Basi fisiche della trasmissione dei dati. Modalità di trasmissione dei dati a livello fisico. Basi fisiche della trasmissione dei dati

7. LIVELLO DI TRASMISSIONE DEI DATI FISICI

7.2. Metodi discreti di trasferimento dati

Quando si trasmettono dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basata su un segnale portante sinusoidale e basata su una sequenza di impulsi rettangolari. Il primo metodo viene spesso chiamato modulazione O modulazione analogica , sottolineando il fatto che la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico. Il secondo metodo è chiamato codifica digitale . Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità delle apparecchiature necessarie per la loro implementazione.

Quando si utilizzano impulsi rettangolari, lo spettro del segnale risultante è molto ampio. L'uso di un'onda sinusoidale si traduce in uno spettro più ristretto con la stessa velocità di trasferimento delle informazioni. Tuttavia, per implementare la modulazione sono necessarie apparecchiature più complesse e costose rispetto all'implementazione degli impulsi rettangolari.

Attualmente, sempre più spesso, i dati originariamente in forma analogica - parlato, immagini televisive - vengono trasmessi sui canali di comunicazione in forma discreta, cioè come una sequenza di uno e zero. Viene chiamato il processo di rappresentazione dell'informazione analogica in forma discreta modulazione discreta .

La modulazione analogica viene utilizzata per trasmettere dati discreti su canali con una banda di frequenza stretta - canale di frequenza vocale (reti telefoniche pubbliche). Questo canale trasmette frequenze nell'intervallo da 300 a 3400 Hz, quindi la sua larghezza di banda è di 3100 Hz.

Viene chiamato un dispositivo che svolge le funzioni di modulazione sinusoidale della portante dal lato trasmittente e di demodulazione dal lato ricevente modem (modulatore-demodulatore).

La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale sinusoidale frequenza portante(Fig. 27).

A modulazione d'ampiezza (Fig. 27, b) per un'unità logica viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante e per uno zero logico - un altro. Questo metodo viene utilizzato raramente nella sua forma pura nella pratica a causa della bassa immunità al rumore, ma viene spesso utilizzato in combinazione con un altro tipo di modulazione: la modulazione di fase.

A modulazione di frequenza (Fig. 27, c) i valori 0 e 1 dei dati sorgente sono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse - f 0 e f 1,. Questo metodo di modulazione non richiede circuiti complessi nei modem e viene generalmente utilizzato nei modem a bassa velocità che funzionano a 300 o 1200 bps.

A modulazione di fase (Fig. 27, d) i valori dei dati 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza, ma con fasi diverse, ad esempio 0 e 180 gradi o 0, 90, 180 e 270 gradi.

I modem ad alta velocità utilizzano spesso metodi di modulazione combinati, solitamente l'ampiezza combinata con la fase.

Riso. 27. Vari tipi modulazione

Lo spettro del segnale modulato risultante dipende dal tipo e dalla velocità della modulazione.

Per la codifica potenziale, lo spettro si ottiene direttamente dalle formule di Fourier per la funzione periodica. Se i dati discreti vengono trasmessi ad un bit rate di N bit/s, allora lo spettro è costituito da una componente costante di frequenza nulla e da una serie infinita di armoniche con frequenze f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., dove f0 = N/2. Le ampiezze di queste armoniche diminuiscono abbastanza lentamente - con coefficienti di 1/3, 1/5, 1/7, ... dall'ampiezza dell'armonica f 0 (Fig. 28, a). Di conseguenza, lo spettro del codice potenziale richiede un'ampia larghezza di banda per una trasmissione di alta qualità. Inoltre, è necessario tenere conto del fatto che in realtà lo spettro del segnale cambia costantemente a seconda della natura dei dati. Pertanto, lo spettro del segnale di codice potenziale risultante durante la trasmissione di dati arbitrari occupa una banda da un certo valore vicino a 0 Hz a circa 7f 0 (le armoniche con frequenze superiori a 7f 0 possono essere trascurate a causa del loro piccolo contributo al segnale risultante). Per un canale vocale, il limite superiore per la codifica potenziale viene raggiunto con una velocità dati di 971 bps. Di conseguenza, eventuali codici sui canali vocali non vengono mai utilizzati.

Con la modulazione di ampiezza, lo spettro è costituito da un'onda sinusoidale della frequenza portante f con e due armonici laterali: (f c + f m) e ( F C - F m), dove F M – frequenza di variazione del parametro informativo della sinusoide, che coincide con la velocità di trasmissione dei dati quando si utilizzano due livelli di ampiezza (Fig. 28, b). Frequenza f M determina la capacità della linea per un determinato metodo di codifica. A una frequenza di modulazione bassa, anche l'ampiezza dello spettro del segnale sarà piccola (pari a 2f M ), quindi i segnali non verranno distorti da una linea se la sua larghezza di banda è maggiore o uguale a 2f M . Per un canale di frequenza vocale, questo metodo di modulazione è accettabile con una velocità di trasferimento dati non superiore a 3100/2=1550 bps. Se per presentare i dati vengono utilizzati 4 livelli di ampiezza, la capacità del canale aumenta a 3100 bps.

Riso. 28. Spettri di segnali durante la codifica potenziale

e modulazione di ampiezza

Con la modulazione di fase e frequenza, lo spettro del segnale è più complesso che con la modulazione di ampiezza, poiché qui si formano più di due armoniche laterali, ma sono anche posizionate simmetricamente rispetto alla frequenza portante principale e le loro ampiezze diminuiscono rapidamente. Pertanto questi tipi di modulazione sono adatti anche per la trasmissione di dati su un canale vocale.

Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati codici potenziali e impulsi. Nei codici potenziali, solo il valore potenziale del segnale viene utilizzato per rappresentare gli uno e gli zeri logici e i suoi fronti non vengono presi in considerazione. I codici a impulsi consentono di rappresentare i dati binari come impulsi di una determinata polarità o come parte di un impulso, una differenza potenziale in una determinata direzione.

Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi:

· aveva la larghezza dello spettro più piccola del segnale risultante allo stesso bit rate;

· fornita la sincronizzazione tra il trasmettitore e il ricevitore;

· aveva la capacità di riconoscere gli errori;

· aveva un prezzo di vendita basso.

Uno spettro di segnali più ristretto consente velocità di trasferimento dati più elevate sulla stessa linea. Spesso è necessario che lo spettro del segnale non abbia componenti CC.

La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria affinché il ricevitore sappia esattamente in quale momento è necessario leggere nuove informazioni dalla linea di comunicazione. Questo problema è più difficile da risolvere nelle reti rispetto allo scambio di dati tra dispositivi vicini, ad esempio tra unità all'interno di un computer o tra un computer e una stampante. Pertanto nelle reti vengono utilizzati i cosiddetti codici di autosincronizzazione, i cui segnali portano istruzioni al trasmettitore su in quale momento deve essere riconosciuto il bit successivo (o più bit). Qualsiasi brusco cambiamento nel segnale - il cosiddetto fronte - può servire come una buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore.

Quando si utilizzano le sinusoidi come segnale portante, il codice risultante ha la proprietà di autosincronizzazione, poiché la modifica dell'ampiezza della frequenza portante consente al ricevitore di determinare il momento in cui appare il codice di ingresso.

I requisiti per i metodi di codifica sono reciprocamente contraddittori, pertanto ciascuno dei metodi di codifica digitale più diffusi discussi di seguito presenta vantaggi e svantaggi rispetto agli altri.

Nella fig. 29, a mostra l'eventuale metodo di codifica, detto anche codifica senza tornare a zero (Non Ritorno a zero, NRZ) . Il cognome riflette il fatto che quando si trasmette una sequenza di uno, il segnale non ritorna a zero durante il ciclo di clock. Il metodo NRZ è facile da implementare, ha un buon riconoscimento degli errori (grazie a due potenziali nettamente diversi), ma non ha la proprietà di autosincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non è in grado di determinare dal segnale di ingresso i momenti in cui è necessario leggere i dati. Anche con un generatore di clock ad alta precisione, il ricevitore può commettere un errore con il momento della raccolta dei dati, poiché le frequenze dei due generatori non sono mai completamente identiche. Pertanto con velocità di dati elevate e lunghe sequenze di uno o zero un piccolo disadattamento di clock può portare ad un errore di un intero ciclo di clock e quindi alla lettura di un valore di bit errato.

Un altro grave svantaggio del metodo NRZ è la presenza di una componente a bassa frequenza che si avvicina allo zero durante la trasmissione di lunghe sequenze di uno o zeri. Per questo motivo molti canali di comunicazione che non forniscono un collegamento galvanico diretto tra il ricevitore e la sorgente non supportano questo tipo di codifica. Di conseguenza il codice NRZ nella sua forma pura non viene utilizzato nelle reti. Tuttavia, vengono utilizzate le sue varie modifiche, che eliminano sia la scarsa autosincronizzazione del codice NRZ sia la presenza di un componente costante. L'attrattiva del codice NRZ, per cui vale la pena migliorarlo, è la frequenza piuttosto bassa dell'armonica fondamentale f 0, che è pari a N/2 Hz. In altri metodi di codifica, come Manchester, l'armonica fondamentale ha una frequenza più alta.

Riso. 29. Metodi di codifica discreta dei dati

Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica bipolare con inversione alternativa (Bipolare Inversione del segno alternativo, AMI). Questo metodo (Fig. 29, b) utilizza tre livelli potenziali: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e uno logico è codificato da un potenziale positivo o negativo, con il potenziale di ciascuna nuova unità opposto al potenziale di quella precedente.

Il codice AMI elimina parzialmente i problemi DC e la mancanza di autosincronizzazione inerenti al codice NRZ. Ciò si verifica quando si trasmettono lunghe sequenze di uno. In questi casi il segnale sulla linea è una sequenza di impulsi di polarizzazione opposta con lo stesso spettro del codice NRZ, che trasmettono zeri e uno alternati, cioè senza componente costante e con armonica fondamentale di N/2 Hz (dove N è il bit rate del trasferimento dati). Lunghe sequenze di zeri sono altrettanto pericolose per il codice AMI quanto per il codice NRZ: il segnale degenera in un potenziale costante di ampiezza zero. Pertanto, il codice AMI necessita di ulteriori miglioramenti.

In generale, per diverse combinazioni di bit su una linea, l'utilizzo del codice AMI comporta uno spettro di segnali più ristretto rispetto al codice NRZ, e quindi più elevato larghezza di banda linee. Ad esempio, quando si trasmettono uno e zero alternati, l'armonica fondamentale f 0 ha una frequenza di N/4 Hz. Il codice AMI fornisce anche alcune funzionalità per riconoscere segnali errati. Pertanto, una violazione della rigida alternanza della polarità del segnale indica un falso impulso o la scomparsa dell'impulso corretto dalla linea. Questo segnale viene chiamato segnale proibito (segnale violazione).

Il codice AMI utilizza non due, ma tre livelli di segnale sulla linea. Lo strato aggiuntivo richiede un aumento della potenza di trasmissione di circa 3 dB per fornire la stessa fedeltà di bit sulla linea, che è uno svantaggio comune dei codici con più stati del segnale rispetto ai codici che distinguono solo due stati.

Esiste un codice simile all'AMI, ma con solo due livelli di segnale. Quando si trasmette uno zero, trasmette il potenziale impostato nel ciclo precedente (cioè non lo cambia) e quando si trasmette uno, il potenziale viene invertito a quello opposto. Questo codice si chiama codice potenziale con inversione a uno (Non Ritorno A Zero con quelli Invertito , NRZI ) . Questo codice è utile nei casi in cui l'uso di un terzo livello di segnale è altamente indesiderabile, ad esempio in cavi ottici, dove vengono riconosciuti in modo coerente due stati del segnale: luce e ombra.

Oltre ai codici potenziali, nelle reti vengono utilizzati anche codici a impulsi, quando i dati sono rappresentati da un impulso completo o da parte di esso: un fronte. Il caso più semplice di questo approccio è codice impulso bipolare , in cui uno è rappresentato da un impulso di una polarità e zero da un'altra (Fig. 29, c). Ogni impulso dura mezzo battito. Questo codice è eccellente auto-sincronizzazione proprietà, ma può essere presente una componente costante, ad esempio, quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero. Inoltre, il suo spettro è più ampio di quello dei potenziali codici. Pertanto, quando si trasmettono tutti zeri o uno, la frequenza dell'armonica fondamentale del codice sarà pari a N Hz, che è due volte superiore all'armonica fondamentale del codice NRZ e quattro volte superiore all'armonica fondamentale del codice AMI durante la trasmissione di uno e zero alternati. A causa del suo spettro troppo ampio, il codice dell'impulso bipolare viene utilizzato raramente.

IN reti locali Fino a poco tempo fa, il metodo di codifica più comune era il cosiddetto Codice Manchester (Fig. 29, d). Viene utilizzato nelle tecnologie Ethernet e Token Ring.

Il codice Manchester utilizza una differenza di potenziale, ovvero il fronte di un impulso, per codificare gli uno e gli zeri. Con la codifica Manchester, ogni misura è divisa in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cali che si verificano nel mezzo di ogni ciclo di clock. Uno è codificato da un fronte dal livello del segnale basso a quello alto e zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo di clock, può verificarsi una caduta del segnale in testa se è necessario rappresentare più uno o zeri di seguito. Poiché il segnale cambia almeno una volta per ciclo di trasmissione di un bit di dati, il codice Manchester è valido auto-sincronizzazione proprietà. La larghezza di banda del codice Manchester è più stretta di quella dell'impulso bipolare. Inoltre non ha componente continua e l'armonica fondamentale nel caso peggiore (quando si trasmette una sequenza di uno o zero) ha una frequenza di N Hz e nel migliore dei casi (quando si trasmette uno e zero alternati) è uguale a N /2 Hz, come AMI o NRZ In media, la larghezza di banda del codice Manchester è una volta e mezza più stretta di quella del codice a impulsi bipolari e l'armonica fondamentale oscilla attorno al valore di 3N/4. Il codice Manchester presenta un altro vantaggio rispetto al codice a impulsi bipolare. Quest'ultimo utilizza tre livelli di segnale per la trasmissione dei dati, mentre quello di Manchester ne utilizza due.

Nella fig. 29, d mostra un codice potenziale con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. Questo è un codice 2B1Q, il cui nome riflette la sua essenza: ogni due bit (2B) vengono trasmessi in un ciclo di clock da un segnale avente quattro stati (1Q). La coppia di bit 00 corrisponde a un potenziale di -2,5 V, la coppia di bit 01 corrisponde a un potenziale di -0,833 V, la coppia 11 corrisponde a un potenziale di +0,833 V e la coppia 10 corrisponde a un potenziale di +2,5 V. Con questa codifica metodo, sono necessarie misure aggiuntive per combattere lunghe sequenze di coppie di bit identiche, poiché in questo caso il segnale diventa una componente costante. Con l'interlacciamento casuale dei bit, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ, poiché con lo stesso bitrate la durata del clock è raddoppiata. Pertanto, utilizzando il codice 2B1Q, è possibile trasferire i dati sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto al codice AMI o NRZI. Tuttavia, per realizzarlo, la potenza del trasmettitore deve essere maggiore in modo che i quattro livelli siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo delle interferenze.

Pagina 27 da 27 Basi fisiche della trasmissione dei dati(Linee di comunicazione,)

Basi fisiche della trasmissione dei dati

Qualsiasi tecnologia di rete deve garantire una trasmissione affidabile e veloce di dati discreti sulle linee di comunicazione. Sebbene esistano grandi differenze tra le tecnologie, queste si basano su principi comuni di trasferimento discreto dei dati. Questi principi sono incorporati in metodi per rappresentare unità e zeri binari utilizzando segnali impulsivi o sinusoidali in linee di comunicazione di varia natura fisica, metodi di rilevamento e correzione degli errori, metodi di compressione e metodi di commutazione.

Lineecomunicazioni

Reti primarie, linee e canali di comunicazione

Nel descrivere sistema tecnico, che trasmette informazioni tra i nodi della rete, in letteratura si possono trovare diversi nomi: linea di comunicazione, canale composito, canale, collegamento. Spesso questi termini vengono usati in modo intercambiabile e in molti casi ciò non causa problemi. Allo stesso tempo, ci sono specificità nel loro utilizzo.

Collegamento(link) è un segmento che fornisce il trasferimento di dati tra due nodi di rete vicini. Cioè, il collegamento non contiene dispositivi di commutazione e multiplexing intermedi.

Canale(canale) molto spesso indica la parte della larghezza di banda del collegamento utilizzata indipendentemente durante la commutazione. Ad esempio, un collegamento di rete primario può essere costituito da 30 canali, ciascuno dei quali ha una capacità di 64 Kbps.

Canale composito(circuito) è un percorso tra due nodi terminali di una rete. Un canale composito è formato da singoli collegamenti intermedi e connessioni interne negli interruttori. Spesso l'epiteto “composito” viene omesso e il termine “canale” viene utilizzato per riferirsi sia ad un canale composito che ad un canale tra nodi vicini, cioè all'interno di un collegamento.

Linea di comunicazione può essere usato come sinonimo di uno qualsiasi degli altri tre termini.

Nella fig. vengono mostrate due opzioni di linea di comunicazione. Nel primo caso ( UN) la linea è costituita da un segmento di cavo lungo diverse decine di metri e costituisce un collegamento. Nel secondo caso (b), la linea di comunicazione è un canale composito distribuito in una rete a commutazione di circuito. Una rete del genere potrebbe esserlo rete primaria o rete telefonica.

Tuttavia per rete di computer questa linea rappresenta un collegamento, poiché collega due nodi adiacenti e tutte le apparecchiature intermedie di commutazione sono trasparenti per questi nodi. Qui è evidente la ragione dei malintesi reciproci a livello di termini tra specialisti di computer e specialisti di reti primarie.

Le reti primarie sono create appositamente per fornire servizi di canali di trasmissione dati per reti informatiche e telefoniche, che in questi casi si dice funzionino "sopra" le reti primarie e sono reti sovrapposte.

Classificazione delle linee di comunicazione

Linea di comunicazione generalmente è costituito da un supporto fisico attraverso il quale vengono trasmessi segnali elettrici di informazione, apparecchiature di trasmissione dati e apparecchiature intermedie. Il supporto fisico per la trasmissione dei dati (supporto fisico di memorizzazione) può essere un cavo, cioè un insieme di fili, guaine isolanti e protettive e connettori di collegamento, nonché l'atmosfera terrestre o lo spazio esterno attraverso il quale si propagano le onde elettromagnetiche.

Nel primo caso parliamo di ambiente cablato, e nel secondo - circa senza fili.

Nei moderni sistemi di telecomunicazione, le informazioni vengono trasmesse utilizzando corrente o tensione elettrica, segnali radio o segnali luminosi- tutti questi processi fisici rappresentano oscillazioni del campo elettromagnetico di varie frequenze.

Linee cablate (aeree). i collegamenti sono cavi senza alcuna calza isolante o schermante, posati tra i poli e sospesi in aria. Anche nel recente passato tali linee di comunicazione erano le principali per la trasmissione di segnali telefonici o telegrafici. Oggi, le linee di comunicazione cablate vengono rapidamente sostituite da linee via cavo. Ma in alcuni luoghi sono ancora conservati e, in assenza di altre possibilità, continuano ad essere utilizzati per la trasmissione di dati informatici. La velocità e l'immunità al rumore di queste linee lasciano molto a desiderare.

Linee via cavo hanno un design piuttosto complesso. Il cavo è costituito da conduttori racchiusi in diversi strati di isolamento: elettrico, elettromagnetico, meccanico ed, eventualmente, climatico. Inoltre, il cavo può essere dotato di connettori che consentono di collegare rapidamente ad esso varie apparecchiature. Esistono tre tipi principali di cavi utilizzati nelle reti informatiche (e di telecomunicazione): cavi basati su coppie intrecciate di fili di rame - doppino intrecciato non schermato(doppino intrecciato non schermato, UTP) e doppino intrecciato schermato(doppino intrecciato schermato, STP), cavi coassiali con nucleo in rame, cavi in ​​fibra ottica. Vengono anche chiamati i primi due tipi di cavi cavi in ​​rame.

Canali radiofonici Le comunicazioni terrestri e satellitari vengono effettuate utilizzando un trasmettitore e un ricevitore di onde radio. Esistono un'ampia varietà di tipi di canali radio, che differiscono sia per la gamma di frequenze utilizzata che per la gamma di canali. Trasmettere bande radiofoniche(onde lunghe, medie e corte), chiamate anche bande AM, o gli intervalli di modulazione di ampiezza (Modulazione di ampiezza, AM), forniscono comunicazioni a lunga distanza, ma a una bassa velocità di trasferimento dati. I canali più veloci sono quelli che utilizzano gamme di frequenza molto elevate(Very High Frequency, VHF), per il quale viene utilizzata la modulazione di frequenza (FM). Utilizzato anche per la trasmissione dei dati gamme di frequenze ultra alte(Ultra High Frequency, UHF), chiamato anche bande di microonde(oltre 300 MHz). A frequenze superiori a 30 MHz, i segnali non vengono più riflessi dalla ionosfera terrestre e una comunicazione stabile richiede una visibilità diretta tra il trasmettitore e il ricevitore. Pertanto, tali frequenze vengono utilizzate dai canali satellitari, dai canali radio o locali o reti mobili, dove questa condizione è soddisfatta.

2 Funzioni del livello fisico Rappresentazione dei bit tramite segnali elettrici/ottici Codifica dei bit Sincronizzazione dei bit Trasmissione/ricezione dei bit su canali di comunicazione fisici Coordinamento con l'ambiente fisico Velocità di trasmissione Portata Livelli di segnale, connettori In tutti i dispositivi di rete Implementazione hardware (adattatori di rete ) Esempio: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100 m, 10 Mbit/s, codice MII, RJ-45

5 Apparecchiature per la trasmissione dei dati Convertitore Messaggio - El. Codificatore del segnale (compressione, codici di correzione) Modulatore Apparecchiatura intermedia Miglioramento della qualità della comunicazione - (Amplificatore) ​​Creazione di un canale composito - (Switch) Multiplexing dei canali - (Multiplexer) (Il PA può essere assente in una LAN)

6 Principali caratteristiche delle linee di comunicazione Throughput (Protocollo) Affidabilità della trasmissione dei dati (Protocollo) Ritardo di propagazione Risposta in ampiezza-frequenza (AFC) Attenuazione della larghezza di banda Immunità al rumore Crosstalk all'estremità vicina della linea Costo unitario

9 Attenuazione A – un punto sulla risposta in frequenza A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Esempio 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Attenuazione = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Esempio 2: UTP cat 5 Attenuazione >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Tipicamente è indicato A per la frequenza fondamentale del segnale = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Tipicamente A è indicato per la frequenza del segnale principale">

11 Immunità ai disturbi Linee in fibra ottica Linee in cavo Linee aeree cablate Linee radio (schermatura, torsione) Immunità alle interferenze esterne Immunità alle interferenze interne Attenuazione della diafonia del punto vicino (NEXT) Attenuazione del crosstalk del punto lontano (FEXT) (FEXT - Due coppie in una direzione )

12 Perdita di diafonia Near End – NEXT Per cavi multicoppia NEXT = 10 log Pout/Pin dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Affidabilità della trasmissione dei dati Bit Error Rate – BER Probabilità di corruzione dei bit di dati Cause: interferenze esterne e interne, larghezza di banda ridotta Lotta: aumento dell'immunità al rumore, riduzione dell'interferenza NEXT, espansione della larghezza di banda Doppino intrecciato BER ~ Cavo in fibra ottica BER ~ Nessun mezzo di protezione aggiuntivo :: codici correttivi, protocolli con ripetizione

16 Doppino intrecciato Doppino intrecciato (TP) schermatura in lamina schermatura del cavo intrecciato guaina esterna del cavo isolato Doppino intrecciato non schermato UTP categoria 1, coppie cat UTP nella guaina Tipi di doppino intrecciato schermato STP Tipo 1…9 Ogni coppia ha il proprio schermo Ogni coppia ha il proprio passo colpi di scena, il tuo colore Immunità al rumore Costo Complessità di posa

18 Fibra ottica Riflessione interna totale di un raggio all'interfaccia di due mezzi n1 > n2 - (indice di rifrazione) n1 n2 n2 - (indice di rifrazione) n1 n2"> n2 - (indice di rifrazione) n1 n2"> n2 - (indice di rifrazione) n1 n2" title="18 Fibra ottica Riflessione interna totale di un raggio al confine di due mezzi n1 > n2 - (indice di rifrazione) n1 n2"> title="18 Fibra ottica Riflessione interna totale di un raggio all'interfaccia di due mezzi n1 > n2 - (indice di rifrazione) n1 n2"> !}

22 Cavo in fibra ottica Fibra multimodale MMF50/125, 62,5/125, Fibra monomodaleSMF8/125, 9,5/125 D = 250 µm 1 GHz – 100 km BaseLH5000 km - 1 Gbit/s (2005) MMSM

23 Sorgenti di segnale ottico Canale: sorgente - portante - ricevitore (rivelatore) Sorgenti LED (Light Educing Diode) nm sorgente incoerente - MMF Sorgente laser coerente a semiconduttore - SMF - Potenza = f (t o) Rivelatori Fotodiodi, diodi pin, diodi a valanga

25 Sistema di cablaggio strutturato - SCS First LAN – cavi vari e topologie Unificazione del sistema di cavi SCS - infrastruttura di cavi LAN aperta (sottosistemi, componenti, interfacce) - indipendenza da tecnologia di rete- Cavi LAN, TV, sistemi di sicurezza, ecc. - cablaggio universale senza riferimento ad una specifica tecnologia di rete - Costruttore

27 Standard SCS (di base) EIA/TIA-568A Standard di cablaggio per telecomunicazioni per edifici commerciali (USA) CENELEC EN50173 Requisiti prestazionali di schemi di cablaggio generici (Europa) ISO/IEC IS Tecnologia dell'informazione - Cablaggio generico per il cablaggio della sede del cliente Per ciascun sottosistema: Mezzo di trasmissione dati . Topologia Distanze consentite (lunghezze dei cavi) Interfaccia di connessione utente. Cavi e apparecchiature di collegamento. Produttività (prestazioni). Pratica di installazione (sottosistema orizzontale - UTP, stella, 100 m...)

28 Comunicazione Wireless Trasmissione Wireless Vantaggi: comodità, zone impervie, mobilità. distribuzione rapida... Svantaggi: alto livello di interferenza ( mezzi speciali: codici, modulazione...), complessità nell'utilizzo di alcune gamme Linea di comunicazione: trasmettitore - mezzo - ricevitore Caratteristiche LAN ~ F(Δf, fн);

34 2. Telefonia cellulare Divisione del territorio in cellule Riutilizzo delle frequenze Bassa potenza (dimensioni) Al centro - stazione base Europa - Global System for Mobile - GSM Wireless comunicazioni telefoniche 1. Stazione radio a bassa potenza - (base del ricevitore, 300 m) Roaming per telecomunicazioni cordless digitali europee DECT - passaggio da uno rete principale all'altro: la base comunicazioni cellulari

35 Collegamento satellitare Basati su un satellite (riflettore-amplificatore) Ricetrasmettitori - transponder H~50 MHz (1 satellite ~ 20 transponder) Gamme di frequenza: C. Ku, Ka C - Giù 3,7 - 4,2 GHz Su 5,925-6,425 GHz Ku - Giù 11,7- 12,2 GHz Su 14,0-14,5 GHz Ka - Giù 17,7-21,7 GHz Su 27,5-30,5 GHz

36 Comunicazioni satellitari. Tipi di satelliti Comunicazioni satellitari: microonde - linea di vista Geostazionario Ampia copertura Fisso, Bassa usura Ripetitore satellitare, trasmissione, basso costo, il costo non dipende dalla distanza, Connessione istantanea (Mil) Tz=300ms Bassa sicurezza, Antenna inizialmente grande (ma VSAT) Km in orbita media Sistema di posizionamento globale GPS - 24 satelliti Km in orbita bassa bassa copertura accesso a Internet a bassa latenza

40 Tecniche di spettro esteso Tecniche speciali di modulazione e codifica per comunicazone wireless C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Riduzione di potenza Immunità al rumore Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basata su un segnale portante sinusoidale (modulazione analogica) e basata su una sequenza di impulsi rettangolari (codifica digitale).

Modulazione analogica - per la trasmissione di dati discreti su un canale con una larghezza di banda ridotta - canale di frequenza vocale delle reti telefoniche (larghezza di banda da 300 a 3400 Hz) Un dispositivo che esegue la modulazione e la demodulazione - un modem.

Metodi di modulazione analogica

n modulazione di ampiezza (immunità a basso rumore, spesso utilizzata insieme alla modulazione di fase);

n modulazione di frequenza (implementazione tecnica complessa, solitamente utilizzata nei modem a bassa velocità).

n modulazione di fase.

Spettro del segnale modulato

Codice potenziale- se i dati discreti vengono trasmessi alla velocità di N bit al secondo, allora lo spettro è costituito da una componente costante di frequenza nulla e da una serie infinita di armoniche con frequenze f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., dove f0 = N /2. Le ampiezze di queste armoniche diminuiscono lentamente - con coefficienti di 1/3, 1/5, 1/7, ... dall'ampiezza f0. Lo spettro del segnale di codice potenziale risultante durante la trasmissione di dati arbitrari occupa una banda da un certo valore vicino a 0 a circa 7f0. Per un canale di frequenza vocale, il limite superiore della velocità di trasmissione viene raggiunto per una velocità di trasferimento dati di 971 bit al secondo, mentre il limite inferiore è inaccettabile per qualsiasi velocità, poiché la larghezza di banda del canale inizia a 300 Hz. Cioè, i codici potenziali non vengono utilizzati sui canali di frequenza vocale.

Modulazione d'ampiezza- lo spettro è costituito da una sinusoide della frequenza portante fc e due armoniche laterali fc+fm e fc-fm, dove fm è la frequenza di variazione del parametro informativo della sinusoide, che coincide con la velocità di trasmissione dei dati quando si utilizzano due ampiezze livelli. La frequenza FM determina la capacità della linea questo metodo codifica. Con una frequenza di modulazione piccola, anche l'ampiezza dello spettro del segnale sarà piccola (pari a 2fm), ed i segnali non verranno distorti dalla linea se la larghezza di banda è maggiore o uguale a 2fm. Per un canale di frequenza vocale, questo metodo è accettabile con una velocità di trasferimento dati non superiore a 3100/2 = 1550 bit al secondo.

Modulazione di fase e di frequenza- lo spettro è più complesso, ma simmetrico, con un gran numero di armoniche in rapida diminuzione. Questi metodi sono adatti per la trasmissione su un canale di frequenza vocale.

Modulazione di ampiezza quadrata: modulazione di fase con 8 valori di sfasamento e modulazione di ampiezza con 4 valori di ampiezza. Non vengono utilizzate tutte le 32 combinazioni di segnali.

Codifica digitale

Codici potenziali– per rappresentare gli uno e gli zeri logici viene utilizzato solo il valore del potenziale del segnale e non vengono prese in considerazione le sue gocce, che formano impulsi completi.

Codici a impulsi– rappresentano i dati binari come impulsi di una certa polarità o come parte di un impulso - come una differenza di potenziale in una certa direzione.

Requisiti per il metodo di codifica digitale:

A parità di bitrate aveva la larghezza di spettro più piccola del segnale risultante (uno spettro di segnale più stretto consente di ottenere una velocità di trasferimento dati più elevata sulla stessa linea; inoltre è necessaria l'assenza di una componente costante, che è la presenza corrente continua tra trasmettitore e ricevitore);

Fornita sincronizzazione tra il trasmettitore e il ricevitore (il ricevitore deve sapere esattamente in quale momento leggere le informazioni necessarie dalla linea, nei sistemi locali - linee di orologio, nelle reti - codici di autosincronizzazione, i cui segnali portano istruzioni per il trasmettitore circa in quale momento è necessario effettuare il riconoscimento del bit successivo);

Possedeva la capacità di riconoscere gli errori;

Aveva un basso costo di realizzazione.

Codice potenziale senza ritorno a zero. NRZ (Non ritorno allo zero). Il segnale non ritorna a zero durante il ciclo di clock.

È facile da implementare, ha un buon riconoscimento degli errori grazie a due segnali nettamente diversi, ma non ha la proprietà di sincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di zeri o uno, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non può determinare quando i dati devono essere riletti. Un altro svantaggio è la presenza di una componente a bassa frequenza, che si avvicina allo zero durante la trasmissione di lunghe sequenze di uno e zero. Il codice viene utilizzato raramente nella sua forma pura; vengono utilizzate modifiche. Attrattiva – bassa frequenza armonica fondamentale f0 = N /2.

Metodo di codifica bipolare con inversione alternativa. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifica del metodo NRZ.

Per codificare lo zero, viene utilizzato un potenziale zero, un'unità logica è codificata con un potenziale positivo o negativo, con il potenziale di ciascuna unità successiva opposto al potenziale di quella precedente. Elimina parzialmente i problemi della componente costante e della mancanza di autosincronizzazione. Nel caso di trasmissione di una lunga sequenza di unità, una sequenza di impulsi multipolari con lo stesso spettro del codice NRZ che trasmette una sequenza di impulsi alternati, cioè senza una componente costante e un'armonica fondamentale N/2. In generale, l'uso dell'AMI determina uno spettro più ristretto rispetto a NRZ e quindi una maggiore capacità di collegamento. Ad esempio, quando si trasmettono zeri e uno alternati, l'armonica fondamentale f0 ha una frequenza di N/4. È possibile riconoscere trasmissioni errate, ma per garantire una ricezione affidabile è necessario aumentare la potenza di circa 3 dB, poiché vengono utilizzate regolazioni del livello del segnale.

Codice potenziale con inversione a uno. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Codice simile ad AMI con due livelli di segnale. Quando si trasmette uno zero, viene trasmesso il potenziale del ciclo precedente e quando si trasmette uno, il potenziale viene invertito al contrario. Il codice è comodo nei casi in cui non è auspicabile l'utilizzo del terzo livello (cavo ottico).

Vengono utilizzati due metodi per migliorare l'AMI, NRZI. Il primo è l'aggiunta di unità ridondanti al codice. Appare la proprietà dell'autosincronizzazione, la componente costante scompare e lo spettro si restringe, ma la portata utile diminuisce.

Un altro metodo è quello di "mescolare" le informazioni iniziali in modo che la probabilità della comparsa di uno e zero sulla linea diventi vicina: scrambling. Entrambi i metodi sono codifiche logiche, poiché non determinano la forma dei segnali sulla linea.

Codice impulso bipolare. Uno è rappresentato da un impulso di una polarità e zero da un'altra. Ogni impulso dura mezzo battito.

Il codice ha eccellenti proprietà di autosincronizzazione, ma quando si trasmette una lunga sequenza di zero o uno, potrebbe esserci una componente costante. Lo spettro è più ampio di quello dei codici potenziali.

Codice Manchester. Il codice più comune utilizzato in Reti Ethernet, Anello Di Gettone.

Ogni misura è divisa in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cali che si verificano nel mezzo di un ciclo di clock. Uno è codificato da una caduta da un livello di segnale basso a uno alto e uno zero è codificato da una caduta inversa. All'inizio di ogni ciclo di clock, può verificarsi una caduta del segnale di servizio se è necessario rappresentare più uno o zero in una riga. Il codice ha eccellenti proprietà di autosincronizzazione. La larghezza di banda è più stretta di quella di un impulso bipolare, non vi è alcuna componente costante e l'armonica fondamentale nel caso peggiore ha una frequenza N e nel migliore N/2.

Codice potenziale 2B1Q. Ogni due bit vengono trasmessi in un ciclo di clock da un segnale a quattro stati. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Sono necessari mezzi aggiuntivi per gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche. Con l'alternanza casuale di bit, lo spettro è due volte più stretto di quello di NRZ, poiché con lo stesso bit rate la durata dell'orologio raddoppia, ovvero è possibile trasmettere dati sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto all'utilizzo di AMI, NRZI , ma necessario ad alta potenza trasmettitore.

Codifica logica

Progettato per migliorare i codici potenziali come AMI, NRZI, 2B1Q, sostituendo lunghe sequenze di bit che portano a un potenziale costante con unità intervallate. Vengono utilizzati due metodi: codifica ridondante e scrambling.

Codici ridondanti si basano sulla suddivisione della sequenza originale di bit in porzioni, spesso chiamate simboli, dopo di che ciascun simbolo originale viene sostituito da uno nuovo che ha più bit dell'originale.

Il codice 4B/5B sostituisce sequenze di 4 bit con sequenze di 5 bit. Quindi, invece di combinazioni a 16 bit, si ottengono 32. Di questi, 16 vengono selezionati che non contengono un numero elevato di zeri, il resto è considerato violazione del codice. Oltre ad eliminare la componente continua e rendere il codice autosincronizzante, i codici ridondanti consentono al ricevitore di riconoscere i bit corrotti. Se il ricevitore riceve codici vietati significa che il segnale sulla linea è distorto.

Questo codice viene trasmesso sulla linea utilizzando la codifica fisica utilizzando un potenziale metodo di codifica sensibile solo a lunghe sequenze di zeri. Il codice garantisce che non ci saranno più di tre zeri consecutivi sulla riga. Esistono altri codici, come 8B/6T.

Per garantire la velocità di trasmissione specificata, il trasmettitore deve funzionare con una frequenza di clock più elevata (per 100 Mb/s - 125 MHz). Lo spettro del segnale si espande rispetto a quello originale, ma rimane più ristretto rispetto allo spettro del codice Manchester.

Scrambling: miscelazione dei dati con uno scrambler prima della trasmissione dalla linea.

I metodi di scrambling implicano il calcolo bit per bit del codice risultato in base ai bit del codice sorgente e ai bit del codice risultato ottenuti nei cicli di clock precedenti. Per esempio,

B io = UN io xo B io -3 xo B io -5 ,

dove B i è la cifra binaria del codice risultante ottenuto all'i-esimo ciclo di clock dello scrambler, A i è la cifra binaria del codice sorgente ricevuto all'i-esimo ciclo di clock all'ingresso dello scrambler, B i -3 e B i -5 sono le cifre binarie del codice risultante, ottenuto nei precedenti cicli di lavoro.

Per la sequenza 110110000001, lo scrambler darà 110001101111, cioè non ci sarà alcuna sequenza di sei zeri consecutivi.

Dopo aver ricevuto la sequenza risultante, il ricevitore la trasmetterà al descrambler, che applicherà la trasformazione inversa

C io = B io xo B i-3 xo B i-5 ,

Diversi sistemi di scrambling differiscono nel numero di termini e nello spostamento tra di loro.

Ci sono più metodi semplici combattere sequenze di zero o uno, anch'esse classificate come metodi di scrambling.

Per migliorare l’AMI bipolare vengono utilizzati:

B8ZS (bipolare con sostituzione di 8 zeri) – corregge solo le sequenze costituite da 8 zeri.

Per fare ciò, dopo i primi tre zeri, invece dei restanti cinque, inserisce cinque segnali V-1*-0-V-1*, dove V indica un segnale uno che è vietato per un dato ciclo di polarità, cioè un segnale che non cambia la polarità del precedente, 1* - il segnale dell'unità ha la polarità corretta e il segno dell'asterisco indica il fatto che nel codice sorgente non c'era un'unità in questo ciclo di clock, ma uno zero . Di conseguenza, a 8 cicli di clock il ricevitore osserva 2 distorsioni: è molto improbabile che ciò sia avvenuto a causa del rumore sulla linea. Pertanto, il ricevitore considera tali violazioni come una codifica di 8 zeri consecutivi. In questo codice, la componente costante è zero per qualsiasi sequenza di cifre binarie.

Il codice HDB3 corregge quattro zeri consecutivi qualsiasi nella sequenza originale. Ogni quattro zeri vengono sostituiti da quattro segnali, in cui è presente un segnale V. Per sopprimere la componente continua, la polarità del segnale V viene alternata in sostituzioni successive. Inoltre, per la sostituzione vengono utilizzati due modelli di codici a quattro cicli. Se prima della sostituzione fonte conteneva un numero dispari di unità, viene utilizzata la sequenza 000V e, se il numero di unità era pari, viene utilizzata la sequenza 1*00V.

I codici potenziali migliorati hanno una larghezza di banda abbastanza stretta per qualsiasi sequenza di zero e uno che si verifica nei dati trasmessi.

Quando si trasmettono dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basati su segnale portante sinusoidale e basato su una sequenza di impulsi rettangolari. Il primo metodo viene spesso chiamato anche modulazione o modulazione analogica, sottolineando il fatto che la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico. Il secondo metodo è solitamente chiamato codifica digitale. Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità delle apparecchiature necessarie per la loro implementazione.
Modulazione analogica utilizzato per la trasmissione di dati discreti su canali con una banda di frequenza stretta, un tipico rappresentante del quale è il canale di frequenza vocale fornito agli utenti delle reti telefoniche pubbliche. Una tipica risposta in ampiezza-frequenza di un canale di frequenza vocale è mostrata in Fig. 2.12. Questo canale trasmette frequenze nell'intervallo da 300 a 3400 Hz, quindi la sua larghezza di banda è di 3100 Hz. Un dispositivo che svolge le funzioni di modulazione sinusoidale della portante dal lato trasmittente e di demodulazione dal lato ricevente è chiamato modem (modulatore - demodulatore).
Metodi di modulazione analogica
La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale portante sinusoidale.
Il diagramma (Fig. 2.13, a) mostra una sequenza di bit dell'informazione originale, rappresentata da potenziali di alto livello per un'unità logica e un potenziale di livello zero per lo zero logico. Questo metodo di codifica è chiamato codice potenziale, che viene spesso utilizzato durante il trasferimento di dati tra unità di computer.
Con la modulazione di ampiezza (Fig. 2.13, b), un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante viene selezionato per un'unità logica e un altro per lo zero logico. Questo metodo viene utilizzato raramente nella sua forma pura nella pratica a causa della bassa immunità al rumore, ma viene spesso utilizzato in combinazione con un altro tipo di modulazione: la modulazione di fase.
Con la modulazione di frequenza (Fig. 2.13, c), i valori 0 e 1 dei dati sorgente vengono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse: f0 e f1. Questo metodo di modulazione non richiede circuiti complessi nei modem e viene generalmente utilizzato nei modem a bassa velocità che funzionano a 300 o 1200 bps.
Con la modulazione di fase, i valori dei dati 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza, ma con fasi diverse, ad esempio 0 e 180 gradi o 0,90,180 e 270 gradi.
I modem ad alta velocità utilizzano spesso metodi di modulazione combinati, solitamente l'ampiezza combinata con la fase.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi:
· aveva la larghezza di spettro più piccola del segnale risultante allo stesso bit rate;
· sincronizzazione garantita tra trasmettitore e ricevitore;
· aveva la capacità di riconoscere gli errori;
· aveva un costo di vendita basso.
Uno spettro di segnali più ristretto consente alla stessa linea (con la stessa larghezza di banda) di raggiungere una velocità di trasferimento dati più elevata. Inoltre, spesso è necessario che lo spettro del segnale non abbia alcuna componente continua, ovvero la presenza di una corrente continua tra il trasmettitore e il ricevitore. In particolare l'utilizzo di diversi circuiti di isolamento galvanico del trasformatore impedisce il passaggio di corrente continua.
La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria affinché il ricevitore sappia esattamente in quale momento è necessario leggere nuove informazioni dalla linea di comunicazione.
Il riconoscimento e la correzione dei dati distorti sono difficili da eseguire utilizzando i mezzi del livello fisico, quindi molto spesso questo lavoro viene svolto dai protocolli che si trovano sopra: canale, rete, trasporto o applicazione. D'altra parte, il riconoscimento degli errori è attivo livello fisico fa risparmiare tempo, poiché il ricevitore non aspetta che il frame venga completamente inserito nel buffer, ma lo scarta immediatamente quando riconosce bit errati all'interno del frame.
I requisiti per i metodi di codifica sono reciprocamente contraddittori, pertanto ciascuno dei metodi di codifica digitale più diffusi discussi di seguito presenta vantaggi e svantaggi rispetto agli altri.