjait.

Egy adott vonalkapacitás biztosításához egy redundáns kódot használó adónak megnövelt órajelen kell működnie. Tehát a 4B/5B kódok 100 Mb/s sebességű továbbításához az adónak 125 MHz órajelen kell működnie. Ebben az esetben a vonalon lévő jel spektruma kitágul ahhoz képest, amikor egy tiszta, nem redundáns kódot továbbítanak a vonalon. Ennek ellenére a redundáns potenciálkód spektruma szűkebbnek bizonyul, mint a Manchester kód spektruma, ami indokolja a logikai kódolás további szakaszát, valamint a vevő és az adó megnövelt órajel-frekvencián történő működését.

Tülekedés

A logikai kódolás másik módja az adatok keverővel való megkeverése, mielőtt potenciális kóddal a sorba továbbítanák.

A titkosítási módszerek a kapott kód bitenkénti kiszámításából állnak a bitek alapján forráskódés az eredményül kapott kódbiteket, amelyeket az előző óraciklusokban vettek. Például egy kódoló megvalósíthatja a következő relációt:

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

ahol bi a kódoló i-edik órajelében vett eredményül kapott kód bináris számjegye, ai pedig az i-edik órajelben vett forráskód bináris számjegye

142 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

scrambler bemenet, B^3 és Bt .5 - a kódoló előző ciklusaiban kapott kód bináris számjegyei, rendre 3, illetve 5 órajellel korábban, mint az aktuális órajel, 0 - kizárólagos VAGY művelet (addition modulo 2) .

Például az eredeti 110110000001 sorozathoz a kódoló a következő eredménykódot adja meg:

bi = ai - 1 (a kapott kód első három számjegye egybeesik az eredetivel, mivel még nincsenek szükséges korábbi számjegyek)

Így a kódoló kimenete a 110001101111 szekvencia lesz, amely nem tartalmazza a forráskódban jelenlévő hat nullából álló sorozatot.

A kapott szekvencia vétele után a vevő továbbítja azt a dekódolónak, amely visszaállítja az eredeti sorozatot az inverz összefüggés alapján:

A különböző kódoló algoritmusok különböznek a kapott kódszámjegyet adó kifejezések számában és a kifejezések közötti eltolódásban. Szóval, be ISDN hálózatok A hálózatról az előfizetőnek történő adatátvitelkor 5 és 23 pozíciós eltolású transzformációt, az előfizetőtől a hálózatba történő adatátvitelnél pedig 18 és 23 pozíciós eltolású transzformációt alkalmaznak.

Több is van egyszerű módszerek egységek sorozatai elleni küzdelem, amely szintén titkosításnak minősül.

A Bipoláris AMI kód javítására két módszert alkalmaznak, amelyek a nullák sorozatának mesterséges torzításán alapulnak illegális karakterekkel.

ábrán. A 2.17. ábra a B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) és a HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) módszer használatát mutatja be az AMI kód beállításához. A forráskód két hosszú nulla sorozatból áll: az első esetben - 8-tól, a másodikban - 5-től.

A B8ZS kód csak a 8 nullából álló sorozatokat javítja. Ehhez az első három nulla után a maradék öt nulla helyett öt számjegyet szúr be: V-1*-0-V-1*. A V itt egy adott polaritási ciklusra tiltott egységjelet jelöl, vagyis olyan jelet, amely nem változtatja meg az előző egység polaritását, az 1* a megfelelő polaritású egységjel, a csillag pedig azt, hogy

2.2. Diszkrét adatok fizikai szintű továbbításának módszerei 143

A helyzet az, hogy ebben a ciklusban a forráskódban nem egy egység volt, hanem egy nulla. Ennek eredményeként a vevő 8 órajelnél 2 torzítást észlel - nagyon valószínűtlen, hogy ez vonalzaj vagy egyéb átviteli hibák miatt történt. Ezért a vevő az ilyen megsértéseket 8 egymást követő nulla kódolásának tekinti, és a vétel után lecseréli őket az eredeti 8 nullára. A B8ZS kód úgy van felépítve, hogy konstans összetevője nulla bármely bináris számjegysorozat esetén.

A HDB3 kód az eredeti sorrendben bármely négy egymást követő nullát kijavít. A HDB3 kód generálására vonatkozó szabályok összetettebbek, mint a B8ZS kódé. 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 a csere előtt a forráskód páratlan számú egyest tartalmazott, akkor az OOOV sorozatot használjuk, ha pedig páros volt, akkor az 1*OOV sorozatot használjuk.

A továbbfejlesztett jelöltkódok meglehetősen szűk sávszélességgel rendelkeznek a továbbított adatokban előforduló egyesek és nullák sorozata számára. ábrán. A 2.18. ábra tetszőleges adatok továbbításakor kapott különböző kódú jelek spektrumait mutatja, amelyekben a forráskódban a nullák és egyesek különböző kombinációi egyformán valószínűek. A grafikonok ábrázolásakor a spektrumot a kezdeti sorozatok összes lehetséges halmazára átlagoltuk. Természetesen a kapott kódok nullák és egyesek eltérő eloszlásúak lehetnek. ábrából A 2.18 azt mutatja, hogy a potenciális NRZ kód jó spektrummal rendelkezik, és egy hátránya van - állandó komponense van. A potenciálból logikai kódolással kapott kódok spektruma szűkebb, mint a manchesterinél, még megnövelt órajel-frekvenciánál is (az ábrán a 4B/5B kód spektruma megközelítőleg egybe kell, hogy essen a B8ZS kóddal, de el van tolva

144 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

a magasabb frekvenciák tartományába, mivel annak órajel-frekvenciája 1/4-el megnő a többi kódhoz képest). Ez megmagyarázza az esetleges redundáns és kódolt kódok használatát modern technológiák, mint az FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN stb. a Manchester és a bipoláris impulzuskódolás helyett.

2.2.4. Analóg jelek diszkrét modulációja

A hálózati technológiák fejlesztésének egyik fő irányvonala a diszkrét és analóg adatok egy hálózatban történő átvitele. A diszkrét adatok forrásai a számítógépek és más számítástechnikai eszközök, az analóg adatok forrásai pedig olyan eszközök, mint a telefonok, videokamerák, audio- és videolejátszó berendezések. A probléma megoldásának korai szakaszában a területi hálózatokban minden típusú adatot analóg formában továbbítottak, míg a diszkrét jellegű számítógépes adatokat modemek segítségével analóg formává alakították át.

Az analóg adatok gyűjtésére és továbbítására szolgáló technológia fejlődésével azonban világossá vált, hogy az analóg formában történő továbbítás nem javítja a vonal másik végén fogadott adatok minőségét, ha az átvitel során jelentősen torzul. Maga az analóg jel nem ad semmilyen jelzést a torzítás fellépéséről vagy annak kijavításáról, mivel a jel alakja bármilyen lehet, beleértve a vevő által észlelt alakot is. A vonalak, különösen a területi vonalak minőségének javítása óriási erőfeszítést és befektetést igényel. Ezért a hang és kép rögzítésére és továbbítására szolgáló analóg technológiát digitális technológia váltotta fel. Ez a technika az eredeti idő-folyamatos analóg folyamatok úgynevezett diszkrét modulációját használja.

A diszkrét modulációs módszerek a folytonos folyamatok amplitúdójában és időben történő mintavételén alapulnak (2.19. ábra). Nézzük meg egy példa segítségével a szikramoduláció alapelveit impulzuskód moduláció, PCM (Pulse Amplitude Modulation, PAM), amelyet széles körben használnak a digitális telefonálásban.

Az eredeti folytonos függvény amplitúdóját egy adott periódussal mérjük - ennek köszönhetően időben diszkretizáció következik be. Ezután minden mérés egy bizonyos bitmélységű bináris számként jelenik meg, ami a függvényértékekkel történő diszkretizálást jelenti - a lehetséges amplitúdóértékek folyamatos halmazát felváltja az értékek diszkrét halmaza. A hasonló funkciót ellátó készüléket ún analóg-digitális átalakító (ADC). Ezt követően a mérések továbbításra kerülnek kommunikációs csatornákon egyesek és nullák sorozata formájában. Ebben az esetben ugyanazokat a kódolási módszereket alkalmazzuk, mint a kezdetben diszkrét információ továbbításánál, azaz például a B8ZS vagy 2B1Q kódon alapuló módszereket.

A vonal fogadó oldalán a kódokat az eredeti bitsorozattá alakítják, és speciális berendezést hívnak digitális-analóg konverter (DAC), demodulálja a folyamatos jel digitalizált amplitúdóit, visszaállítva az eredeti folytonos idő függvényt.

A diszkrét moduláció alapja Nyquist-Kotelnikov leképezési elmélet. Ezen elmélet szerint az idő-diszkrét értékeinek sorozataként megadott analóg folytonos függvény pontosan rekonstruálható, ha a mintavételi frekvencia kétszerese vagy többször nagyobb, mint az eredeti függvény legmagasabb harmonikus spektrumának frekvenciája.

Ha ez a feltétel nem teljesül, akkor a visszaállított funkció jelentősen eltér az eredetitől.

Az analóg információ rögzítésének, reprodukálásának és továbbításának digitális módszereinek előnye, hogy képesek ellenőrizni a médiáról olvasott vagy kommunikációs vonalon fogadott adatok pontosságát. Ehhez ugyanazokat a módszereket használhatja, amelyeket a számítógépes adatoknál használnak (és amelyeket az alábbiakban részletesebben tárgyalunk), - kiszámítva ellenőrző összeg, torz képkockák újraadása, önjavító kódok alkalmazása.

A jó minőségű hangátvitelhez a PCM módszer a hangrezgések amplitúdójának 8000 Hz-es kvantálási frekvenciáját használja. Ez annak köszönhető, hogy az analóg telefonálásban a 300-3400 Hz-es tartományt választották a hangátvitelhez, amely megfelelő minőségben közvetíti a beszélgetőpartnerek összes alapvető harmonikusát. Alapján Nyquist-Koteltkov tétel kiváló minőségű hangátvitelhez

146 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

elég olyan mintavételezési frekvenciát választani, amely a folyamatos jel legmagasabb harmonikusának kétszerese, azaz 2 x 3400 = 6800 Hz. A ténylegesen kiválasztott 8000 Hz-es mintavételezési frekvencia némi minőségi tartalékot biztosít. A PCM módszer általában 7 vagy 8 bites kódot használ egyetlen minta amplitúdójának megjelenítésére. Ennek megfelelően ez a hangjel 127 vagy 256 fokozatát adja, ami teljesen elegendő a jó minőségű hangátvitelhez. A PCM módszer használatakor egyetlen hangcsatorna 56 vagy 64 Kbps átviteli sebességet igényel, attól függően, hogy az egyes minták hány bitjei vannak. Ha ezekre a célokra használják

7 bit, akkor 8000 Hz-es mérési átviteli frekvenciával kapjuk:

8000 x 7 = 56000 bps vagy 56 Kbps; és 8 bites esetén:

8000 x 8 - 64000 bps vagy 64 Kbps.

A szabvány az digitális csatorna 64 Kbps, más néven a digitális telefonhálózatok elemi csatornája.

A folytonos jel diszkrét formában történő továbbítása megköveteli, hogy a hálózatok szigorúan betartsák a 125 μs-os (8000 Hz-es mintavételi frekvenciának megfelelő) időintervallumot a szomszédos mérések között, vagyis szinkron adatátvitelt igényel a hálózati csomópontok között. Ha a beérkező mérések szinkronizálását nem tartják fenn, az eredeti jel hibásan áll vissza, ami a digitális hálózatokon továbbított hang, kép vagy egyéb multimédiás információ torzulásához vezet. Így a 10 ms-os szinkronizálási torzítás „visszhang” effektushoz vezethet, a 200 ms-os mérések közötti eltolódás pedig a kimondott szavak felismerésének elvesztéséhez vezethet. Ugyanakkor az egyik mérés elvesztése, miközben a többi mérés között megmarad a szinkron, gyakorlatilag nincs hatással a visszaadott hangra. Ez a digitális-analóg konverterekben található simítóeszközök miatt következik be, amelyek bármely fizikai jel tehetetlenségi tulajdonságán alapulnak - a hangrezgések amplitúdója nem változhat azonnal nagy mértékben.

A DAC után érkező jel minőségét nemcsak a bemenetére érkező mérések szinkronizálása, hanem ezen mérések amplitúdóinak mintavételi hibája is befolyásolja.

A Nyquist-Kotelnikov tétel 8. ábrája feltételezi, hogy a függvény amplitúdóit pontosan mérjük, ugyanakkor a korlátozott bitkapacitású bináris számok tárolása némileg torzítja ezeket az amplitúdókat. Ennek megfelelően a rekonstruált folytonos jel torzul, amit mintavételezési zajnak (amplitúdóban) nevezünk.

Vannak más diszkrét modulációs technikák is, amelyek a hangméréseket tömörebb formában, például 4 bites vagy 2 bites számok sorozatában tudják megjeleníteni. Ebben az esetben egy hangcsatorna kisebb sávszélességet igényel, például 32 Kbps, 16 Kbps vagy még kevesebb. 1985 óta alkalmazzák az Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) CCITT hangkódolási szabványt. Az ADPCM kódok az egymást követő hangmérések közötti különbségek megtalálásán alapulnak, amelyeket aztán a hálózaton továbbítanak. Az ADPCM kód 4 bitet használ egy különbség tárolására, és 32 Kbps sebességgel továbbítja a hangot. Több modern módszer A lineáris prediktív kódolás (LPC) ritkábban mintát vesz az eredeti függvényből, de módszereket használ a jelamplitúdó változásának irányának előrejelzésére. Ezzel a módszerrel a hangátviteli sebességet 9600 bps-ra csökkentheti.

2.2. Diszkrét adatok fizikai szintű továbbításának módszerei 147

A folyamatos, digitális formában bemutatott adatok számítógépes hálózaton keresztül egyszerűen továbbíthatók. Ehhez elegendő több mérést elhelyezni valamilyen szabványos hálózati technológia keretébe, megadni a keretet a megfelelő célcímmel és elküldeni a címzettnek. A fogadónak ki kell vennie a méréseket a keretből, és kvantálási frekvencián (hanghoz - 8000 Hz frekvencián) át kell adnia egy digitális-analóg átalakítónak. Amint megérkeznek a következő hangmérést tartalmazó képkockák, a műveletet meg kell ismételni. Ha a képkockák kellően szinkronban érkeznek, a hangminőség meglehetősen magas lehet. Azonban, mint már tudjuk, a számítógépes hálózatokban a keretek késhetnek mind a végcsomópontokban (amíg a megosztott adathordozóhoz való hozzáférésre várnak), mind a közbenső kommunikációs eszközökben - hidakban, kapcsolókban és útválasztókban. Ezért a hangminőség digitális átvitel esetén számítógépes hálózatokáltalában alacsony. A digitalizált folyamatos jelek - hang, kép - kiváló minőségű továbbítására ma speciális digitális hálózatokat használnak, mint az ISDN, ATM, ill. digitális televíziózás. A vállalaton belüli áthelyezéshez azonban telefonbeszélgetések Ma már a frame relay hálózatok a jellemzőek, amelyek keretátviteli késleltetése elfogadható határokon belül van.

2.2.5. Aszinkron és szinkron átvitel

A fizikai rétegben történő adatcsere során az információ egysége egy bit, így a fizikai réteg mindig fenntartja a bitszinkront a vevő és az adó között.

Az adatkapcsolati réteg adatkereteken működik, és keretszintű szinkronizálást biztosít a vevő és az adó között. A vevő feladatai közé tartozik a keret első bájtjának kezdetének felismerése, a keret mezőinek határainak felismerése, valamint a keret végének felismerése.

Általában elegendő ezen a két szinten - bit és keret - szinkronizálást biztosítani, hogy az adó és a vevő stabil információcserét tudjon biztosítani. Azonban mikor gyenge minőségű A kommunikációs vonalak (általában telefonkapcsolt csatornákra utalnak) a berendezések költségének csökkentésére és az adatátvitel megbízhatóságának növelésére további bájtszintű szinkronizálási eszközöket vezetnek be.

Ezt a működési módot ún aszinkron vagy start-stop. Egy másik oka ennek a működési módnak az olyan eszközök jelenléte, amelyek véletlenszerű időpontokban bájtnyi adatot generálnak. Így működik egy kijelző vagy más végberendezés billentyűzete, amelyről az ember adatokat visz be számítógéppel történő feldolgozásra.

Aszinkron módban minden adatbájtot speciális „start” és „stop” jelek kísérnek (2.20. ábra, A). Ezeknek a jeleknek az a célja, hogy egyrészt értesítsék a vevőt az adatok megérkezéséről, másrészt pedig elegendő időt biztosítsanak a vevőnek néhány szinkronizálással kapcsolatos funkció végrehajtására, mielőtt a következő bájt megérkezne. Az indítójel időtartama egy órajel, a stopjel pedig egy, másfél vagy két órajel periódusig tarthat, így azt mondják, hogy egy, másfél vagy két bitet használnak stopjelként , bár ezek a jelek nem felhasználói biteket képviselnek.

A leírt módot aszinkronnak nevezzük, mert minden bájt időben kissé eltolható az előző bitóráihoz képest.

148 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

byte. Ez a bájtok aszinkron átvitele nem befolyásolja a vett adatok helyességét, mivel minden bájt elején a vevő további szinkronizálása történik a forrással a „start” bitek miatt. A „lazább” időtűrések meghatározzák az aszinkron rendszerberendezések alacsony költségét.

Szinkron átviteli módban nincsenek start-stop bitek az egyes bájtpárok között. A felhasználói adatok egy keretbe gyűjtésre kerülnek, amelyet szinkronizálási bájtok előznek meg (2.20. ábra, b). A szinkronizálási bájt egy ismert kódot (például 0111110) tartalmazó bájt, amely értesíti a vevőt egy adatkeret érkezéséről. Ennek vételekor a vevőnek be kell lépnie a bájtszinkronizálásba az adóval, vagyis helyesen kell értenie a keret következő bájtjának kezdetét. Néha több szinkronbájtot használnak a vevő és az adó közötti megbízhatóbb szinkronizálás érdekében. Mivel hosszú keret átvitelekor a vevőnek problémái lehetnek a bitszinkronizálással, ebben az esetben önszinkronizáló kódokat használnak.

» A telefonálásban használt keskeny sávú hangfrekvenciás csatornán történő diszkrét adatok továbbításakor a legalkalmasabb módszer az analóg moduláció, amelyben a vivő szinuszos modulációja az eredeti bináris számjegysorozattal történik. Ezt a műveletet speciális eszközök - modemek - végzik.

* Alacsony sebességű adatátvitelnél a vivő szinusz frekvenciájának változtatása történik. A nagyobb sebességű modemek kombinált kvadratúra amplitúdó modulációs (QAM) módszerekkel működnek, amelyeket 4 vivő szinuszos amplitúdó és 8 fázisszint jellemez. A QAM módszer 32 lehetséges kombinációja közül nem mindegyiket használják adatátvitelre, a tiltott kombinációk lehetővé teszik a torzított adatok fizikai szintű felismerését.

* A szélessávú kommunikációs csatornákon potenciál- és impulzuskódolási módszereket alkalmaznak, amelyekben az adatokat az állandó jelpotenciál különböző szintjei vagy az impulzus vagy annak frontja polaritásai reprezentálják.

* Potenciális kódok használatakor különösen fontos a vevő és az adó szinkronizálásának feladata, mivel hosszú nullák vagy egyesek sorozatának továbbításakor a vevő bemeneti jele nem változik, és a vevő nehezen tudja meghatározni a pillanatot. a következő adatbit felvételéről.

___________________________________________2.3. Adatkapcsolati réteg átviteli módszerek _______149

* A legegyszerűbb potenciálkód a nullához nem visszatérő (NRZ) kód, azonban ez nem önórajel, és egyenáramú komponenst állít elő.

» A legnépszerűbb impulzuskód a Manchester-kód, amelyben az információt az egyes órajelek közepén a jelesés iránya hordozza. A Manchester kódot az Ethernet és a Token Ring technológiákban használják.

» A potenciális NRZ kód tulajdonságainak javítására logikai kódolási technikákat alkalmaznak, amelyek kiküszöbölik a hosszú nullák sorozatát. Ezek a módszerek a következőkön alapulnak:

Redundáns bitek beviteléről a forrásadatokba (4B/5B típusú kódok);

Forrásadatok titkosítása (2B1Q típusú kódok).

» A továbbfejlesztett potenciálkódok spektruma szűkebb, mint az impulzuskódoké, ezért olyan nagy sebességű technológiákban használják őket, mint az FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Fizikai réteg a nyers bitek tényleges átvitelével foglalkozik

kommunikációs csatorna.

A számítógépes hálózatokban az egyik számítógépről a másikra történő adatátvitel szekvenciálisan, apránként történik. Fizikailag az adatbiteket adatkapcsolatokon keresztül analóg vagy digitális jelek formájában továbbítják.

A számítógépes hálózatokban az adatok továbbítására használt eszközök (kommunikációs vonalak, adatátviteli és vevőberendezések) összességét adatátviteli csatornának nevezzük. A továbbított információ formájától függően az adatátviteli csatornák analóg (folyamatos) és digitális (diszkrét) csatornákra oszthatók.

Mivel az adatátviteli és vételi berendezések diszkrét formájú adatokkal dolgoznak (azaz a diszkrét elektromos jelek az adatok egyeseinek és nulláinak felelnek meg), analóg csatornán keresztül történő továbbításukkor a diszkrét adatok analóggá alakítása (moduláció) szükséges.

Ilyen analóg adatok fogadásakor inverz konverzióra van szükség - demodulációra. Moduláció/demoduláció – konverziós folyamatok digitális információ analóg jelekre és fordítva. A moduláció során az információt egy olyan frekvenciájú szinuszos jel reprezentálja, amelyet az adatátviteli csatorna jól továbbít.

A modulációs módszerek a következők:

· amplitúdó moduláció;

· frekvencia moduláció;

· fázismoduláció.

Diszkrét jelek digitális adatcsatornán keresztüli továbbításakor kódolást használnak:

· lehetséges;

· pulzáló.

Így a csatornákon potenciál- vagy impulzuskódolást alkalmaznak Jó minőség, és a szinuszos jeleken alapuló moduláció előnyösebb olyan esetekben, amikor a csatorna erős torzítást okoz az átvitt jelekben.

Általában a modulációt használják globális hálózatok analóg telefonvonalakon történő adatátvitel során, amelyeket hang analóg formában történő továbbítására terveztek, és ezért nem alkalmasak impulzusok közvetlen továbbítására.

A szinkronizálási módoktól függően adatátviteli csatornák számítógépes hálózatok szinkronra és aszinkronra osztható. A szinkronizálásra azért van szükség, hogy az adatot küldő csomópont valamilyen jelet továbbíthasson a fogadó csomópontnak, hogy a fogadó csomópont tudja, mikor kezdje el a bejövő adatok fogadását.

A szinkron adatátvitelhez további kommunikációs vonalra van szükség az óraimpulzusok továbbításához. A bitek adóállomás általi átvitele és a vevőállomás általi vétele az óraimpulzusok megjelenésének pillanatában történik.

Az aszinkron adatátvitelhez nincs szükség további kommunikációs vonalra. Ebben az esetben az adatátvitel fix hosszúságú (byte) blokkban történik. A szinkronizálást további bitek (start bitek és leállító bitek) végzik, amelyeket a továbbított bájt előtt és után továbbítanak.

A számítógépes hálózati csomópontok közötti adatcsere során három adatátviteli módot alkalmaznak:

szimplex (egyirányú) átvitel (televízió, rádió);

félduplex (az információ vétele/továbbítása felváltva történik);

duplex (kétirányú), minden csomópont egyszerre küld és fogad adatokat (például telefonbeszélgetéseket).

	\|	következő előadás ==>

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

Jelenleg egyre gyakrabban az eredetileg analóg formában lévő adatok - beszéd, televíziós kép - diszkrét formában, azaz egyesek és nullák sorozata formájában kerülnek továbbításra kommunikációs csatornákon. Az analóg információ diszkrét formában való megjelenítésének folyamatát ún diszkrét moduláció. A „moduláció” és „kódolás” kifejezéseket gyakran felcserélhetően használják.

Nál nél digitális kódolás potenciál- és impulzuskódokat használnak a diszkrét információkhoz. A potenciálkódokban csak a jel potenciálértékét használjuk a logikai egyesek és nullák ábrázolására, a teljes impulzusokat képező cseppjeit pedig nem vesszük figyelembe. Az impulzuskódok lehetővé teszik a bináris adatok megjelenítését vagy egy bizonyos polaritású impulzusként, vagy egy impulzus részeként - egy adott irányú potenciálesés.

Ha téglalap alakú impulzusokat használunk diszkrét információk továbbítására, olyan kódolási eljárást kell választani, amely egyszerre több célt is elér: a kapott jel legkisebb spektrumszélessége azonos bitsebességgel; biztosított a szinkronizálás az adó és a vevő között;

Rendelkezett a hibák felismerésének képességével; alacsony eladási ára volt.

A hálózatok ún önszinkronizáló kódok, amelyek jelei utasításokat hordoznak az adó számára, hogy mely időpontban szükséges felismerni a következő bitet (vagy több bitet, ha a kód kettőnél több jelállapotra fókuszál). Bármilyen éles változás a jelben - az úgynevezett él - jó jelzésként szolgálhat a vevő és az adó szinkronizálására. 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 a fizikai szintű hibafelismerés időt takarít meg, hiszen a vevő nem várja meg, hogy a keret teljesen a pufferbe kerüljön, hanem az elhelyezés után azonnal elutasítja. a kereten belüli hibás bitek ismerete.

Potenciális kód nullára való visszatérés nélkül, potenciálkódolási módszer, más néven kódolás nullára való visszatérés nélkül (Nem Visszatérés nak nek Nulla, NRZ). A vezetéknév azt a tényt tükrözi, hogy egyesek sorozatának átvitelekor a jel nem tér vissza nullára az órajel ciklusa alatt (amint azt alább látni fogjuk, más kódolási módszerekben ilyenkor történik vissza a nullára). Az NRZ módszer egyszerűen 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 adat újraolvasása. 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.

Bipoláris kódolási módszer alternatív inverzióval. Az NRZ módszer egyik módosítása az bipoláris kódolás alternatív inverzióval (Kétpólusú Váltakozó Mark Inverzió, AMI). Ez a módszer 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. Így a jel polaritás szigorú váltakozásának megsértése hamis impulzust vagy a helyes impulzus eltűnését jelzi a vonalból. A hibás polaritású jelet hívják tiltott jelzés (jel megsértése). Az AMI kód nem két, hanem három jelszintet használ a vonalon. A további réteghez az adóteljesítmény körülbelül 3 dB-lel történő növelése szükséges ahhoz, hogy ugyanazt a bithűséget biztosítsa a vonalon, ami a több jelállapotú kódok gyakori hátránya a csak két állapotot megkülönböztető kódokhoz képest.

Potenciális kód inverzióval egyben. 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 potenciál kód inverzióval egyben (Nem Visszatérés nak nek Nulla val vel azok Fordított, NRZI). Ez a kód olyan esetekben kényelmes, amikor egy harmadik jelszint használata nagyon nem kívánatos, például optikai kábeleknél, ahol két jelállapot - világos és sötét - stabilan felismerhető.

Bipoláris impulzuskód A potenciális kódokon kívül impulzuskódokat is használnak a hálózatokban, amikor az adatokat egy teljes impulzus vagy annak egy része - az elülső - képviseli. Ennek a megközelítésnek a legegyszerűbb esete az bipoláris pulzuskód, amelyben az egyiket egy, a nullát egy másik polaritású impulzus képviseli . Minden impulzus fél ütemig tart. Az ilyen kód kiváló önszinkronizáló tulajdonságokkal rendelkezik, de egy állandó komponens is jelen lehet, 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 NHz lesz, ami kétszerese az NRZ kód alapharmonikusának és négyszerese az AMI kód alapharmonikusának, amikor váltakozó egyesek és nullák továbbítása. Túl széles spektruma miatt a bipoláris impulzuskódot ritkán használják.

Manchester kód. A helyi hálózatokban egészen a közelmúltig a legelterjedtebb kódolási mód az ún Manchester kód. Ethernet és TokenRing 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 egységet egy él kódolja az alacsony jelszintről a magasra, 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 tulajdonságokkal rendelkezik. A Manchester kód sávszélessége szűkebb, mint a bipoláris impulzusé. 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, a manchesteri pedig kettőt.

2B 1Q potenciálkód. Potenciális kód négy jelszinttel az adatok kódolásához. Ez a kód 2 AZ 1-BENK, melynek neve tükrözi a lényegét - minden két bitet (2B) egy órajelben továbbít egy négy állapotú (1Q) jel. A 00 bitpár -2,5 V, a 01 bitpár -0,833 V, a 11. bitpár +0,833 V, a 10. bitpár pedig +2,5 V potenciálnak felel meg. Ennél a kódolási módszernél további intézkedésekre van szükség az azonos bitpárok hosszú sorozatainak kezelésére, mivel ebben az esetben a jel állandó komponenssé válik. A bitek véletlenszerű váltakozása esetén a jelspektrum kétszer szűkebb, mint az NRZ kódé, mivel azonos bitsebesség mellett az órajel időtartama megduplázódik. Így a 2B 1Q kód használatával kétszer olyan gyorsan lehet adatokat továbbítani ugyanazon a vonalon, mint az AMI vagy NRZI kód használatával. Ennek megvalósításához azonban az adó teljesítményének nagyobbnak kell lennie, hogy a négy szintet a vevő egyértelműen megkülönböztethesse az interferencia hátterében.

Logikai kódolás A logikai kódolást olyan potenciális kódok javítására használják, mint az AMI, NRZI vagy 2Q.1B. A logikai kódolásnak ki kell cserélnie a hosszú bitsorozatokat, amelyek állandó potenciálhoz vezetnek, közbeékelődött bitekkel. Mint fentebb megjegyeztük, a logikai kódolást két módszer jellemzi -. redundáns kódok és kódolás.

Egy adott vonalkapacitás biztosításához egy redundáns kódot használó adónak megnövelt órajelen kell működnie. Tehát a 4V/5V kódok 100 Mb/s sebességű továbbításához az adónak 125 MHz órajelen kell működnie. Ebben az esetben a vonalon lévő jel spektruma kitágul ahhoz képest, amikor egy tiszta, nem redundáns kódot továbbítanak a vonalon. Ennek ellenére a redundáns potenciálkód spektruma szűkebbnek bizonyul, mint a Manchester kód spektruma, ami indokolja a logikai kódolás további szakaszát, valamint a vevő és az adó megnövelt órajel-frekvencián történő működését.

Tülekedés. A logikai kódolás másik módja az adatok keverővel való megkeverése, mielőtt potenciális kóddal a sorba továbbítanák. A titkosítási módszerek magukban foglalják a kapott kód bitenkénti kiszámítását a forráskód bitjei és az eredményül kapott kód korábbi óraciklusokban kapott bitjei alapján. Például egy kódoló megvalósíthatja a következő relációt:

Aszinkron és szinkron átvitel

A fizikai rétegben történő adatcsere során az információ egysége egy bit, így a fizikai réteg mindig fenntartja a bitszinkront a vevő és az adó között. Általában elegendő ezen a két szinten - bit és keret - szinkronizálást biztosítani, hogy az adó és a vevő stabil információcserét tudjon biztosítani. Ha azonban a kommunikációs vonal minősége gyenge (általában ez a telefonos betárcsázós csatornákra vonatkozik), további szinkronizálási eszközöket vezetnek be a bájt szintjén, hogy csökkentsék a berendezések költségeit és növeljék az adatátvitel megbízhatóságát.

Ezt a működési módot ún aszinkron vagy start-stop. Aszinkron módban minden adatbájthoz speciális start és stop jelek társulnak. Ezeknek a jeleknek az a célja, hogy egyrészt értesítsék a vevőt az adatok megérkezéséről, másrészt pedig elegendő időt biztosítsanak a vevőnek néhány szinkronizálással kapcsolatos funkció végrehajtására, mielőtt a következő bájt megérkezne. Az indítójel időtartama egy órajel, a stopjel pedig egy, másfél vagy két órajel periódusig tarthat, így azt mondják, hogy egy, másfél vagy két bitet használnak stopjelként , bár ezek a jelek nem felhasználói biteket képviselnek.

Szinkron átviteli módban nincsenek start-stop bitek az egyes bájtpárok között. következtetéseket

A telefonálásban használt keskeny sávú hangfrekvenciás csatornán történő diszkrét adatok továbbításakor a legalkalmasabb módszer az analóg moduláció, amelyben a vivő szinuszos modulációja az eredeti bináris számjegysorozattal történik. Ezt a műveletet speciális eszközök - modemek - végzik.

Kis sebességű adatátvitelhez a vivő szinusz frekvenciájának megváltoztatását használják. A nagyobb sebességű modemek a kvadratúra amplitúdó moduláció (QAM) kombinált módszerével működnek, amelyet 4 vivő szinuszos amplitúdó és 8 fázisszint jellemez. A QAM módszer 32 lehetséges kombinációja közül nem mindegyiket használják adatátvitelre, a tiltott kombinációk lehetővé teszik a sérült adatok fizikai szintű felismerését.

A szélessávú kommunikációs csatornákon potenciál- és impulzuskódolási módszereket alkalmaznak, amelyekben az adatokat különböző szintű állandó jelpotenciál vagy impulzus polaritás, ill. övé elülső.

Potenciális kódok használatakor a vevő és az adó szinkronizálásának feladata különösen fontossá válik, mivel hosszú nullák vagy egyesek sorozatának továbbításakor a vevő bemenetén a jel nem változik, és a vevő nehezen tudja meghatározni a vétel pillanatát. felveszi a következő adatbitet.

A legegyszerűbb potenciálkód a nullához nem visszatérő (NRZ) kód, de ez nem önórajel, és egyenáramú komponenst állít elő.

A legnépszerűbb impulzuskód a Manchester-kód, amelyben az információt az egyes órajelek közepén a jelesés iránya hordozza. A Manchester kódot az Ethernet és a TokenRing technológiák használják.

A potenciális NRZ kód tulajdonságainak javítására logikai kódolási módszereket alkalmaznak, amelyek kiküszöbölik a hosszú nullák sorozatát. Ezek a módszerek a következőkön alapulnak:

Redundáns bitek beviteléről a forrásadatokba (4B/5B típusú kódok);

Forrásadatok titkosítása (például 2B 1Q kódok).

A továbbfejlesztett potenciálkódok spektruma szűkebb, mint az impulzuskódoké, ezért olyan nagy sebességű technológiákban használják őket, mint az FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

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 bitsorozatát mutatja, amelyet egy logikai egység magas szintű potenciáljai, a logikai nulla esetén pedig nulla szintű potenciálok képviselnek. 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 jelek szűkebb spektruma lehetővé teszi, hogy nagyobb adatátviteli sebességet érjünk el ugyanazon a vonalon (azonos sávszélesség mellett). Ezenkívül a jel spektrumának gyakran nem kell egyenáramú komponense, vagyis az adó és a vevő között egyenáramnak kell lennie. 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 javítása nehézkes fizikai rétegi eszközökkel, ezért ezt a munkát leggyakrabban magasabban fekvő protokollok veszik át: csatorna, hálózat, szállítás vagy alkalmazás. Másrészt a fizikai réteg hibafelismerése időt takarít meg, mivel a vevő nem várja meg, hogy a keret teljesen bekerüljön a pufferbe, hanem azonnal eldobja, amikor a kereten belüli hibás biteket felismeri.
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.