Baza fizică a transmiterii datelor. Metode de transmitere a datelor la nivel fizic. Baza fizică a transmiterii datelor

7. NIVEL DE TRANSMISIE DE DATE FIZICE

7.2. Metode discrete de transfer de date

La transmiterea datelor discrete pe canalele de comunicație, sunt utilizate două tipuri principale de codare fizică - bazată pe un semnal purtător sinusoidal și pe o secvență de impulsuri dreptunghiulare. Prima metodă este adesea numită modulare sau modulație analogică , subliniind faptul că codificarea se realizează prin modificarea parametrilor semnalului analogic. A doua metodă este numită codificare digitală . Aceste metode diferă prin lățimea spectrului semnalului rezultat și complexitatea echipamentului necesar pentru implementarea lor.

Când se utilizează impulsuri dreptunghiulare, spectrul semnalului rezultat este foarte larg. Utilizarea unei unde sinusoidale are ca rezultat un spectru mai îngust la aceeași rată de transfer de informații. Cu toate acestea, pentru a implementa modularea, este nevoie de echipamente mai complexe și mai costisitoare decât pentru a implementa impulsuri dreptunghiulare.

În prezent, din ce în ce mai mult, datele care au fost inițial în formă analogică - vorbire, imagini de televiziune - sunt transmise pe canalele de comunicație în formă discretă, adică ca o secvență de unu și zero. Procesul de reprezentare a informațiilor analogice în formă discretă se numește modulație discretă .

Modulația analogică este utilizată pentru a transmite date discrete pe canale cu o bandă de frecvență îngustă - canal de voce-frecvență (rețele publice de telefonie). Acest canal transmite frecvențe în intervalul de la 300 la 3400 Hz, deci lățimea de bandă este de 3100 Hz.

Un dispozitiv care îndeplinește funcțiile de modulare sinusoidală purtătoare pe partea de transmisie și demodulare pe partea de recepție se numește modem (modulator-demodulator).

Modulația analogică este o metodă de codare fizică în care informațiile sunt codificate prin modificarea amplitudinii, frecvenței sau fazei unui semnal sinusoidal. frecvență purtătoare(Fig. 27).

La modulație de amplitudine (Fig. 27, b) pentru o unitate logică este selectat un nivel al amplitudinii sinusoidei frecvenței purtătoare, iar pentru un zero logic - altul. Această metodă este rareori folosită în forma sa pură în practică, datorită imunității scăzute la zgomot, dar este adesea folosită în combinație cu un alt tip de modulație - modulația de fază.

La modulația de frecvență (Fig. 27, c) valorile 0 și 1 ale datelor sursă sunt transmise prin sinusoide cu frecvențe diferite - f 0 și f 1,. Această metodă de modulație nu necesită circuite complexe în modemuri și este utilizată în mod obișnuit în modemurile cu viteză redusă care funcționează la 300 sau 1200 bps.

La modularea fazei (Fig. 27, d) valorile datelor 0 și 1 corespund semnalelor de aceeași frecvență, dar cu faze diferite, de exemplu 0 și 180 de grade sau 0, 90, 180 și 270 de grade.

Modemurile de mare viteză folosesc adesea metode combinate de modulare, de obicei amplitudine combinată cu fază.

Orez. 27. Tipuri variate modulare

Spectrul semnalului modulat rezultat depinde de tipul și viteza de modulare.

Pentru codificarea potențială, spectrul este obținut direct din formulele Fourier pentru funcția periodică. Dacă datele discrete sunt transmise la o rată de biți de N biți/s, atunci spectrul constă dintr-o componentă constantă de frecvență zero și o serie infinită de armonici cu frecvențe f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., unde f 0 = N/2. Amplitudinile acestor armonice scad destul de lent - cu coeficienți de 1/3, 1/5, 1/7, ... din amplitudinea armonicii f 0 (Fig. 28, a). Ca rezultat, spectrul de cod potențial necesită o lățime de bandă largă pentru o transmisie de înaltă calitate. În plus, trebuie să țineți cont de faptul că, în realitate, spectrul semnalului se schimbă constant în funcție de natura datelor. Prin urmare, spectrul semnalului de cod potențial rezultat la transmiterea datelor arbitrare ocupă o bandă de la o anumită valoare apropiată de 0 Hz până la aproximativ 7f 0 (armonicele cu frecvențe peste 7f 0 pot fi neglijate datorită contribuției reduse a acestora la semnalul rezultat). Pentru un canal de voce, limita superioară pentru codificare potențială este atinsă la o rată de date de 971 bps. Ca rezultat, codurile potențiale de pe canalele vocale nu sunt niciodată folosite.

Cu modularea în amplitudine, spectrul constă dintr-o undă sinusoidală a frecvenței purtătoare f cuși două armonice laterale: (f c + f m) și ( f c – f m), unde f m – frecvența de modificare a parametrului informațional al sinusoidei, care coincide cu viteza de transmisie a datelor la utilizarea a două niveluri de amplitudine (Fig. 28, b). Frecvența f m determină capacitatea liniei pentru o anumită metodă de codare. La o frecvență de modulație scăzută, lățimea spectrului de semnal va fi, de asemenea, mică (egal cu 2f m ), astfel încât semnalele nu vor fi distorsionate de o linie dacă lățimea de bandă este mai mare sau egală cu 2f m . Pentru un canal de frecvență vocală, această metodă de modulare este acceptabilă la o rată de transfer de date de cel mult 3100/2=1550 bps. Dacă sunt utilizate 4 niveluri de amplitudine pentru a prezenta datele, atunci capacitatea canalului crește la 3100 bps.

Orez. 28. Spectre de semnale în timpul codificării potențiale

și modulația de amplitudine

Cu modulația de fază și frecvență, spectrul semnalului este mai complex decât cu modulația de amplitudine, deoarece aici se formează mai mult de două armonici laterale, dar sunt și situate simetric față de frecvența purtătoarei principale, iar amplitudinile lor scad rapid. Prin urmare, aceste tipuri de modulație sunt, de asemenea, potrivite pentru transmisia de date pe un canal de voce.

La codificarea digitală a informațiilor discrete, se folosesc coduri de potențial și impuls. În codurile potențiale, doar valoarea potențială a semnalului este utilizată pentru a reprezenta cele logice și zerouri, iar marginile acestuia nu sunt luate în considerare. Codurile de impulsuri vă permit să reprezentați date binare fie ca impulsuri cu o anumită polaritate, fie ca parte a unui impuls - o diferență de potențial într-o anumită direcție.

Atunci când utilizați impulsuri dreptunghiulare pentru a transmite informații discrete, este necesar să alegeți o metodă de codare care atinge simultan mai multe obiective:

· a avut cea mai mică lățime de spectru a semnalului rezultat la aceeași rată de biți;

· asigurat sincronizarea între emițător și receptor;

· avea capacitatea de a recunoaște greșelile;

· avea un preț de vânzare scăzut.

Un spectru mai restrâns de semnale permite rate mai mari de transfer de date pe aceeași linie. Adesea, spectrul semnalului este necesar să nu aibă componentă DC.

Sincronizarea emițătorului și receptorului este necesară pentru ca receptorul să știe exact în ce moment este necesar să citească informații noi de pe linia de comunicație. Această problemă este mai dificil de rezolvat în rețele decât atunci când se schimbă date între dispozitive aflate în apropiere, de exemplu, între unitățile din interiorul unui computer sau între un computer și o imprimantă. Prin urmare, rețelele folosesc așa-numitele coduri de auto-sincronizare, ale căror semnale poartă instrucțiuni pentru transmițător despre momentul în care următorul bit (sau mai mulți biți) ar trebui recunoscuți. Orice schimbare bruscă a semnalului - așa-numita margine - poate servi ca un bun indiciu pentru sincronizarea receptorului cu transmițătorul.

Când se utilizează sinusoide ca semnal purtător, codul rezultat are proprietatea de auto-sincronizare, deoarece modificarea amplitudinii frecvenței purtătoare permite receptorului să determine momentul în care apare codul de intrare.

Cerințele pentru metodele de codificare sunt reciproc contradictorii, prin urmare fiecare dintre metodele de codificare digitală populare discutate mai jos are propriile avantaje și dezavantaje în comparație cu altele.

În fig. 29, a prezintă metoda potențială de codificare, numită și codificare fără a reveni la zero (Non Întoarce-te la Zero, NRZ) . Numele de familie reflectă faptul că la transmiterea unei secvențe de unități, semnalul nu revine la zero în timpul ciclului de ceas. Metoda NRZ este ușor de implementat, are o recunoaștere bună a erorilor (datorită a două potențiale puternic diferite), dar nu are proprietatea de auto-sincronizare. La transmiterea unei secvențe lungi de unu sau zero, semnalul pe linie nu se modifică, astfel încât receptorul nu poate determina din semnalul de intrare momentele în timp în care este necesară citirea datelor. Chiar și cu un generator de ceas de înaltă precizie, receptorul poate face o greșeală cu momentul colectării datelor, deoarece frecvențele celor două generatoare nu sunt niciodată complet identice. Prin urmare, la rate mari de date și secvențe lungi de unu sau zero, o nepotrivire mică a ceasului poate duce la o eroare a unui întreg ciclu de ceas și, în consecință, la citirea unei valori incorecte a biților.

Un alt dezavantaj serios al metodei NRZ este prezența unei componente de joasă frecvență care se apropie de zero atunci când transmit secvențe lungi de unu sau zero. Din această cauză, multe canale de comunicație care nu asigură o conexiune galvanică directă între receptor și sursă nu acceptă acest tip de codare. Drept urmare, codul NRZ în forma sa pură nu este utilizat în rețele. Cu toate acestea, sunt utilizate diversele sale modificări, care elimină atât autosincronizarea slabă a codului NRZ, cât și prezența unei componente constante. Atractivitatea codului NRZ, care merită îmbunătățirea acestuia, este frecvența destul de scăzută a armonicii fundamentale f 0, care este egală cu N/2 Hz. În alte metode de codificare, cum ar fi Manchester, armonica fundamentală are o frecvență mai mare.

Orez. 29. Metode de codificare a datelor discrete

Una dintre modificările metodei NRZ este metoda codificare bipolară cu inversare alternativă (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). Această metodă (Fig. 29, b) utilizează trei niveluri potențiale - negativ, zero și pozitiv. Pentru a codifica un zero logic, se folosește un potențial zero, iar unul logic este codificat fie de un potențial pozitiv, fie de unul negativ, potențialul fiecărei unități noi fiind opus potențialului precedent.

Codul AMI elimină parțial DC și lipsa problemelor de auto-sincronizare inerente codului NRZ. Acest lucru se întâmplă la transmiterea unor secvențe lungi. În aceste cazuri, semnalul pe linie este o secvență de impulsuri polarizate opus cu același spectru ca și codul NRZ, care transmit alternativ zero și unu, adică fără componentă constantă și cu o armonică fundamentală de N/2 Hz (unde N este rata de biți a transferului de date). Secvențele lungi de zerouri sunt la fel de periculoase pentru codul AMI ca și pentru codul NRZ - semnalul degenerează într-un potențial constant de amplitudine zero. Prin urmare, codul AMI necesită îmbunătățiri suplimentare.

În general, pentru diferite combinații de biți pe o linie, utilizarea codului AMI are ca rezultat un spectru de semnal mai îngust decât codul NRZ și, prin urmare, mai mare lățime de bandă linii. De exemplu, la transmiterea unora și zerouri alternative, armonica fundamentală f 0 are o frecvență de N/4 Hz. Codul AMI oferă, de asemenea, unele capacități pentru recunoașterea semnalelor eronate. Astfel, o încălcare a alternanței stricte a polarității semnalului indică un impuls fals sau dispariția unui impuls corect din linie. Acest semnal este numit semnal interzis (semnal încălcare).

Codul AMI folosește nu două, ci trei niveluri de semnal pe linie. Stratul suplimentar necesită o creștere a puterii emițătorului de aproximativ 3 dB pentru a oferi aceeași fidelitate a biților pe linie, ceea ce este un dezavantaj comun al codurilor cu stări multiple de semnal în comparație cu codurile care disting doar două stări.

Există un cod similar cu AMI, dar cu doar două niveluri de semnal. La transmiterea unui zero, transmite potențialul care a fost setat în ciclul anterior (adică nu îl modifică), iar la transmiterea unui unu, potențialul este inversat la cel opus. Acest cod este numit cod potențial cu inversare la unu (Nu Întoarcere la Zero cu cele Inversat , NRZI ) . Acest cod este util în cazurile în care utilizarea unui al treilea nivel de semnal este extrem de nedorită, de exemplu, în cabluri optice, unde două stări de semnal sunt recunoscute în mod constant - lumină și umbră.

În plus față de codurile potențiale, codurile de impuls sunt, de asemenea, utilizate în rețele, atunci când datele sunt reprezentate de un impuls complet sau o parte din acesta - o margine. Cel mai simplu caz al acestei abordări este codul pulsului bipolar , în care unul este reprezentat printr-un impuls de o polaritate, iar zero printr-o alta (Fig. 29, c). Fiecare puls durează o jumătate de bătaie. Acest cod are excelent autosincronizante proprietăți, dar o componentă constantă poate fi prezentă, de exemplu, atunci când se transmite o secvență lungă de unu sau zero. În plus, spectrul său este mai larg decât cel al codurilor potențiale. Astfel, la transmiterea tuturor zerourilor sau unuurilor, frecvența armonicii fundamentale a codului va fi egală cu N Hz, care este de două ori mai mare decât armonica fundamentală a codului NRZ și de patru ori mai mare decât armonica fundamentală a codului AMI. la transmiterea alternante a unor şi zerouri. Datorită spectrului prea larg, codul pulsului bipolar este rar folosit.

ÎN rețele locale Până de curând, cea mai comună metodă de codare era așa-numita Codul Manchester (Fig. 29, d). Este folosit în tehnologiile Ethernet și Token Ring.

Codul Manchester folosește o diferență de potențial, adică marginea unui impuls, pentru a codifica unii și zerourile. Cu codificarea Manchester, fiecare măsură este împărțită în două părți. Informațiile sunt codificate de potențiale scăderi care apar la mijlocul fiecărui ciclu de ceas. Unul este codificat de o margine de la nivelul de semnal scăzut la cel ridicat, iar zero este codificat de o margine inversă. La începutul fiecărui ciclu de ceas, poate apărea o scădere a semnalului superior dacă trebuie să reprezentați mai multe uni sau zerouri la rând. Deoarece semnalul se schimbă cel puțin o dată pe ciclu de transmisie a unui bit de date, codul Manchester este bun autosincronizante proprietăți. Lățimea de bandă a codului Manchester este mai îngustă decât cea a pulsului bipolar. De asemenea, nu are componentă de curent continuu, iar armonica fundamentală în cel mai rău caz (când se transmite o secvență de uni sau zerouri) are o frecvență de N Hz, iar în cel mai bun caz (când se transmite alternant uni și zerouri) este egală cu N / 2 Hz, cum ar fi AMI sau NRZ În medie, lățimea de bandă a codului Manchester este de o ori și jumătate mai îngustă decât cea a codului de impuls bipolar, iar armonica fundamentală fluctuează în jurul valorii de 3N/4. Codul Manchester are un alt avantaj față de codul pulsului bipolar. Acesta din urmă utilizează trei niveluri de semnal pentru transmiterea datelor, în timp ce cel de la Manchester utilizează două.

În fig. 29, d arată un cod potențial cu patru niveluri de semnal pentru codificarea datelor. Acesta este un cod 2B1Q, al cărui nume reflectă esența sa - la fiecare doi biți (2B) sunt transmisi într-un ciclu de ceas de un semnal cu patru stări (1Q). Perechea de biți 00 corespunde unui potențial de -2,5 V, perechea de biți 01 corespunde unui potențial de -0,833 V, perechea 11 corespunde unui potențial de +0,833 V, iar perechea 10 corespunde unui potențial de +2,5 V. Cu această codificare metoda, sunt necesare măsuri suplimentare pentru a combate secvențele lungi de perechi de biți identice, deoarece în acest caz semnalul se transformă într-o componentă constantă. Cu intercalarea aleatorie a biților, spectrul semnalului este de două ori mai îngust decât cel al codului NRZ, deoarece la aceeași rată de biți durata ceasului este dublată. Astfel, folosind codul 2B1Q, puteți transfera date pe aceeași linie de două ori mai rapid decât folosind codul AMI sau NRZI. Cu toate acestea, pentru a o implementa, puterea emițătorului trebuie să fie mai mare, astfel încât cele patru niveluri să fie clar distinse de receptor pe fundalul interferenței.

Pagină 27 din 27 Baza fizică a transmiterii datelor(Linii de comunicație,)

Baza fizică a transmiterii datelor

Orice tehnologie de rețea trebuie să asigure o transmisie fiabilă și rapidă a datelor discrete prin linii de comunicație. Deși există diferențe mari între tehnologii, acestea se bazează pe principii comune ale transferului de date discret. Aceste principii sunt concretizate în metode de reprezentare a celor binare și zerouri folosind semnale pulsate sau sinusoidale în linii de comunicație de diferite naturi fizice, metode de detectare și corectare a erorilor, metode de compresie și metode de comutare.

Liniicomunicatii

Rețele primare, linii și canale de comunicație

Când descrii sistem tehnic, care transmite informații între nodurile de rețea, mai multe denumiri pot fi găsite în literatură: linie de comunicare, canal compus, canal, legătură. Adesea, acești termeni sunt folosiți interschimbabil și, în multe cazuri, acest lucru nu provoacă probleme. În același timp, există specificități în utilizarea lor.

Legătură(link) este un segment care asigură transferul de date între două noduri de rețea învecinate. Adică, legătura nu conține dispozitive intermediare de comutare și multiplexare.

Canal(canal) cel mai adesea denotă partea din lățimea de bandă a legăturii utilizată independent în timpul comutării. De exemplu, o legătură de rețea primară poate consta din 30 de canale, fiecare dintre ele având o capacitate de 64 Kbps.

Canal compozit(circuit) este o cale între două noduri de capăt ale unei rețele. Un canal compozit este format din legături intermediare individuale și conexiuni interne în comutatoare. Adesea, epitetul „compozit” este omis și termenul „canal” este folosit pentru a se referi atât la un canal compozit, cât și la un canal între nodurile învecinate, adică în cadrul unei legături.

Linie de comunicare poate fi folosit ca sinonim pentru oricare dintre ceilalți trei termeni.

În fig. sunt afișate două opțiuni de linie de comunicație. În primul caz ( A) linia este formată dintr-un segment de cablu lung de câteva zeci de metri și este o legătură. În al doilea caz (b), linia de comunicație este un canal compus desfășurat într-o rețea cu comutare de circuite. O astfel de rețea ar putea fi rețeaua primară sau reteaua telefonica.

Cu toate acestea pentru rețea de calculatoare această linie reprezintă o legătură, deoarece conectează două noduri adiacente și toate echipamentele intermediare de comutare sunt transparente pentru aceste noduri. Motivul neînțelegerii reciproce la nivelul termenilor dintre specialiștii în calculatoare și specialiștii în rețele primare este evident aici.

Rețelele primare sunt create special pentru a furniza servicii de canale de transmisie a datelor pentru rețelele de computere și de telefonie, care în astfel de cazuri se spune că funcționează „pe deasupra” rețelelor primare și sunt rețele de suprapunere.

Clasificarea liniilor de comunicare

Linie de comunicare constă în general dintr-un mediu fizic prin care sunt transmise semnale electrice de informare, echipamente de transmisie a datelor și echipamente intermediare. Mediul fizic pentru transmiterea datelor (medii fizice de stocare) poate fi un cablu, adică un set de fire, mantale izolatoare și de protecție și conectori de conectare, precum și atmosfera pământului sau spațiul exterior prin care se propagă undele electromagnetice.

În primul caz vorbim despre mediu cu fir, iar în al doilea – despre fără fir.

În sistemele moderne de telecomunicații, informațiile sunt transmise folosind curent electric sau tensiune, semnale radio sau semnale luminoase- toate aceste procese fizice reprezinta oscilatii ale campului electromagnetic de diverse frecvente.

Linii cablate (aeriene). conexiunile sunt fire fără nicio împletitură izolatoare sau de ecranare, așezate între stâlpi și suspendate în aer. Chiar și în trecutul recent, astfel de linii de comunicație erau principalele pentru transmiterea semnalelor telefonice sau telegrafice. Astăzi, liniile de comunicații cu fir sunt rapid înlocuite cu linii de cablu. Însă în unele locuri se mai păstrează și, în lipsa altor posibilități, continuă să fie folosite pentru transmiterea datelor informatice. Viteza și imunitatea la zgomot a acestor linii lasă mult de dorit.

Linii de cablu au un design destul de complex. Cablul este format din conductori inchisi in mai multe straturi de izolatie: electrica, electromagnetica, mecanica si, eventual, climatica. În plus, cablul poate fi echipat cu conectori care vă permit să conectați rapid diverse echipamente la el. Există trei tipuri principale de cablu utilizate în rețelele de calculatoare (și de telecomunicații): cabluri bazate pe perechi răsucite de fire de cupru - pereche răsucită neecranată(Pereche răsucită neprotejată, UTP) și pereche răsucită ecranată(Pereche răsucită ecranată, STP), cabluri coaxiale cu miez de cupru, cabluri de fibra optica. Primele două tipuri de cabluri se mai numesc cabluri de cupru.

Canale radio Comunicațiile terestre și prin satelit se formează folosind un transmițător și un receptor de unde radio. Există o mare varietate de tipuri de canale radio, care diferă atât în ​​domeniul de frecvență utilizat, cât și în domeniul canalului. Emite benzi de radio(unde lungi, medii și scurte), numite și benzi AM, sau domeniile de modulație a amplitudinii (modularea amplitudinii, AM), asigură comunicații pe distanțe lungi, dar la o rată scăzută de transfer de date. Cele mai rapide canale sunt cele care folosesc intervale de frecvență foarte înalte(Very High Frequency, VHF), pentru care se folosește modularea în frecvență (FM). Folosit și pentru transmiterea datelor intervale de frecvență ultra-înaltă(Ultra High Frequency, UHF), numit și benzi pentru microunde(peste 300 MHz). La frecvențe de peste 30 MHz, semnalele nu mai sunt reflectate de ionosfera Pământului, iar o comunicare stabilă necesită vizibilitate directă între emițător și receptor. Prin urmare, astfel de frecvențe sunt utilizate fie de canale prin satelit, fie de canale radio releu, fie local sau retele mobile, unde această condiție este îndeplinită.

2 Funcții ale stratului fizic Reprezentarea biților prin semnale electrice/optice Codificarea biților Sincronizarea biților Transmiterea/recepția biților pe canalele de comunicație fizică Coordonare cu mediul fizic Viteza de transmisie Interval Niveluri de semnal, conectori În toate dispozitivele de rețea Implementare hardware (adaptoare de rețea) ) Exemplu: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohmi, 100 m, 10 Mbit/s, cod MII, RJ-45

5 Echipament de transmisie a datelor Convertor Mesaj - El. Codificator de semnal (compresie, coduri de corecție) Modulator Echipament intermediar Îmbunătățirea calității comunicației - (Amplificator) ​​Crearea unui canal compus - (Comutator) Multiplexare canale - (Multiplexor) (PA poate fi absent într-o rețea LAN)

6 Principalele caracteristici ale liniilor de comunicație Debit (protocol) Fiabilitatea transmisiei de date (protocol) Întârziere de propagare Răspuns amplitudine-frecvență (AFC) Atenuare lățime de bandă Imunitate la zgomot Diafonie la capătul apropiat al liniei Cost unitar

9 Atenuare A – un punct pe răspunsul în frecvență A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Exemplul 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Atenuare = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Exemplul 2: UTP cat 5 Atenuare >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M De obicei este indicat A pentru frecvența fundamentală a semnalului = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M De obicei, A este indicat pentru frecvența semnalului principal">

11 Imunitate la zgomot Linii de fibră optică Linii de cablu Linii aeriene cablate Linii radio (Ecranare, răsucire) Imunitate la interferențe externe Imunitate la interferențe interne Atenuare a diafoniei la capătul apropiat (NEXT) Atenuarea diafoniei la capătul îndepărtat (FEXT) (FEXT - Două perechi într-o direcție )

12 Near End Cross Talk Pierde – NEXT Pentru cabluri cu mai multe perechi NEXT = 10 log Pout/Pin dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Fiabilitatea transmisiei datelor Rata de eroare – BER Probabilitatea coruperii biților de date Cauze: interferențe externe și interne, lățime de bandă îngustă Luptă: creșterea imunității la zgomot, reducerea interferențelor NEXT, extinderea lățimii de bandă Pereche răsucită BER ~ Cablu fibră optică BER ~ Fără mijloace suplimentare de protecție :: coduri corective, protocoale cu repetare

16 Pereche răsucită Pereche răsucită (TP) Ecran de folie Ecran de sârmă împletită Înveliș exterior de sârmă izolată UTP Pereche răsucită neecranată categoria 1, perechi UTP Cat în manta Tipuri de perechi răsucite ecranate STP Tip 1...9 Fiecare pereche are propriul ecran Fiecare pereche are propriul pas răsturnări, propria ta culoare Imunitate la zgomot Cost Complexitatea așezării

18 Fibră optică Reflexia internă totală a unui fascicul la interfața a două medii n1 > n2 - (indice de refracție) n1 n2 n2 - (indice de refracție) n1 n2"> n2 - (indice de refracție) n1 n2"> n2 - (indice de refracție) n1 n2" title="18 Fibră optică Reflexia internă totală a unui fascicul la limita a două media n1 > n2 - (indicele de refracție) n1 n2"> title="18 Fibră optică Reflexia internă totală a unui fascicul la interfața a două medii n1 > n2 - (indice de refracție) n1 n2"> !}

22 Cablu fibră optică 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 Surse de semnal optic Canal: sursă - purtătoare - receptor (detector) Surse LED (Light Emitting Diode) nm sursă incoerentă - MMF Sursă coerentă laser semiconductor - SMF - Putere = f (t o) Detectoare Fotodiode, diode cu pini, diode avalanșă

25 Sistem de cablare structurată – SCS First LAN – diverse cabluriși topologii Unificarea sistemului de cablu SCS - infrastructură deschisă de cablu LAN (subsisteme, componente, interfețe) - independență față de tehnologie de rețea- Cabluri LAN, TV, sisteme de securitate etc. - cablare universală fără referire la o anumită tehnologie de rețea - Constructor

27 Standarde SCS (de bază) EIA/TIA-568A Standard de cablare pentru telecomunicații pentru clădiri comerciale (SUA) CENELEC EN50173 Cerințe de performanță ale schemelor generice de cablare (Europa) ISO/IEC IS Tehnologia informației - Cablare generică pentru cablarea sediului clientului Pentru fiecare subsistem: Mediu de transmisie a datelor . Topologie Distanţe admisibile (lungimi de cablu) Interfaţă de conectare utilizator. Cabluri și echipamente de conectare. Debit (performanță). Practică de instalare (Subsistem orizontal - UTP, stea, 100 m...)

28 Comunicații fără fir Transmisie fără fir Avantaje: confort, zone inaccesibile, mobilitate. implementare rapidă... Dezavantaje: nivel ridicat de interferență ( mijloace speciale: coduri, modulaţie...), complexitatea utilizării unor game Linie de comunicaţie: emiţător - mediu - receptor Caracteristici LAN ~ F(Δf, fн);

34 2. Telefonie celulară Împărțirea teritoriului în celule Reutilizarea frecvențelor Putere redusă (dimensiuni) În centru - stație de bază Europa - Sistem global pentru mobil - GSM Wireless comunicatii telefonice 1. Stație radio de putere redusă - (bază receptor, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - comutare de la unul rețea centrală la celălalt - baza comunicatii celulare

35 Conexiune prin satelit Bazat pe un satelit (reflector-amplificator) Transceiver - transpondere H~50 MHz (1 satelit ~ 20 transpondere) Game de frecvență: C. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 GHz Up 5,925-6,425 GHz Ku - Down 11,7- 12,2 GHz în sus 14,0-14,5 GHz Ka - în jos 17,7-21,7 GHz în sus 27,5-30,5 GHz

36 Comunicații prin satelit. Tipuri de sateliți Comunicații prin satelit: microunde - linie de vedere Geostaționar Acoperire mare Fix, uzură redusă Satelit repetitor, difuzare, cost redus, costul nu depinde de distanță, Stabilirea conexiunii instantanee (Mil) Tz=300ms Securitate scăzută, Antenă mare inițial (dar VSAT) Sistem de poziționare globală cu kilometri pe orbită medie GPS - 24 de sateliți Pe orbită joasă km acoperire scăzută latență redusă acces la Internet

40 Tehnici Spread Spectrum Tehnici speciale de modulare și codare pentru comunicații fără fir C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Reducerea puterii Imunitate la zgomot Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Sunt utilizate două tipuri principale de codare fizică - bazată pe un semnal purtător sinusoidal (modulație analogică) și bazată pe o secvență de impulsuri dreptunghiulare (codificare digitală).

Modulație analogică - pentru transmiterea de date discrete pe un canal cu o lățime de bandă îngustă - canal de frecvență vocală a rețelelor telefonice (lățime de bandă de la 300 la 3400 Hz) Un dispozitiv care efectuează modulare și demodulare - un modem.

Metode de modulație analogică

n modulație de amplitudine (imunitate la zgomot scăzut, adesea folosită împreună cu modularea de fază);

n modulație de frecvență (implementare tehnică complexă, utilizată de obicei în modemurile cu viteză redusă).

n modulare de fază.

Spectru de semnal modulat

Cod potențial- dacă datele discrete sunt transmise cu o viteză de N biți pe secundă, atunci spectrul este format dintr-o componentă constantă de frecvență zero și o serie infinită de armonici cu frecvențele f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., unde f0 = N /2. Amplitudinile acestor armonice scad lent - cu coeficienți de 1/3, 1/5, 1/7, ... din amplitudinea f0. Spectrul semnalului de cod potențial rezultat la transmiterea datelor arbitrare ocupă o bandă de la o anumită valoare apropiată de 0 până la aproximativ 7f0. Pentru un canal de frecvență vocală, limita superioară a ratei de transmisie este atinsă pentru o rată de transfer de date de 971 biți pe secundă, iar limita inferioară este inacceptabilă pentru orice viteză, deoarece lățimea de bandă a canalului începe de la 300 Hz. Adică, codurile potențiale nu sunt folosite pe canalele de frecvență vocală.

Modulație de amplitudine- spectrul este format dintr-o sinusoidă a frecvenței purtătoare fc și două armonici laterale fc+fm și fc-fm, unde fm este frecvența de modificare a parametrului informațional al sinusoidei, care coincide cu viteza de transmisie a datelor atunci când se utilizează două amplitudini niveluri. Frecvența fm determină capacitatea liniei la aceasta metoda codificare. Cu o frecvență de modulație mică, lățimea spectrului de semnal va fi, de asemenea, mică (egale cu 2fm), iar semnalele nu vor fi distorsionate de linie dacă lățimea de bandă este mai mare sau egală cu 2fm. Pentru un canal de frecvență vocală, această metodă este acceptabilă la o rată de transfer de date nu mai mare de 3100 / 2 = 1550 biți pe secundă.

Modulare de fază și frecvență- spectrul este mai complex, dar simetric, cu un număr mare de armonici în scădere rapidă. Aceste metode sunt potrivite pentru transmisia pe un canal de frecvență vocală.

Quadrate Amplitude Modulation - modulare de fază cu 8 valori de defazare și modulare de amplitudine cu 4 valori de amplitudine. Nu sunt folosite toate cele 32 de combinații de semnale.

Codare digitală

Codurile potențiale– pentru a reprezenta cele logice și zerouri se folosește doar valoarea potențialului semnal, iar picăturile acestuia, care formulează impulsuri finalizate, nu sunt luate în considerare.

Codurile pulsului– reprezintă date binare fie ca impulsuri cu o anumită polaritate, fie ca parte a unui impuls - ca diferență de potențial într-o anumită direcție.

Cerințe pentru metoda de codificare digitală:

La aceeași rată de biți, a avut cea mai mică lățime de spectru a semnalului rezultat (un spectru de semnal mai îngust face posibilă obținerea unei rate de transfer de date mai mari pe aceeași linie; există și o cerință pentru absența unei componente constante, că este, prezența curent continuuîntre emițător și receptor);

Sincronizarea asigurată între emițător și receptor (receptorul trebuie să știe exact în ce moment să citească informațiile necesare de pe linie, în sistemele locale - linii de ceas, în rețele - coduri de autosincronizare, ale căror semnale poartă instrucțiuni pentru transmițătorul despre momentul în care este necesar să se efectueze recunoașterea următorului bit);

Posedă capacitatea de a recunoaște greșelile;

A avut un cost redus de implementare.

Cod potențial fără a reveni la zero. NRZ (Non Return to Zero). Semnalul nu revine la zero în timpul ciclului de ceas.

Este ușor de implementat, are o recunoaștere bună a erorilor datorită a două semnale puternic diferite, dar nu are proprietatea de sincronizare. Când transmiteți o secvență lungă de zerouri sau unu, semnalul de pe linie nu se schimbă, astfel încât receptorul nu poate determina când datele trebuie citite din nou. Un alt dezavantaj este prezența unei componente de joasă frecvență, care se apropie de zero la transmiterea unor secvențe lungi de unu și zero. Codul este rareori folosit în forma sa pură; se folosesc modificări. Atractivitatea - frecventa joasa armonică fundamentală f0 = N /2.

Metoda de codare bipolară cu inversare alternativă. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modificarea metodei NRZ.

Pentru a codifica zero, se folosește un potențial zero, o unitate logică este codificată fie cu un potențial pozitiv, fie cu unul negativ, potențialul fiecărei unități ulterioare fiind opus potențialului precedent. Elimină parțial problemele de componentă constantă și lipsa de autosincronizare. În cazul transmiterii unei secvențe lungi de unități, o secvență de impulsuri multipolare cu același spectru ca și codul NRZ care transmite o secvență de impulsuri alternante, adică fără o componentă constantă și o armonică fundamentală N/2. În general, utilizarea AMI are ca rezultat un spectru mai îngust decât NRZ și, prin urmare, o capacitate de legătură mai mare. De exemplu, atunci când se transmit alternative zero și unu, armonica fundamentală f0 are o frecvență de N/4. Este posibil să recunoașteți transmisiile eronate, dar pentru a asigura o recepție fiabilă este necesar să creșteți puterea cu aproximativ 3 dB, deoarece sunt utilizate ajustări ale nivelului de semnal.

Cod potențial cu inversare la unu. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Cod asemănător AMI cu două nivele de semnal. La transmiterea unui zero, se transmite potenţialul ciclului anterior, iar la transmiterea unui unu, potenţialul este inversat. Codul este convenabil în cazurile în care utilizarea celui de-al treilea nivel nu este de dorit (cablu optic).

Două metode sunt folosite pentru a îmbunătăți AMI, NRZI. Primul este adăugarea de unități redundante la cod. Apare proprietatea de autosincronizare, componenta constantă dispare și spectrul se îngustează, dar debitul util scade.

O altă metodă este să „amesteci” informațiile inițiale, astfel încât probabilitatea de apariție a unor și zerouri pe linie să devină apropiată - amestecare. Ambele metode sunt codare logică, deoarece nu determină forma semnalelor pe linie.

Cod puls bipolar. Unul este reprezentat de un impuls de o polaritate, iar zero de o alta. Fiecare puls durează o jumătate de bătaie.

Codul are proprietăți excelente de auto-sincronizare, dar atunci când transmite o secvență lungă de zerouri sau unu, poate exista o componentă constantă. Spectrul este mai larg decât cel al codurilor potențiale.

Codul Manchester. Cel mai frecvent cod folosit în Rețele Ethernet, Token Ring.

Fiecare măsură este împărțită în două părți. Informațiile sunt codificate de potențiale scăderi care apar la mijlocul unui ciclu de ceas. Unul este codificat printr-o scădere de la un nivel scăzut al semnalului la unul ridicat, iar un zero este codificat printr-o scădere inversă. La începutul fiecărui ciclu de ceas, poate apărea o scădere a semnalului de serviciu dacă mai multe uni sau zerouri trebuie reprezentate pe rând. Codul are proprietăți excelente de auto-sincronizare. Lățimea de bandă este mai îngustă decât cea a unui impuls bipolar; nu există o componentă constantă, iar armonica fundamentală în cel mai rău caz are o frecvență de N, iar în cel mai bun caz - N/2.

Cod potențial 2B1Q. Fiecare doi biți sunt transmisi într-un ciclu de ceas printr-un semnal cu patru stări. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Sunt necesare mijloace suplimentare pentru a trata secvențe lungi de perechi de biți identice. Cu alternarea aleatorie a biților, spectrul este de două ori mai îngust decât cel al NRZ, deoarece la aceeași rată de biți, durata ceasului se dublează, adică este posibil să se transmită date pe aceeași linie de două ori mai rapid decât folosind AMI, NRZI , dar nevoie de mare putere transmiţător.

Codare logica

Conceput pentru a îmbunătăți codurile potențiale precum AMI, NRZI, 2B1Q, înlocuind secvențe lungi de biți care conduc la un potențial constant cu cei intercalate. Sunt utilizate două metode - codificare redundantă și codificare.

Coduri redundante se bazează pe împărțirea secvenței inițiale de biți în porțiuni, care sunt adesea numite simboluri, după care fiecare simbol original este înlocuit cu unul nou care are mai mulți biți decât originalul.

Codul 4B/5B înlocuiește secvențele de 4 biți cu secvențe de 5 biți. Apoi, în loc de combinații de 16 biți, obțineți 32. Dintre acestea, sunt selectate 16 care nu conțin un număr mare de zerouri, restul sunt considerate încălcări ale codului. În plus față de eliminarea componentei DC și de a face codul să se auto-sincronizeze, codurile redundante permit receptorului să recunoască biții corupti. Dacă receptorul primește coduri interzise, ​​înseamnă că semnalul a fost distorsionat pe linie.

Acest cod este transmis pe linie folosind codificare fizică folosind o metodă de codificare potențială care este sensibilă numai la secvențe lungi de zerouri. Codul garantează că nu vor fi mai mult de trei zerouri la rând pe linie. Există și alte coduri, cum ar fi 8B/6T.

Pentru a asigura debitul specificat, transmițătorul trebuie să funcționeze la o frecvență de ceas mai mare (pentru 100 Mb/s - 125 MHz). Spectrul de semnal se extinde în comparație cu cel original, dar rămâne mai îngust decât spectrul codului Manchester.

Scrambling - amestecarea datelor cu un scrambler înainte de transmiterea de pe linie.

Metodele de amestecare implică calculul bit cu bit al codului rezultat pe baza biților codului sursă și a biților codului rezultat obținuți în ciclurile de ceas anterioare. De exemplu,

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

unde B i este cifra binară a codului rezultat obținut la al i-lea ciclu de ceas al scrambler-ului, A i este cifra binară a codului sursă primit la al-lea ciclu de ceas la intrarea scrambler-ului, B i -3 și B i -5 sunt cifrele binare ale codului rezultat, obținute în ciclurile anterioare de lucru.

Pentru secvența 110110000001, scrambler-ul va da 110001101111, adică nu va exista nicio secvență de șase zerouri consecutive.

După ce a primit secvența rezultată, receptorul o va transmite către decriptor, care va aplica transformarea inversă.

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

Diferite sisteme de amestecare diferă în ceea ce privește numărul de termeni și schimbarea dintre ei.

Mai sunt metode simple combaterea secvențelor de zerouri sau unu, care sunt, de asemenea, clasificate ca metode de amestecare.

Pentru a îmbunătăți IMA bipolar se folosesc următoarele:

B8ZS (Bipolar cu substituție cu 8 zerouri) – corectează numai secvențele formate din 8 zerouri.

Pentru a face acest lucru, după primele trei zerouri, în loc de celelalte cinci, el inserează cinci semnale V-1*-0-V-1*, unde V denotă un semnal unic care este interzis pentru un anumit ciclu de polaritate, adică, un semnal care nu schimbă polaritatea celui precedent, 1* - semnalul unității este de polaritatea corectă, iar semnul asterisc marchează faptul că în codul sursă nu a existat o unitate în acest ciclu de ceas, ci un zero . Ca rezultat, la 8 cicluri de ceas, receptorul observă 2 distorsiuni - este foarte puțin probabil ca acest lucru să se fi întâmplat din cauza zgomotului de pe linie. Prin urmare, receptorul consideră astfel de încălcări ca fiind o codificare de 8 zerouri consecutive. În acest cod, componenta constantă este zero pentru orice succesiune de cifre binare.

Codul HDB3 corectează oricare patru zerouri consecutive din secvența originală. Fiecare patru zerouri sunt înlocuite cu patru semnale, în care există un semnal V. Pentru a suprima componenta DC, polaritatea semnalului V este alternată în înlocuiri succesive. În plus, pentru înlocuire sunt utilizate două modele de coduri cu patru cicluri. Dacă înainte de înlocuire sursă conținea un număr impar de unități, atunci se folosește secvența 000V, iar dacă numărul de unități era par, se folosește secvența 1*00V.

Codurile potențiale îmbunătățite au o lățime de bandă destul de îngustă pentru orice secvențe de zerouri și cele care apar în datele transmise.

Atunci când se transmit date discrete prin canale de comunicație, sunt utilizate două tipuri principale de codare fizică - bazată pe semnal purtător sinusoidal și bazat pe o succesiune de impulsuri dreptunghiulare. Prima metodă este adesea numită și modulație sau modulație analogică, subliniind faptul că codarea se realizează prin modificarea parametrilor semnalului analogic. A doua metodă se numește de obicei codificare digitală. Aceste metode diferă prin lățimea spectrului semnalului rezultat și complexitatea echipamentului necesar pentru implementarea lor.
Modulație analogică utilizat pentru transmiterea de date discrete pe canale cu o bandă de frecvență îngustă, un reprezentant tipic al căruia este canalul de frecvență vocală furnizat utilizatorilor rețelelor publice de telefonie. Un răspuns tipic de amplitudine-frecvență al unui canal de frecvență vocală este prezentat în Fig. 2.12. Acest canal transmite frecvențe în intervalul de la 300 la 3400 Hz, deci lățimea de bandă este de 3100 Hz. Un dispozitiv care îndeplinește funcțiile de modulare sinusoidală purtătoare pe partea de transmisie și demodulare pe partea de recepție se numește modem (modulator - demodulator).
Metode de modulație analogică
Modulația analogică este o metodă de codificare fizică în care informațiile sunt codificate prin modificarea amplitudinii, frecvenței sau fazei unui semnal purtător sinusoidal.
Diagrama (Fig. 2.13, a) prezintă o succesiune de biți ai informațiilor originale, reprezentate de potențiale de nivel înalt pentru o unitate logică și un potențial de nivel zero pentru zero logic. Această metodă de codificare se numește cod potențial, care este adesea folosit la transferul de date între unitățile computerizate.
Cu modularea în amplitudine (Fig. 2.13, b), un nivel al amplitudinii sinusoidei frecvenței purtătoare este selectat pentru o unitate logică și altul pentru zero logic. Această metodă este rareori folosită în forma sa pură în practică, datorită imunității scăzute la zgomot, dar este adesea folosită în combinație cu un alt tip de modulație - modulația de fază.
Cu modularea în frecvență (Fig. 2.13, c), valorile 0 și 1 ale datelor sursă sunt transmise de sinusoide cu frecvențe diferite - f0 și f1. Această metodă de modulație nu necesită circuite complexe în modemuri și este utilizată în mod obișnuit în modemurile cu viteză redusă care funcționează la 300 sau 1200 bps.
Cu modularea de fază, valorile datelor 0 și 1 corespund semnalelor de aceeași frecvență, dar cu faze diferite, de exemplu 0 și 180 de grade sau 0,90,180 și 270 de grade.
Modemurile de mare viteză folosesc adesea metode combinate de modulare, de obicei amplitudine combinată cu fază.
Atunci când utilizați impulsuri dreptunghiulare pentru a transmite informații discrete, este necesar să alegeți o metodă de codare care atinge simultan mai multe obiective:
· avea cea mai mică lățime de spectru a semnalului rezultat la aceeași rată de biți;
· sincronizare asigurată între emițător și receptor;
· avea capacitatea de a recunoaște greșelile;
· a avut un cost de vânzare scăzut.
Un spectru mai restrâns de semnale permite uneia și aceleiași linii (cu aceeași lățime de bandă) să obțină o rată de transfer de date mai mare. În plus, spectrul semnalului este adesea necesar să nu aibă componentă DC, adică prezența unui curent continuu între emițător și receptor. În special, utilizarea diferitelor circuite de izolare galvanică a transformatorului împiedică trecerea curentului continuu.
Sincronizarea emițătorului și receptorului este necesară pentru ca receptorul să știe exact în ce moment este necesar să citească informații noi de pe linia de comunicație.
Recunoașterea și corectarea datelor distorsionate este dificil de realizat folosind mijloace ale stratului fizic, așa că cel mai adesea această muncă este întreprinsă de protocoalele care se află mai sus: canal, rețea, transport sau aplicație. Pe de altă parte, recunoașterea erorilor este activată nivel fizic economisește timp, deoarece receptorul nu așteaptă ca cadrul să fie complet plasat în buffer, ci îl aruncă imediat când recunoaște biți eronați din cadrul cadru.
Cerințele pentru metodele de codificare sunt reciproc contradictorii, prin urmare fiecare dintre metodele de codificare digitală populare discutate mai jos are propriile avantaje și dezavantaje în comparație cu altele.