Fysisk grunnlag for dataoverføring. Metoder for dataoverføring på fysisk nivå. Fysisk grunnlag for dataoverføring

7. FYSISK DATAOVERFØRINGSNIVÅ

7.2. Diskrete dataoverføringsmetoder

Ved overføring av diskrete data over kommunikasjonskanaler brukes to hovedtyper fysisk koding - basert på et sinusformet bæresignal og basert på en sekvens av rektangulære pulser. Den første metoden kalles ofte modulasjon eller analog modulasjon , og understreker det faktum at koding utføres ved å endre parametrene til det analoge signalet. Den andre metoden kalles digital koding . Disse metodene er forskjellige i bredden på spekteret til det resulterende signalet og kompleksiteten til utstyret som kreves for implementeringen.

Når du bruker rektangulære pulser, er spekteret til det resulterende signalet veldig bredt. Bruken av en sinusbølge resulterer i et smalere spektrum med samme informasjonsoverføringshastighet. For å implementere modulasjon kreves imidlertid mer komplekst og kostbart utstyr enn å implementere rektangulære pulser.

For tiden, i økende grad, overføres data som opprinnelig var i analog form - tale, TV-bilder - over kommunikasjonskanaler i diskret form, det vil si som en sekvens av enere og nuller. Prosessen med å representere analog informasjon i diskret form kalles diskret modulering .

Analog modulering brukes til å overføre diskrete data over kanaler med et smalt frekvensbånd - tale-frekvenskanal (offentlige telefonnettverk). Denne kanalen sender frekvenser i området fra 300 til 3400 Hz, så båndbredden er 3100 Hz.

En enhet som utfører funksjonene til bærebølgesinusmodulasjon på sendersiden og demodulering på mottakersiden kalles modem (modulator-demodulator).

Analog modulering er en fysisk kodemetode der informasjon kodes ved å endre amplituden, frekvensen eller fasen til et sinusformet signal bærefrekvens(Fig. 27).

På amplitudemodulasjon (Fig. 27, b) for en logisk enhet velges ett nivå av amplituden til bærefrekvensen sinusoid, og for en logisk null - et annet. Denne metoden brukes sjelden i sin rene form i praksis på grunn av lav støyimmunitet, men brukes ofte i kombinasjon med en annen type modulasjon - fasemodulering.

På frekvensmodulasjon (Fig. 27, c) verdiene 0 og 1 av kildedataene overføres av sinusoider med forskjellige frekvenser - f 0 og f 1,. Denne modulasjonsmetoden krever ikke komplekse kretser i modemer og brukes vanligvis i lavhastighetsmodem som opererer med 300 eller 1200 bps.

På fasemodulering (Fig. 27, d) dataverdier 0 og 1 tilsvarer signaler med samme frekvens, men med forskjellige faser, for eksempel 0 og 180 grader eller 0, 90, 180 og 270 grader.

Høyhastighetsmodem bruker ofte kombinerte modulasjonsmetoder, vanligvis amplitude kombinert med fase.

Ris. 27. Forskjellige typer modulasjon

Spekteret til det resulterende modulerte signalet avhenger av typen og hastigheten på moduleringen.

For potensiell koding hentes spekteret direkte fra Fourier-formlene for den periodiske funksjonen. Hvis diskrete data overføres med en bithastighet på N bit/s, består spekteret av en konstant komponent med null frekvens og en uendelig rekke harmoniske med frekvensene f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., hvor f 0 = N/2. Amplitudene til disse harmoniske avtar ganske sakte - med koeffisienter på 1/3, 1/5, 1/7, ... fra amplituden til den harmoniske f 0 (fig. 28, a). Som et resultat krever spekteret av potensiell kode en bred båndbredde for overføring av høy kvalitet. I tillegg må du ta i betraktning at signalspekteret i virkeligheten endrer seg hele tiden avhengig av arten av dataene. Derfor opptar spekteret til det resulterende potensielle kodesignalet ved overføring av vilkårlige data et bånd fra en viss verdi nær 0 Hz til omtrent 7f 0 (harmoniske med frekvenser over 7f 0 kan neglisjeres på grunn av deres lille bidrag til det resulterende signalet). For en talekanal oppnås den øvre grensen for potensiell koding ved en datahastighet på 971 bps. Som et resultat blir potensielle koder på talekanaler aldri brukt.

Med amplitudemodulasjon består spekteret av en sinusbølge av bærefrekvensen f med og to sideharmoniske: (f c + f m ) og ( f c – f m), hvor f m – frekvens for endring av informasjonsparameteren til sinusoiden, som sammenfaller med dataoverføringshastigheten ved bruk av to amplitudenivåer (fig. 28, b). Frekvens f m bestemmer linjekapasiteten for en gitt kodemetode. Ved en lav modulasjonsfrekvens vil signalspekterets bredde også være liten (lik 2f m ), så signaler vil ikke bli forvrengt av en linje hvis båndbredden er større enn eller lik 2f m . For en talefrekvenskanal er denne modulasjonsmetoden akseptabel ved en dataoverføringshastighet på ikke mer enn 3100/2=1550 bps. Hvis 4 amplitudenivåer brukes til å presentere data, øker kanalkapasiteten til 3100 bps.

Ris. 28. Spektra av signaler under potensiell koding

og amplitudemodulasjon

Med fase- og frekvensmodulasjon er signalspekteret mer komplekst enn ved amplitudemodulasjon, siden det dannes mer enn to sideharmoniske her, men de er også symmetrisk plassert i forhold til hovedbærefrekvensen, og deres amplituder avtar raskt. Derfor er denne typen modulasjon også godt egnet for dataoverføring over en talekanal.

Ved digital koding av diskret informasjon, brukes potensial- og pulskoder. I potensielle koder brukes bare den potensielle verdien til signalet til å representere logiske enere og nuller, og kantene blir ikke tatt i betraktning. Pulskoder lar deg representere binære data enten som pulser med en viss polaritet, eller som en del av en puls - en potensiell forskjell i en bestemt retning.

Når du bruker rektangulære pulser for å overføre diskret informasjon, er det nødvendig å velge en kodemetode som samtidig oppnår flere mål:

· hadde den minste spektrumbredden til det resulterende signalet med samme bithastighet;

· sørget for synkronisering mellom sender og mottaker;

· hadde evnen til å gjenkjenne feil;

· hadde lav salgspris.

Et smalere spekter av signaler gir mulighet for høyere dataoverføringshastigheter på samme linje. Ofte kreves det at signalspekteret ikke har noen DC-komponent.

Synkronisering av sender og mottaker er nødvendig slik at mottakeren vet nøyaktig på hvilket tidspunkt det er nødvendig å lese ny informasjon fra kommunikasjonslinjen. Dette problemet er vanskeligere å løse i nettverk enn når man utveksler data mellom tett plasserte enheter, for eksempel mellom enheter inne i en datamaskin eller mellom en datamaskin og en skriver. Derfor bruker nettverk såkalte selvsynkroniserende koder, hvis signaler bærer instruksjoner for senderen om på hvilket tidspunkt neste bit (eller flere biter) skal gjenkjennes. Enhver skarp endring i signalet - den såkalte kanten - kan tjene som en god indikasjon for å synkronisere mottakeren med senderen.

Når du bruker sinusoider som et bæresignal, har den resulterende koden egenskapen til selvsynkronisering, siden endring av amplituden til bærefrekvensen lar mottakeren bestemme øyeblikket inngangskoden vises.

Kravene til kodingsmetoder er gjensidig motstridende, derfor har hver av de populære digitale kodingsmetodene diskutert nedenfor sine egne fordeler og ulemper sammenlignet med andre.

I fig. 29 viser a den potensielle kodingsmetoden, også kalt koding uten å gå tilbake til null (Ikke Gå tilbake til Zero, NRZ) . Etternavnet gjenspeiler det faktum at når du sender en sekvens av enere, går ikke signalet tilbake til null i løpet av klokkesyklusen. NRZ-metoden er enkel å implementere, har god feilgjenkjenning (på grunn av to skarpt forskjellige potensialer), men har ikke egenskapen til selvsynkronisering. Når du sender en lang sekvens av enere eller nuller, endres ikke signalet på linjen, slik at mottakeren ikke er i stand til å bestemme fra inngangssignalet tidspunktene når det er nødvendig å lese data. Selv med en klokkegenerator med høy presisjon, kan mottakeren gjøre en feil med øyeblikket for datainnsamling, siden frekvensene til de to generatorene aldri er helt identiske. Derfor, ved høye datahastigheter og lange sekvenser av enere eller nuller, kan en liten klokkemismatch føre til en feil i en hel klokkesyklus og følgelig at en feil bitverdi leses.

En annen alvorlig ulempe ved NRZ-metoden er tilstedeværelsen av en lavfrekvent komponent som nærmer seg null ved overføring av lange sekvenser av enere eller nuller. På grunn av dette støtter mange kommunikasjonskanaler som ikke gir en direkte galvanisk forbindelse mellom mottakeren og kilden ikke denne typen koding. Som et resultat blir ikke NRZ-koden i sin rene form brukt i nettverk. Ikke desto mindre brukes dens forskjellige modifikasjoner, som eliminerer både den dårlige selvsynkroniseringen av NRZ-koden og tilstedeværelsen av en konstant komponent. Attraktiviteten til NRZ-koden, som gjør det verdt å forbedre den, er den ganske lave frekvensen til den grunnleggende harmoniske f 0, som er lik N/2 Hz. I andre kodingsmetoder, som Manchester, har den grunnleggende harmoniske en høyere frekvens.

Ris. 29. Metoder for diskret datakoding

En av modifikasjonene av NRZ-metoden er metoden bipolar koding med alternativ inversjon (Bipolar Alternativ Mark Inversion, AMI). Denne metoden (fig. 29, b) bruker tre potensielle nivåer - negativ, null og positiv. For å kode en logisk null, brukes et nullpotensial, og et logisk kodes enten av et positivt potensial eller et negativt, med potensialet til hver ny enhet motsatt av potensialet til den forrige.

AMI-koden eliminerer delvis DC og mangel på selvsynkroniseringsproblemer som er iboende i NRZ-koden. Dette skjer ved overføring av lange sekvenser av ener. I disse tilfellene er signalet på linjen en sekvens av motsatt polariserte pulser med samme spektrum som NRZ-koden, som sender vekslende nuller og enere, det vil si uten en konstant komponent og med en grunnleggende harmonisk på N/2 Hz (hvor N er bithastigheten for dataoverføring). Lange sekvenser av nuller er like farlige for AMI-koden som for NRZ-koden - signalet utarter seg til et konstant potensial på null amplitude. Derfor krever AMI-koden ytterligere forbedring.

Generelt, for forskjellige bitkombinasjoner på en linje, vil bruk av AMI-koden resultere i et smalere signalspekter enn NRZ-koden, og derfor høyere båndbredde linjer. For eksempel, når du sender alternerende enere og nuller, har den grunnleggende harmoniske f 0 en frekvens på N/4 Hz. AMI-koden gir også noen muligheter for å gjenkjenne feilsignaler. Dermed indikerer et brudd på den strenge vekslingen av signalpolaritet en falsk puls eller forsvinningen av en korrekt puls fra linjen. Dette signalet kalles forbudt signal (signal brudd).

AMI-koden bruker ikke to, men tre signalnivåer på linjen. Det ekstra laget krever en økning i sendereffekt på ca. 3 dB for å gi samme bit-fidelitet på linjen, noe som er en vanlig ulempe med koder med flere signaltilstander sammenlignet med koder som bare skiller to tilstander.

Det er kode som ligner på AMI, men med bare to signalnivåer. Når du sender en null, overfører den potensialet som ble satt i forrige syklus (det vil si endrer det ikke), og når det overføres en en, inverteres potensialet til det motsatte. Denne koden kalles potensiell kode med inversjon på én (Ikke Komme tilbake til Null med seg Omvendt , NRZI ) . Denne koden er nyttig i tilfeller der bruken av et tredje signalnivå er svært uønsket, for eksempel i optiske kabler, hvor to signaltilstander gjenkjennes konsekvent - lys og skygge.

I tillegg til potensielle koder, brukes pulskoder også i nettverk, når dataene er representert av en hel puls eller en del av den - en kant. Det enkleste tilfellet av denne tilnærmingen er bipolar pulskode , hvor en er representert av en puls med en polaritet, og null av en annen (fig. 29, c). Hver puls varer et halvt slag. Denne koden har utmerket selvsynkroniserende egenskaper, men en konstant komponent kan være tilstede, for eksempel ved overføring av en lang sekvens av enere eller nuller. I tillegg er spekteret bredere enn potensielle koder. Når du sender alle nuller eller enere, vil frekvensen til den grunnleggende harmoniske til koden være lik N Hz, som er to ganger høyere enn den grunnleggende harmoniske til NRZ-koden og fire ganger høyere enn den grunnleggende harmoniske til AMI-koden når du sender vekslende enere og nuller. På grunn av det for brede spekteret, brukes den bipolare pulskoden sjelden.

I lokale nettverk Inntil nylig var den vanligste kodemetoden den såkalte Manchester-kode (Fig. 29, d). Den brukes i Ethernet- og Token Ring-teknologier.

Manchester-koden bruker en potensiell forskjell, det vil si kanten av en puls, for å kode enere og nuller. Med Manchester-koding er hver takt delt inn i to deler. Informasjon er kodet av potensielle fall som oppstår i midten av hver klokkesyklus. Den ene er kodet av en flanke fra lavt til høyt signalnivå, og null er kodet av en omvendt flanke. I begynnelsen av hver klokkesyklus kan det oppstå et overheadsignalfall hvis du må representere flere enere eller nuller på rad. Siden signalet endres minst én gang per overføringssyklus på en databit, har Manchester-koden god selvsynkroniserende egenskaper. Båndbredden til Manchester-koden er smalere enn den for den bipolare pulsen. Den har heller ingen likestrømskomponent, og den grunnleggende harmoniske i verste fall (ved overføring av en sekvens av enere eller nuller) har en frekvens på N Hz, og i beste tilfelle (ved overføring av alternerende enere og nuller) er den lik N / 2 Hz, som AMI eller NRZ I gjennomsnitt er båndbredden til Manchester-koden en og en halv gang smalere enn den for den bipolare pulskoden, og den fundamentale harmoniske svinger rundt verdien på 3N/4. Manchester-koden har en annen fordel fremfor den bipolare pulskoden. Sistnevnte bruker tre signalnivåer for dataoverføring, mens Manchester-en bruker to.

I fig. 29, d viser en potensiell kode med fire signalnivåer for koding av data. Dette er en 2B1Q-kode, hvis navn gjenspeiler essensen - hver annen bit (2B) sendes i en klokkesyklus av et signal med fire tilstander (1Q). Bitpar 00 tilsvarer et potensial på -2,5 V, bitpar 01 tilsvarer et potensial på -0,833 V, par 11 tilsvarer et potensial på +0,833 V, og par 10 tilsvarer et potensial på +2,5 V. Med denne kodingen metode, er det nødvendig med ytterligere tiltak for å bekjempe lange sekvenser av identiske bitpar, siden signalet i dette tilfellet blir til en konstant komponent. Med tilfeldig sammenfletting av biter er signalspekteret dobbelt så smalt som for NRZ-koden, siden klokkens varighet dobles med samme bithastighet. Dermed kan du ved å bruke 2B1Q-koden overføre data over samme linje dobbelt så raskt som å bruke AMI- eller NRZI-koden. Men for å implementere det, må sendereffekten være høyere slik at de fire nivåene tydelig skilles av mottakeren mot bakgrunnen av interferens.

Side 27 fra 27 Fysisk grunnlag for dataoverføring(Kommunikasjonslinjer,)

Fysisk grunnlag for dataoverføring

Enhver nettverksteknologi må sikre pålitelig og rask overføring av diskrete data over kommunikasjonslinjer. Selv om det er store forskjeller mellom teknologiene, er de basert på vanlige prinsipper for diskret dataoverføring. Disse prinsippene er nedfelt i metoder for å representere binære enere og nuller ved bruk av pulsede eller sinusformede signaler i kommunikasjonslinjer av forskjellig fysisk natur, feildeteksjons- og korrigeringsmetoder, komprimeringsmetoder og svitsjemetoder.

Linjerkommunikasjon

Primære nettverk, linjer og kommunikasjonskanaler

Når man skal beskrive teknisk system, som overfører informasjon mellom nettverksnoder, kan flere navn finnes i litteraturen: kommunikasjonslinje, sammensatt kanal, kanal, link. Ofte brukes disse begrepene om hverandre, og i mange tilfeller skaper dette ikke problemer. Samtidig er det spesifikasjoner i bruken deres.

Link(link) er et segment som gir dataoverføring mellom to nabonettverksnoder. Det vil si at koblingen ikke inneholder mellomliggende svitsje- og multipleksingsenheter.

Kanal(kanal) betegner oftest den delen av koblingsbåndbredden som brukes uavhengig under bytte. For eksempel kan en primær nettverkslink bestå av 30 kanaler, som hver har en kapasitet på 64 Kbps.

Sammensatt kanal(krets) er en bane mellom to endenoder i et nettverk. En sammensatt kanal dannes av individuelle mellomledd og interne forbindelser i brytere. Ofte er epitetet "kompositt" utelatt og begrepet "kanal" brukes for å referere til både en sammensatt kanal og en kanal mellom nabonoder, det vil si innenfor en kobling.

Kommunikasjonslinje kan brukes som et synonym for alle de tre andre begrepene.

I fig. to kommunikasjonslinjealternativer vises. I det første tilfellet ( EN) linjen består av et flere titalls meter langt kabelsegment og er et ledd. I det andre tilfellet (b) er kommunikasjonslinjen en sammensatt kanal utplassert i et kretssvitsjet nettverk. Et slikt nettverk kan være primærnettverk eller telefonnett.

Men for datanettverk denne linjen representerer en kobling, siden den kobler sammen to tilstøtende noder, og alt svitsje-mellomutstyr er gjennomsiktig for disse nodene. Årsaken til gjensidig misforståelse på vilkårsnivå mellom dataspesialister og primære nettverksspesialister er åpenbar her.

Primære nettverk er spesielt opprettet for å tilby dataoverføringskanaltjenester for data- og telefonnettverk, som i slike tilfeller sies å fungere "på toppen" av primærnettverk og er overleggsnettverk.

Klassifisering av kommunikasjonslinjer

Kommunikasjonslinje består vanligvis av et fysisk medium som elektriske informasjonssignaler, dataoverføringsutstyr og mellomutstyr overføres gjennom. Det fysiske mediet for dataoverføring (fysiske lagringsmedier) kan være en kabel, det vil si et sett med ledninger, isolerende og beskyttende hylster og koblinger, samt jordas atmosfære eller ytre rom som elektromagnetiske bølger forplanter seg gjennom.

I det første tilfellet snakker vi om kablet miljø, og i den andre - ca trådløst.

I moderne telekommunikasjonssystemer overføres informasjon ved hjelp av elektrisk strøm eller spenning, radiosignaler eller lyssignaler- alle disse fysiske prosessene representerer oscillasjoner av det elektromagnetiske feltet av forskjellige frekvenser.

Kablede (luftledninger). koblinger er ledninger uten isolerende eller skjermende fletting, lagt mellom stolper og hengende i luften. Selv i den siste tiden var slike kommunikasjonslinjer de viktigste for overføring av telefon- eller telegrafsignaler. I dag blir kablede kommunikasjonslinjer raskt erstattet av kabellinjer. Men noen steder er de fortsatt bevart, og i mangel av andre muligheter blir de fortsatt brukt til overføring av datadata. Hastigheten og støyimmuniteten til disse linjene lar mye å være ønsket.

Kabellinjer har en ganske kompleks design. Kabelen består av ledere innelukket i flere lag med isolasjon: elektrisk, elektromagnetisk, mekanisk og muligens klimatisk. I tillegg kan kabelen utstyres med kontakter som lar deg raskt koble diverse utstyr til den. Det er tre hovedtyper av kabler som brukes i datanettverk (og telekommunikasjonsnettverk): kabler basert på tvunnede kobbertråder - uskjermet tvunnet par(Unscreened Twisted Pair, UTP) og skjermet tvunnet par(Shielded Twisted Pair, STP), koaksialkabler med kobberkjerne, fiberoptiske kabler. De to første typene kabler kalles også kobberkabler.

Radiokanaler Terrestrisk og satellittkommunikasjon dannes ved hjelp av en radiobølgesender og -mottaker. Det finnes et stort utvalg av typer radiokanaler, som varierer både i frekvensområdet som brukes og i kanalområdet. Kringkast radioband(lange, middels og korte bølger), også kalt AM-bånd, eller amplitudemodulasjonsområder (Amplitude Modulation, AM), gir langdistansekommunikasjon, men med lav dataoverføringshastighet. De raskeste kanalene er de som bruker svært høye frekvensområder(Very High Frequency, VHF), som frekvensmodulasjon (FM) brukes til. Brukes også til dataoverføring ultrahøye frekvensområder(Ultra High Frequency, UHF), også kalt mikrobølgebånd(over 300 MHz). Ved frekvenser over 30 MHz reflekteres ikke lenger signaler av jordens ionosfære, og stabil kommunikasjon krever direkte synlighet mellom sender og mottaker. Derfor brukes slike frekvenser enten av satellittkanaler, eller radiorelékanaler, eller lokale eller mobile nettverk, der denne betingelsen er oppfylt.

2 Funksjoner av det fysiske laget Representasjon av bits ved elektriske/optiske signaler Koding av bits Synkronisering av bits Overføring/mottak av bits over fysiske kommunikasjonskanaler Koordinering med det fysiske miljøet Overføringshastighet Rekkevidde Signalnivåer, kontakter I alle nettverksenheter Maskinvareimplementering (nettverksadaptere) ) Eksempel: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100m, 10Mbit/s, MII-kode, RJ-45

5 Dataoverføringsutstyr Omformer Melding - El. signal Encoder (komprimering, korreksjonskoder) Modulator Mellomutstyr Forbedring av kommunikasjonskvalitet - (Forsterker) Opprette en sammensatt kanal - (Switch) Kanalmultipleksing - (Multiplekser) (PA kan være fraværende i et LAN)

6 Hovedkarakteristikker for kommunikasjonslinjer Gjennomstrømning (protokoll) Pålitelighet for dataoverføring (protokoll) Utbredelsesforsinkelse Amplitude-frekvensrespons (AFC) Båndbreddedemping Støyimmunitet Krysstale ved nærenden av linjen Enhetskostnad

9 Dempning A – ett punkt på frekvensresponsen A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin desiBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin desiBel (dB) q Eksempel 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Dempning = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Eksempel 2: UTP cat 5 Dempning >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Typisk er A angitt for grunnfrekvensen til signalet = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Vanligvis er A angitt for hovedsignalets frekvens">

11 Støyimmunitet Fiberoptiske linjer Kabelledninger Kablede luftledninger Radiolinjer (Skjerming, vridning) Immunitet mot ekstern interferens Immunitet mot intern interferens Near-end crosstalk attenuation (NEXT) Fjern-ende crosstalk attenuation (FEXT) (FEXT - To par i én retning )

12 Near End Cross Talk-tap – NESTE For multi-par kabler NESTE = 10 logg Pout/Pin dB NESTE = NESTE (L) UTP 5: NESTE

13 Pålitelighet for dataoverføring Bit Error Rate – BER Sannsynlighet for databit korrupsjon Årsaker: ekstern og intern interferens, smal båndbredde Kamp: øker støyimmunitet, reduserer NEXT interferens, utvider båndbredde Twisted pair BER ~ Fiberoptisk kabel BER ~ Ingen ekstra beskyttelsesmidler :: korrigerende koder, protokoller med repetisjon

16 Twisted pair Twisted Pair (TP) folieskjerm flettet wire skjerm isolert wire ytre kappe UTP Unshielded Twisted Pair kategori 1, UTP kattepar i slire STP Skjermet Twisted Pair Typer Type 1…9 Hvert par har sin egen skjerm Hvert par har sitt eget trinn vendinger, din egen farge Støyimmunitet Kostnad Leggekompleksitet

18 Fiberoptikk Total intern refleksjon av en stråle ved grensesnittet mellom to medier n1 > n2 - (brytningsindeks) n1 n2 n2 - (brytningsindeks) n1 n2"> n2 - (brytningsindeks) n1 n2"> n2 - (brytningsindeks) n1 n2" title="18 Fiberoptikk Total intern refleksjon av en stråle ved grensen til to media n1 > n2 - (brytningsindeks) n1 n2"> title="18 Fiberoptikk Total intern refleksjon av en stråle ved grensesnittet mellom to medier n1 > n2 - (brytningsindeks) n1 n2"> !}

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

23 Optiske signalkilder Kanal: kilde - bærer - mottaker (detektor) Kilder LED (Light Emitting Diode) nm inkoherent kilde - MMF Halvleder laser koherent kilde - SMF - Strøm = f (t o) Detektorer Fotodioder, pin-dioder, skreddioder

25 strukturert kablingssystem - SCS First LAN - ulike kabler og topologier Forening av SCS-kabelsystemet - åpen LAN-kabelinfrastruktur (undersystemer, komponenter, grensesnitt) - uavhengighet fra nettverksteknologi- LAN-kabler, TV, sikkerhetssystemer, etc. - Universalkabling uten referanse til en spesifikk nettverksteknologi - Konstruktør

27 SCS-standarder (grunnleggende) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (USA) CENELEC EN50173 Ytelseskrav for generiske kablingsordninger (Europa) ISO/IEC IS Informasjonsteknologi - Generisk kabling for kabling i kundelokaler For hvert delsystem: Dataoverføringsmedium . Topologi Tillatte avstander (kabellengder) Brukertilkoblingsgrensesnitt. Kabler og koblingsutstyr. Gjennomstrømning (Ytelse). Installasjonspraksis (Horisontalt delsystem - UTP, stjerne, 100 m...)

28 Trådløs kommunikasjon Trådløs overføring Fordeler: bekvemmelighet, utilgjengelige områder, mobilitet. rask distribusjon... Ulemper: høy grad av interferens ( spesielle midler: koder, modulasjon...), kompleksitet ved bruk av enkelte områder Kommunikasjonslinje: sender - medium - mottaker LAN-karakteristikk ~ F(Δf, fн);

34 2. Mobiltelefoni Inndeling av territoriet i celler Gjenbruk av frekvenser Lav effekt (dimensjoner) I sentrum - basestasjon Europa - Globalt system for mobil - GSM Wireless telefonkommunikasjon 1. Radiostasjon med lav effekt - (håndsett-base, 300 m) DECT digital europeisk trådløs telekommunikasjonsroaming - bytter fra en kjernenettverk til den andre - basen mobilkommunikasjon

35 Satellittforbindelse Basert på en satellitt (reflektor-forsterker) Transceivere - transpondere H~50 MHz (1 satellitt ~ 20 transpondere) Frekvensområder: C. Ku, Ka C - Ned 3,7 - 4,2 GHz Opp 5,925-6,425 GHz Ku - Ned 11,7- 12,2 GHz opp 14,0–14,5 GHz Ka - Ned 17,7–21,7 GHz opp 27,5–30,5 GHz

36 Satellittkommunikasjon. Typer satellitter Satellittkommunikasjon: mikrobølge - siktlinje Geostasjonær Stor dekning Fast, Lav slitasje Repeater satellitt, kringkasting, lav pris, kostnad avhenger ikke av avstand, Øyeblikkelig tilkobling etablering (Mil) Tz=300ms Lav sikkerhet, Opprinnelig stor antenne (men VSAT) Midt-bane km Global Positioning System GPS - 24 satellitter Lav-bane km lav dekning lav latens Internett-tilgang

40 Spread Spectrum-teknikker Spesielle modulasjons- og kodeteknikker for trådløs kommunikasjon C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Effektreduksjon Støyimmunitet Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

To hovedtyper fysisk koding brukes - basert på et sinusformet bæresignal (analog modulering) og basert på en sekvens av rektangulære pulser (digital koding).

Analog modulasjon - for overføring av diskrete data over en kanal med smal båndbredde - telefonnettverk stemmefrekvenskanal (båndbredde fra 300 til 3400 Hz) En enhet som utfører modulasjon og demodulering - et modem.

Analoge modulasjonsmetoder

n amplitudemodulering (lav støyimmunitet, ofte brukt i forbindelse med fasemodulering);

n frekvensmodulering (kompleks teknisk implementering, vanligvis brukt i lavhastighetsmodem).

n fasemodulasjon.

Modulert signalspektrum

Potensiell kode- hvis diskrete data overføres med en hastighet på N bits per sekund, består spekteret av en konstant komponent med null frekvens og en uendelig rekke harmoniske med frekvensene f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., hvor f0 = N /2. Amplitudene til disse harmoniske avtar sakte - med koeffisienter på 1/3, 1/5, 1/7, ... fra amplituden f0. Spekteret til det resulterende potensielle kodesignalet ved overføring av vilkårlige data opptar et bånd fra en viss verdi nær 0 til omtrent 7f0. For en talefrekvenskanal oppnås den øvre grensen for overføringshastigheten for en dataoverføringshastighet på 971 biter per sekund, og den nedre grensen er uakseptabel for enhver hastighet, siden kanalbåndbredden starter ved 300 Hz. Det vil si at potensielle koder ikke brukes på talefrekvenskanaler.

Amplitudemodulasjon- spekteret består av en sinusoid med bærefrekvensen fc og to sideharmoniske fc+fm og fc-fm, der fm er endringsfrekvensen til informasjonsparameteren til sinusoiden, som sammenfaller med dataoverføringshastigheten ved bruk av to amplituder nivåer. FM-frekvensen bestemmer linjekapasiteten ved denne metoden koding. Med en liten modulasjonsfrekvens vil også signalspekterets bredde være liten (lik 2fm), og signalene vil ikke bli forvrengt av linjen hvis båndbredden er større enn eller lik 2fm. For en talefrekvenskanal er denne metoden akseptabel ved en dataoverføringshastighet på ikke høyere enn 3100 / 2 = 1550 biter per sekund.

Fase- og frekvensmodulasjon- Spekteret er mer komplekst, men symmetrisk, med et stort antall raskt avtagende harmoniske. Disse metodene er egnet for overføring over en talefrekvenskanal.

Quadrate Amplitude Modulation - fasemodulasjon med 8 faseforskyvningsverdier og amplitudemodulasjon med 4 amplitudeverdier. Ikke alle 32 signalkombinasjoner brukes.

Digital koding

Potensielle koder– for å representere logiske enere og nuller, brukes bare verdien av signalpotensialet, og dets fall, som formulerer fullførte pulser, tas ikke i betraktning.

Pulskoder– representere binære data enten som pulser med en viss polaritet, eller som en del av en puls - som en potensiell forskjell i en bestemt retning.

Krav til den digitale kodemetoden:

Ved samme bithastighet hadde den den minste spektrumbredden av det resulterende signalet (et smalere signalspektrum gjør det mulig å oppnå en høyere dataoverføringshastighet på samme linje; det er også et krav om fravær av en konstant komponent, at er, tilstedeværelsen likestrøm mellom sender og mottaker);

Forutsatt synkronisering mellom sender og mottaker (mottakeren må vite nøyaktig på hvilket tidspunkt for å lese nødvendig informasjon fra linjen, i lokale systemer - klokkelinjer, i nettverk - selvsynkroniserende koder, hvis signaler har instruksjoner for senderen om på hvilket tidspunkt det er nødvendig å utføre gjenkjenning av neste bit);

Har evnen til å gjenkjenne feil;

Det hadde lave implementeringskostnader.

Potensiell kode uten å gå tilbake til null. NRZ (Non Return to Zero). Signalet går ikke tilbake til null under klokkesyklusen.

Den er enkel å implementere, har god feilgjenkjenning på grunn av to skarpt forskjellige signaler, men har ikke egenskapen til synkronisering. Når du sender en lang sekvens av nuller eller enere, endres ikke signalet på linjen, slik at mottakeren ikke kan bestemme når dataene må leses på nytt. En annen ulempe er tilstedeværelsen av en lavfrekvent komponent, som nærmer seg null når du sender lange sekvenser av enere og nuller. Koden brukes sjelden i sin rene form; modifikasjoner brukes. Attraktivitet – lav frekvens fundamental harmonisk f0 = N /2.

Bipolar kodemetode med alternativ inversjon. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifikasjon av NRZ-metoden.

For å kode null brukes et nullpotensial, en logisk enhet kodes enten med et positivt potensial eller med et negativt, med potensialet til hver påfølgende enhet motsatt av potensialet til den forrige. Eliminerer delvis problemene med konstant komponent og mangel på selvsynkronisering. Ved overføring av en lang sekvens av enheter, en sekvens av multipolare pulser med samme spektrum som NRZ-koden sender en sekvens av vekslende pulser, det vil si uten en konstant komponent og en fundamental harmonisk N/2. Generelt resulterer bruk av AMI i smalere spektrum enn NRZ og derfor høyere koblingskapasitet. For eksempel, når du sender vekslende nuller og enere, har den grunnleggende harmoniske f0 en frekvens på N/4. Det er mulig å gjenkjenne feiloverføringer, men for å sikre pålitelig mottak er det nødvendig å øke effekten med ca. 3 dB, siden justeringer av signalnivå brukes.

Potensiell kode med inversjon på én. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) AMI-lignende kode med to signalnivåer. Når du sender en null, overføres potensialet til forrige syklus, og når du sender en ener, inverteres potensialet til det motsatte. Koden er praktisk i tilfeller der bruk av det tredje nivået ikke er ønskelig (optisk kabel).

To metoder brukes for å forbedre AMI, NRZI. Den første er å legge til redundante enheter i koden. Egenskapen til selvsynkronisering vises, den konstante komponenten forsvinner og spekteret smalner, men den nyttige gjennomstrømningen avtar.

En annen metode er å "blande" den innledende informasjonen slik at sannsynligheten for utseendet til enere og nuller på linjen blir nær - kryptering. Begge metodene er logisk koding, siden de ikke bestemmer formen på signalene på linjen.

Bipolar pulskode. En er representert av en puls med en polaritet, og null av en annen. Hver puls varer et halvt slag.

Koden har utmerkede selvsynkroniserende egenskaper, men når du sender en lang sekvens av nuller eller enere, kan det være en konstant komponent. Spekteret er bredere enn potensielle koder.

Manchester-kode. Den vanligste koden som brukes i Ethernet-nettverk, Token Ring.

Hvert tiltak er delt i to deler. Informasjon er kodet av potensielle fall som oppstår midt i en klokkesyklus. En ener er kodet av et fall fra et lavt signalnivå til et høyt, og en null kodes av et reversert fall. Ved begynnelsen av hver klokkesyklus kan et servicesignalfall oppstå hvis flere enere eller nuller må representeres på rad. Koden har utmerkede selvsynkroniserende egenskaper. Båndbredden er smalere enn for en bipolar puls; det er ingen konstant komponent, og den grunnleggende harmoniske har i verste fall en frekvens på N, og i beste fall - N/2.

Potensiell kode 2B1Q. Hver to bit blir overført i en klokkesyklus av et fire-tilstandssignal. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Ytterligere midler kreves for å håndtere lange sekvenser av identiske bitpar. Med tilfeldig alternering av biter er spekteret dobbelt så smalt som for NRZ, siden klokkens varighet dobles med samme bithastighet, det vil si at det er mulig å overføre data over samme linje dobbelt så raskt som å bruke AMI, NRZI , men trengte høy effekt sender.

Logisk koding

Designet for å forbedre potensielle koder som AMI, NRZI, 2B1Q, og erstatte lange sekvenser av biter som fører til et konstant potensial med ispedd enheter. To metoder brukes - redundant koding og scrambling.

Redundante koder er basert på å bryte den opprinnelige sekvensen av biter i deler, som ofte kalles symboler, hvoretter hvert originale symbol erstattes av et nytt som har flere biter enn originalen.

4B/5B-koden erstatter sekvenser på 4 biter med sekvenser på 5 biter. Da får du i stedet for 16 bits kombinasjoner 32. Av disse er 16 valgt som ikke inneholder et stort antall nuller, resten regnes som kodebrudd. I tillegg til å eliminere DC-komponenten og gjøre koden selvsynkroniserende, lar redundante koder mottakeren gjenkjenne ødelagte biter. Hvis mottakeren mottar forbudte koder, betyr det at signalet har blitt forvrengt på linjen.

Denne koden overføres over linjen ved bruk av fysisk koding ved bruk av en potensiell kodingsmetode som bare er følsom for lange sekvenser med nuller. Koden garanterer at det ikke vil være mer enn tre nuller på rad på linjen. Det finnes andre koder, for eksempel 8B/6T.

For å sikre spesifisert gjennomstrømning, må senderen operere med en høyere klokkefrekvens (for 100 Mb/s - 125 MHz). Signalspekteret utvides sammenlignet med det originale, men forblir smalere enn Manchester-kodespekteret.

Scrambling - blande data med en scrambler før overføring fra linjen.

Krypteringsmetoder involverer bit-for-bit-beregning av resultatkoden basert på bitene i kildekoden og bitene av resultatkoden oppnådd i tidligere klokkesykluser. For eksempel,

B i = A i xor B i -3 xor B i -5 ,

hvor B i er binærsifferet til den resulterende koden oppnådd ved den i-te klokkesyklusen til scrambleren, A i er binærsifferet til kildekoden mottatt ved den i-te klokkesyklusen ved inngangen til scrambleren, B i -3 og B i -5 er de binære sifrene til den resulterende koden , oppnådd i tidligere arbeidssykluser.

For sekvensen 110110000001 vil scrambleren gi 110001101111, det vil si at det ikke vil være noen sekvens med seks påfølgende nuller.

Etter å ha mottatt den resulterende sekvensen, vil mottakeren sende den til descrambleren, som vil bruke den inverse transformasjonen

C i = B i xor B i-3 xor B i-5 ,

Ulike krypteringssystemer er forskjellige i antall termer og skiftet mellom dem.

Det er mer enkle metoder bekjempe sekvenser av nuller eller enere, som også er klassifisert som scrambling-metoder.

For å forbedre bipolar AMI brukes følgende:

B8ZS (bipolar med 8-null-substitusjon) – korrigerer kun sekvenser som består av 8 nuller.

For å gjøre dette, etter de tre første nullene, i stedet for de resterende fem, setter han inn fem signaler V-1*-0-V-1*, hvor V betegner et ett-signal som er forbudt for en gitt polaritetssyklus, det vil si, et signal som ikke endrer polariteten til den forrige, 1* - enhetssignalet har riktig polaritet, og stjernetegnet markerer det faktum at i kildekoden var det ikke en enhet i denne klokkesyklusen, men en null . Som et resultat, ved 8 klokkesykluser, observerer mottakeren 2 forvrengninger - det er svært usannsynlig at dette skjedde på grunn av støy på linjen. Derfor anser mottakeren slike brudd som en koding av 8 påfølgende nuller. I denne koden er konstantkomponenten null for en hvilken som helst sekvens av binære sifre.

HDB3-koden korrigerer alle fire påfølgende nuller i den opprinnelige sekvensen. Hver fjerde null erstattes av fire signaler, som det er ett V-signal i. For å undertrykke DC-komponenten, veksles polariteten til V-signalet i suksessive utskiftninger. I tillegg brukes to mønstre med firesykluskoder for utskifting. Hvis før utskifting kilde inneholdt et oddetall enheter, så brukes sekvensen 000V, og hvis antall enheter var partall, brukes sekvensen 1*00V.

Forbedrede potensielle koder har en ganske smal båndbredde for alle sekvenser av nuller og ener som forekommer i de overførte dataene.

Ved overføring av diskrete data over kommunikasjonskanaler benyttes to hovedtyper fysisk koding – basert på sinusformet bæresignal og basert på en sekvens av rektangulære pulser. Den første metoden kalles ofte også modulasjon eller analog modulasjon, og understreker det faktum at koding utføres ved å endre parametrene til det analoge signalet. Den andre metoden kalles vanligvis digital koding. Disse metodene er forskjellige i bredden på spekteret til det resulterende signalet og kompleksiteten til utstyret som kreves for implementeringen.
Analog modulering brukes til å overføre diskrete data over kanaler med et smalt frekvensbånd, en typisk representant for dette er talefrekvenskanalen som gis til brukere av offentlige telefonnettverk. En typisk amplitude-frekvensrespons for en stemmefrekvenskanal er vist i fig. 2.12. Denne kanalen sender frekvenser i området fra 300 til 3400 Hz, så båndbredden er 3100 Hz. En enhet som utfører funksjonene til bærebølgesinusmodulasjon på sendersiden og demodulering på mottakersiden kalles et modem (modulator - demodulator).
Analoge modulasjonsmetoder
Analog modulering er en fysisk kodingsmetode der informasjon kodes ved å endre amplituden, frekvensen eller fasen til et sinusformet bæresignal.
Diagrammet (fig. 2.13, a) viser en sekvens av biter av den opprinnelige informasjonen, representert av høynivåpotensialer for en logisk enhet og et nullnivåpotensial for logisk null. Denne kodingsmetoden kalles potensiell kode, som ofte brukes ved overføring av data mellom dataenheter.
Med amplitudemodulasjon (fig. 2.13, b) velges ett nivå av amplituden til bærefrekvensen sinusoid for en logisk enhet, og et annet for logisk null. Denne metoden brukes sjelden i sin rene form i praksis på grunn av lav støyimmunitet, men brukes ofte i kombinasjon med en annen type modulasjon - fasemodulering.
Med frekvensmodulasjon (fig. 2.13, c) overføres verdiene 0 og 1 av kildedataene av sinusoider med forskjellige frekvenser - f0 og f1. Denne modulasjonsmetoden krever ikke komplekse kretser i modemer og brukes vanligvis i lavhastighetsmodem som opererer med 300 eller 1200 bps.
Med fasemodulering tilsvarer dataverdiene 0 og 1 signaler med samme frekvens, men med forskjellige faser, for eksempel 0 og 180 grader eller 0,90,180 og 270 grader.
Høyhastighetsmodem bruker ofte kombinerte modulasjonsmetoder, vanligvis amplitude kombinert med fase.
Når du bruker rektangulære pulser for å overføre diskret informasjon, er det nødvendig å velge en kodemetode som samtidig oppnår flere mål:
· hadde den minste spektrumbredden til det resulterende signalet med samme bithastighet;
· sikret synkronisering mellom sender og mottaker;
· hadde evnen til å gjenkjenne feil;
· hadde lave salgskostnader.
Et smalere spekter av signaler gjør at en og samme linje (med samme båndbredde) kan oppnå en høyere dataoverføringshastighet. I tillegg kreves det ofte at signalspekteret ikke har noen likestrømskomponent, det vil si tilstedeværelsen av en likestrøm mellom sender og mottaker. Spesielt forhindrer bruken av forskjellige galvaniske isolasjonskretser for transformatorer passering av likestrøm.
Synkronisering av sender og mottaker er nødvendig slik at mottakeren vet nøyaktig på hvilket tidspunkt det er nødvendig å lese ny informasjon fra kommunikasjonslinjen.
Gjenkjenning og korrigering av forvrengte data er vanskelig å utføre ved hjelp av det fysiske laget, så oftest utføres dette arbeidet av protokollene som ligger ovenfor: kanal, nettverk, transport eller applikasjon. På den annen side, feilgjenkjenning på fysisk nivå sparer tid, siden mottakeren ikke venter på at rammen skal plasseres helt i bufferen, men forkaster den umiddelbart når den gjenkjenner feilaktige biter i rammen.
Kravene til kodingsmetoder er gjensidig motstridende, derfor har hver av de populære digitale kodingsmetodene diskutert nedenfor sine egne fordeler og ulemper sammenlignet med andre.