Fyzický základ prenosu dát. Spôsoby prenosu dát na fyzickej úrovni. Fyzický základ prenosu dát

7. ÚROVEŇ PRENOSU FYZICKÝCH ÚDAJOV

7.2. Diskrétne metódy prenosu dát

Pri prenose diskrétnych dát cez komunikačné kanály sa používajú dva hlavné typy fyzického kódovania - založené na sínusovom nosnom signáli a založené na sekvencii pravouhlých impulzov. Prvá metóda sa často nazýva modulácia alebo analógová modulácia , zdôrazňujúc skutočnosť, že kódovanie sa vykonáva zmenou parametrov analógového signálu. Druhá metóda je tzv digitálne kódovanie . Tieto metódy sa líšia šírkou spektra výsledného signálu a zložitosťou vybavenia potrebného na ich realizáciu.

Pri použití pravouhlých impulzov je spektrum výsledného signálu veľmi široké. Použitie sínusovej vlny má za následok užšie spektrum pri rovnakej rýchlosti prenosu informácií. Na implementáciu modulácie je však potrebné zložitejšie a drahšie zariadenie ako implementácia pravouhlých impulzov.

V súčasnosti sa údaje, ktoré boli pôvodne v analógovej forme - reč, televízne obrazy - prenášajú cez komunikačné kanály v diskrétnej forme, to znamená ako postupnosť jednotiek a núl. Proces reprezentácie analógovej informácie v diskrétnej forme sa nazýva diskrétna modulácia .

Analógová modulácia sa používa na prenos diskrétnych dát cez kanály s úzkym frekvenčným pásmom - hlasovo-frekvenčný kanál (verejné telefónne siete). Tento kanál prenáša frekvencie v rozsahu od 300 do 3400 Hz, takže jeho šírka pásma je 3100 Hz.

Zariadenie, ktoré plní funkcie nosnej sínusovej modulácie na vysielacej strane a demodulácie na prijímacej strane sa nazýva tzv. modem (modulátor-demodulátor).

Analógová modulácia je metóda fyzického kódovania, pri ktorej sa informácie kódujú zmenou amplitúdy, frekvencie alebo fázy sínusového signálu. nosná frekvencia(obr. 27).

o amplitúdovej modulácie (obr. 27, b) pre logickú jednotku je zvolená jedna úroveň amplitúdy sínusoidy nosnej frekvencie a pre logickú nulu - iná. Táto metóda sa vo svojej čistej forme v praxi používa zriedkavo kvôli nízkej odolnosti voči šumu, ale často sa používa v kombinácii s iným typom modulácie - fázovou moduláciou.

o frekvenčná modulácia (obr. 27, c) hodnoty 0 a 1 zdrojových údajov sú prenášané sínusoidmi s rôznymi frekvenciami - f 0 a f 1,. Táto modulačná metóda nevyžaduje zložité obvody v modemoch a zvyčajne sa používa v nízkorýchlostných modemoch pracujúcich pri 300 alebo 1200 bps.

o fázová modulácia (obr. 27, d) hodnoty údajov 0 a 1 zodpovedajú signálom rovnakej frekvencie, ale s rôznymi fázami, napríklad 0 a 180 stupňov alebo 0, 90, 180 a 270 stupňov.

Vysokorýchlostné modemy často používajú kombinované metódy modulácie, zvyčajne amplitúdu kombinovanú s fázou.

Ryža. 27. Rôzne druhy modulácia

Spektrum výsledného modulovaného signálu závisí od typu a rýchlosti modulácie.

Pre potenciálne kódovanie sa spektrum získa priamo z Fourierových vzorcov pre periodickú funkciu. Ak sa diskrétne dáta prenášajú bitovou rýchlosťou N bit/s, potom spektrum pozostáva z konštantnej zložky nulovej frekvencie a nekonečného radu harmonických s frekvenciami f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., kde f0 = N/2. Amplitúdy týchto harmonických klesajú pomerne pomaly - s koeficientmi 1/3, 1/5, 1/7, ... od amplitúdy harmonickej f 0 (obr. 28, a). Výsledkom je, že spektrum potenciálneho kódu vyžaduje širokú šírku pásma pre vysokokvalitný prenos. Okrem toho treba počítať s tým, že v skutočnosti sa spektrum signálu neustále mení v závislosti od charakteru dát. Preto spektrum výsledného potenciálneho kódového signálu pri prenose ľubovoľných dát zaberá pásmo od určitej hodnoty blízkej 0 Hz do približne 7f 0 (harmonické s frekvenciami nad 7f 0 je možné zanedbať vzhľadom na ich malý príspevok k výslednému signálu). Pre hlasový kanál je horná hranica pre potenciálne kódovanie dosiahnutá pri dátovej rýchlosti 971 bps. V dôsledku toho sa potenciálne kódy na hlasových kanáloch nikdy nepoužijú.

Pri amplitúdovej modulácii sa spektrum skladá zo sínusovej vlny nosnej frekvencie f s a dve bočné harmonické: (f c + f m) a ( f c – f m), kde f m – frekvencia zmeny informačného parametra sínusoidy, ktorá sa zhoduje s rýchlosťou prenosu dát pri použití dvoch úrovní amplitúdy (obr. 28, b). Frekvencia f m určuje kapacitu linky pre danú metódu kódovania. Pri nízkej modulačnej frekvencii bude šírka spektra signálu tiež malá (rovnajúca sa 2f m ), takže signály nebudú skreslené čiarou, ak je jej šírka pásma väčšia alebo rovná 2f m . Pre hlasový frekvenčný kanál je tento spôsob modulácie prijateľný pri rýchlosti prenosu dát maximálne 3100/2=1550 bps. Ak sa na prezentáciu údajov použijú 4 úrovne amplitúdy, kapacita kanála sa zvýši na 3100 bps.

Ryža. 28. Spektrá signálov pri potenciálnom kódovaní

a amplitúdovej modulácie

Pri fázovej a frekvenčnej modulácii je spektrum signálu zložitejšie ako pri amplitúdovej modulácii, keďže sa tu tvoria viac ako dve bočné harmonické, ktoré sú však vzhľadom na hlavnú nosnú frekvenciu umiestnené aj symetricky a ich amplitúdy rýchlo klesajú. Preto sú tieto typy modulácie tiež vhodné na prenos dát cez hlasový kanál.

Pri digitálnom kódovaní diskrétnych informácií sa používajú potenciálové a impulzné kódy. V potenciálových kódoch sa na reprezentáciu logických jednotiek a núl používa iba potenciálna hodnota signálu a jeho hrany sa neberú do úvahy. Impulzné kódy umožňujú reprezentovať binárne dáta buď ako impulzy určitej polarity, alebo ako súčasť impulzu - potenciálny rozdiel v určitom smere.

Pri použití pravouhlých impulzov na prenos diskrétnych informácií je potrebné zvoliť metódu kódovania, ktorá súčasne dosahuje niekoľko cieľov:

· mal najmenšiu šírku spektra výsledného signálu pri rovnakej bitovej rýchlosti;

· zaistená synchronizácia medzi vysielačom a prijímačom;

· mal schopnosť rozpoznať chyby;

· mal nízku predajnú cenu.

Užšie spektrum signálov umožňuje vyššie rýchlosti prenosu dát na tej istej linke. Často sa vyžaduje, aby spektrum signálu nemalo žiadnu jednosmernú zložku.

Synchronizácia vysielača a prijímača je potrebná, aby prijímač presne vedel, v akom časovom bode je potrebné načítať nové informácie z komunikačnej linky. Tento problém sa v sieťach rieši ťažšie ako pri výmene údajov medzi blízko umiestnenými zariadeniami, napríklad medzi jednotkami vo vnútri počítača alebo medzi počítačom a tlačiarňou. Preto siete používajú takzvané samosynchronizačné kódy, ktorých signály nesú inštrukcie pre vysielač o tom, v akom časovom bode by mal byť rozpoznaný ďalší bit (alebo niekoľko bitov). Akákoľvek prudká zmena signálu - takzvaná hrana - môže slúžiť ako dobrá indikácia pre synchronizáciu prijímača s vysielačom.

Pri použití sínusoidov ako nosného signálu má výsledný kód vlastnosť samosynchronizácie, pretože zmena amplitúdy nosnej frekvencie umožňuje prijímaču určiť okamih, kedy sa objaví vstupný kód.

Požiadavky na metódy kódovania sú navzájom protichodné, preto každá z populárnych metód digitálneho kódovania diskutovaná nižšie má v porovnaní s ostatnými svoje výhody a nevýhody.

Na obr. 29 a ukazuje potenciálny spôsob kódovania, nazývaný tiež kódovanie bez návratu na nulu (Nie Návrat do nuly, NRZ) . Priezvisko odráža skutočnosť, že pri prenose sekvencie jednotiek sa signál počas cyklu hodín nevráti na nulu. Metóda NRZ sa ľahko implementuje, má dobré rozpoznávanie chýb (v dôsledku dvoch výrazne odlišných potenciálov), ale nemá vlastnosť samosynchronizácie. Pri vysielaní dlhej sekvencie jednotiek alebo núl sa signál na linke nemení, takže prijímač nedokáže zo vstupného signálu určiť časové momenty, kedy je potrebné dáta prečítať. Aj s vysoko presným generátorom hodín sa prijímač môže pomýliť s momentom zberu dát, pretože frekvencie oboch generátorov nie sú nikdy úplne identické. Preto pri vysokých dátových rýchlostiach a dlhých sekvenciách jednotiek alebo núl môže malý nesúlad hodín viesť k chybe celého hodinového cyklu, a teda k nesprávnemu čítaniu bitovej hodnoty.

Ďalšou vážnou nevýhodou metódy NRZ je prítomnosť nízkofrekvenčnej zložky, ktorá sa pri vysielaní dlhých sekvencií jednotiek alebo núl blíži k nule. Z tohto dôvodu mnohé komunikačné kanály, ktoré neposkytujú priame galvanické spojenie medzi prijímačom a zdrojom, nepodporujú tento typ kódovania. V dôsledku toho sa kód NRZ v čistej forme nepoužíva v sieťach. Napriek tomu sa používajú jeho rôzne modifikácie, ktoré eliminujú tak zlú samosynchronizáciu kódu NRZ, ako aj prítomnosť konštantnej zložky. Atraktívnosť kódu NRZ, kvôli ktorému sa oplatí ho vylepšiť, je pomerne nízka frekvencia základnej harmonickej f 0, ktorá sa rovná N/2 Hz. V iných metódach kódovania, ako je Manchester, má základná harmonická vyššiu frekvenciu.

Ryža. 29. Metódy diskrétneho kódovania dát

Jednou z modifikácií metódy NRZ je metóda bipolárne kódovanie s alternatívnou inverziou (bipolárny Alternatíva Mark Inversion, AMI). Táto metóda (obr. 29, b) využíva tri úrovne potenciálu - negatívnu, nulovú a pozitívnu. Na zakódovanie logickej nuly sa používa nulový potenciál a logická jednotka je zakódovaná buď pozitívnym, alebo negatívnym potenciálom, pričom potenciál každej novej jednotky je opačný ako potenciál predchádzajúcej jednotky.

Kód AMI čiastočne odstraňuje DC a nedostatok problémov so samosynchronizáciou, ktoré sú vlastné kódu NRZ. K tomu dochádza pri prenose dlhých sekvencií jednotiek. V týchto prípadoch je signál na linke sled opačne polarizovaných impulzov s rovnakým spektrom ako kód NRZ, vysielajúcich striedavo núl a jednotiek, teda bez konštantnej zložky a so základnou harmonickou N/2 Hz (kde N je bitová rýchlosť prenosu dát). Dlhé sekvencie núl sú pre kód AMI rovnako nebezpečné ako pre kód NRZ – signál sa zvrhne na konštantný potenciál nulovej amplitúdy. Preto si kód AMI vyžaduje ďalšie zlepšenie.

Vo všeobecnosti pre rôzne kombinácie bitov na linke vedie použitie kódu AMI k užšiemu spektru signálu ako pri kóde NRZ, a teda k vyššiemu šírku pásma linky. Napríklad pri vysielaní striedavých jednotiek a núl má základná harmonická f 0 frekvenciu N/4 Hz. Kód AMI tiež poskytuje niektoré funkcie na rozpoznávanie chybných signálov. Porušenie prísneho striedania polarity signálu teda indikuje falošný impulz alebo zmiznutie správneho impulzu z linky. Tento signál sa nazýva zakázaný signál (signál porušenie).

Kód AMI nepoužíva dve, ale tri úrovne signálu na linke. Dodatočná vrstva vyžaduje zvýšenie výkonu vysielača asi o 3 dB, aby sa zabezpečila rovnaká bitová vernosť na linke, čo je spoločná nevýhoda kódov s viacerými stavmi signálu v porovnaní s kódmi, ktoré rozlišujú iba dva stavy.

Existuje kód podobný AMI, ale iba s dvoma úrovňami signálu. Pri vysielaní nuly vysiela potenciál, ktorý bol nastavený v predchádzajúcom cykle (čiže ho nemení) a pri vysielaní jednotky sa potenciál obráti na opačný. Tento kód sa nazýva potenciálny kód s inverziou na jednom (nie Návrat do nula s tie Obrátený , NRZI ) . Tento kód je užitočný v prípadoch, keď je použitie tretej úrovne signálu vysoko nežiaduce, napríklad v optické káble, kde sa dôsledne rozpoznávajú dva stavy signálu – svetlo a tieň.

Okrem potenciálnych kódov sa v sieťach využívajú aj impulzné kódy, kedy sú dáta reprezentované plným impulzom alebo jeho časťou – hranou. Najjednoduchší prípad tohto prístupu je bipolárny pulzný kód , v ktorom jeden je reprezentovaný impulzom jednej polarity a nula inou (obr. 29, c). Každý pulz trvá pol úderu. Tento kód má vynikajúce samosynchronizujúce vlastnosti, ale konštantná zložka môže byť prítomná napríklad pri vysielaní dlhej sekvencie jednotiek alebo núl. Okrem toho je jeho spektrum širšie ako spektrum potenciálnych kódov. Pri vysielaní všetkých núl alebo jednotiek sa teda frekvencia základnej harmonickej kódu bude rovnať N Hz, čo je dvakrát vyššia ako základná harmonická kódu NRZ a štyrikrát vyššia ako základná harmonická kódu AMI. pri vysielaní striedavých jednotiek a núl. Kvôli príliš širokému spektru sa bipolárny pulzný kód používa zriedka.

IN lokálnych sietí Donedávna bola najrozšírenejšou metódou kódovania tzv Manchester kód (Obr. 29, d). Používa sa v technológiách Ethernet a Token Ring.

Manchesterský kód využíva potenciálny rozdiel, teda hranu impulzu, na kódovanie jednotiek a núl. Pri kódovaní Manchester je každý takt rozdelený na dve časti. Informácie sú zakódované potenciálnymi poklesmi, ktoré sa vyskytujú uprostred každého hodinového cyklu. Jedna je zakódovaná hranou od nízkej k vysokej úrovni signálu a nula je zakódovaná spätnou hranou. Na začiatku každého hodinového cyklu môže dôjsť k poklesu horného signálu, ak potrebujete reprezentovať niekoľko jednotiek alebo núl v rade. Keďže signál sa zmení aspoň raz za prenosový cyklus jedného dátového bitu, Manchester kód má dobrý samosynchronizujúce vlastnosti. Šírka pásma manchesterského kódu je užšia ako u bipolárneho pulzu. Taktiež nemá žiadnu jednosmernú zložku a základná harmonická má v najhoršom prípade (pri vysielaní sekvencie jednotiek alebo núl) frekvenciu N Hz a v najlepšom prípade (pri vysielaní striedavých jednotiek a núl) sa rovná N. / 2 Hz, ako AMI alebo NRZ V priemere je šírka pásma manchesterského kódu jeden a pol krát užšia ako u bipolárneho pulzného kódu a základná harmonická kolíše okolo hodnoty 3N/4. Manchester kód má ďalšiu výhodu oproti bipolárnemu pulznému kódu. Ten využíva na prenos dát tri úrovne signálu, zatiaľ čo manchesterský využíva dve.

Na obr. 29, d ukazuje potenciálny kód so štyrmi úrovňami signálu na kódovanie dát. Ide o kód 2B1Q, ktorého názov odráža jeho podstatu - každé dva bity (2B) sú prenášané v jednom hodinovom cykle signálom so štyrmi stavmi (1Q). Pár bitov 00 zodpovedá potenciálu -2,5 V, pár bitov 01 zodpovedá potenciálu -0,833 V, pár 11 zodpovedá potenciálu +0,833 V a pár 10 zodpovedá potenciálu +2,5 V. S týmto kódovaním Na boj proti dlhým sekvenciám identických párov bitov sú potrebné dodatočné opatrenia, pretože v tomto prípade sa signál zmení na konštantnú zložku. Pri náhodnom vkladaní bitov je spektrum signálu dvakrát užšie ako v prípade kódu NRZ, pretože pri rovnakej bitovej rýchlosti sa trvanie hodín zdvojnásobí. Pomocou kódu 2B1Q teda môžete prenášať dáta po tej istej linke dvakrát rýchlejšie ako pri použití kódu AMI alebo NRZI. Na jeho realizáciu však musí byť výkon vysielača vyšší, aby prijímač jasne rozlíšil štyri úrovne na pozadí rušenia.

Stránka 27 od 27 Fyzický základ prenosu dát(Komunikačné linky,)

Fyzický základ prenosu dát

Akákoľvek sieťová technológia musí zabezpečiť spoľahlivý a rýchly prenos diskrétnych dát cez komunikačné linky. Aj keď medzi technológiami existujú veľké rozdiely, sú založené na spoločných princípoch diskrétneho prenosu dát. Tieto princípy sú obsiahnuté v metódach reprezentácie binárnych jednotiek a núl pomocou impulzných alebo sínusových signálov v komunikačných linkách rôzneho fyzikálneho charakteru, metódach detekcie a korekcie chýb, kompresných metódach a prepínacích metódach.

Čiarykomunikácie

Primárne siete, linky a komunikačné kanály

Pri popise technického systému, ktorý prenáša informácie medzi sieťovými uzlami, možno v literatúre nájsť niekoľko názvov: komunikačná linka, kompozitný kanál, kanál, odkaz. Tieto výrazy sa často používajú zameniteľne av mnohých prípadoch to nespôsobuje problémy. Zároveň existujú špecifiká v ich používaní.

Odkaz(link) je segment, ktorý zabezpečuje prenos dát medzi dvoma susednými sieťovými uzlami. To znamená, že spojenie neobsahuje medziľahlé spínacie a multiplexné zariadenia.

kanál(kanál) najčastejšie označujú časť šírky pásma linky používanú nezávisle pri prepínaní. Napríklad primárne sieťové spojenie môže pozostávať z 30 kanálov, z ktorých každý má kapacitu 64 Kbps.

Kompozitný kanál(obvod) je cesta medzi dvoma koncovými uzlami siete. Zložený kanál je tvorený jednotlivými medzičlánkami a vnútornými spojmi v prepínačoch. Epiteton „zložený“ sa často vynecháva a výraz „kanál“ sa používa na označenie zloženého kanála aj kanála medzi susednými uzlami, to znamená v rámci spojenia.

Komunikačná linka možno použiť ako synonymum pre ktorýkoľvek z ostatných troch výrazov.

Na obr. sú zobrazené dve možnosti komunikačnej linky. V prvom prípade ( A) vedenie pozostáva z káblového segmentu dlhého niekoľko desiatok metrov a je spojnicou. V druhom prípade (b) je komunikačnou linkou kompozitný kanál nasadený v sieti s prepínaním okruhov. Takáto sieť by mohla byť primárna sieť alebo telefónnej siete.

Avšak pre počítačová sieť táto čiara predstavuje prepojenie, pretože spája dva susediace uzly a všetky spínacie medzizariadenia sú pre tieto uzly transparentné. Dôvod vzájomného nedorozumenia na úrovni pojmov medzi počítačovými špecialistami a primárnymi sieťovými špecialistami je tu zrejmý.

Primárne siete sú špecificky vytvorené s cieľom poskytovať služby kanála prenosu údajov pre počítačové a telefónne siete, o ktorých sa v takýchto prípadoch hovorí, že fungujú „nad“ primárnymi sieťami a sú prekryvné siete.

Klasifikácia komunikačných liniek

Komunikačná linka vo všeobecnosti pozostáva z fyzického média, cez ktoré sa prenášajú elektrické informačné signály, zariadenia na prenos údajov a medziľahlé zariadenia. Fyzickým médiom na prenos dát (fyzické pamäťové médium) môže byť kábel, teda súprava vodičov, izolačných a ochranných plášťov a spojovacích konektorov, ako aj zemská atmosféra alebo vonkajší priestor, cez ktorý sa šíria elektromagnetické vlny.

V prvom prípade hovoríme o káblové prostredie, a v druhom - asi bezdrôtový.

V moderných telekomunikačných systémoch sa informácie prenášajú pomocou elektrický prúd alebo napätie, rádiové signály alebo svetelné signály- všetky tieto fyzikálne procesy predstavujú oscilácie elektromagnetického poľa rôznych frekvencií.

Drôtové (nadzemné) vedenia spoje sú drôty bez akéhokoľvek izolačného alebo tieniaceho opletu, uložené medzi stĺpmi a visiace vo vzduchu. Aj v nedávnej minulosti boli takéto komunikačné linky hlavnými na prenos telefónnych alebo telegrafných signálov. V súčasnosti sa káblové komunikačné linky rýchlo nahrádzajú káblovými vedeniami. Na niektorých miestach sú však stále zachované a pri absencii iných možností sa naďalej používajú na prenos počítačových údajov. Rýchlosť a odolnosť proti hluku týchto liniek zanechávajú veľa požiadaviek.

Káblové vedenia majú pomerne zložitý dizajn. Kábel pozostáva z vodičov uzavretých v niekoľkých vrstvách izolácie: elektrickej, elektromagnetickej, mechanickej a prípadne klimatickej. Okrem toho môže byť kábel vybavený konektormi, ktoré vám umožnia rýchlo k nemu pripojiť rôzne zariadenia. V počítačových (a telekomunikačných) sieťach sa používajú tri hlavné typy káblov: káble založené na krútených pároch medených drôtov - netienená krútená dvojlinka(Unshielded Twisted Pair, UTP) a tienený krútený pár(tienený krútený pár, STP), koaxiálne káble s medeným jadrom, optické káble. Prvé dva typy káblov sú tiež tzv medené káble.

Rozhlasové kanály Pozemná a satelitná komunikácia sa vytvára pomocou vysielača a prijímača rádiových vĺn. Existuje široká škála typov rádiových kanálov, ktoré sa líšia použitým frekvenčným rozsahom a rozsahom kanálov. Vysielanie rádiových pásiem(dlhé, stredné a krátke vlny), tiež tzv AM kapely, alebo rozsahy amplitúdovej modulácie (Amplitude Modulation, AM), poskytujú komunikáciu na veľké vzdialenosti, ale pri nízkej rýchlosti prenosu dát. Najrýchlejšie kanály sú tie, ktoré používajú veľmi vysoké frekvenčné rozsahy(Very High Frequency, VHF), pre ktoré sa používa frekvenčná modulácia (FM). Používa sa aj na prenos dát ultra vysoké frekvenčné rozsahy(Ultra High Frequency, UHF), tiež tzv mikrovlnné pásma(viac ako 300 MHz). Pri frekvenciách nad 30 MHz už nie sú signály odrážané zemskou ionosférou a stabilná komunikácia vyžaduje priamu viditeľnosť medzi vysielačom a prijímačom. Preto sú takéto frekvencie využívané buď satelitnými kanálmi, alebo rádioreléovými kanálmi, alebo miestnymi resp mobilné siete, kde je táto podmienka splnená.

2 Funkcie fyzickej vrstvy Reprezentácia bitov elektrickými/optickými signálmi Kódovanie bitov Synchronizácia bitov Prenos/príjem bitov cez fyzické komunikačné kanály Koordinácia s fyzickým prostredím Prenosová rýchlosť Rozsah Úrovne signálov, konektory Vo všetkých sieťových zariadeniach Hardvérová implementácia (sieťové adaptéry ) Príklad: 10 BaseT - UTP kat. 3, 100 ohmov, 100 m, 10 Mbit/s, MII kód, RJ-45

5 Zariadenie na prenos dát Správa prevodníka - El. kódovač signálu (kompresia, korekčné kódy) Modulátor Stredné vybavenie Zlepšenie kvality komunikácie - (Zosilňovač) ​​Vytvorenie kompozitného kanála - (Switch) Multiplexovanie kanálov - (Multiplexor) (PA môže v LAN chýbať)

6 Hlavné charakteristiky komunikačných liniek Priepustnosť (Protokol) Spoľahlivosť prenosu dát (Protokol) Oneskorenie šírenia Amplitúdovo-frekvenčná odozva (AFC) Šírka pásma Útlm Odolnosť proti šumu Presluchy na blízkom konci linky Jednotková cena

9 Útlm A – jeden bod na frekvenčnej odozve A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Príklad 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Útlm = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Príklad 2: Útlm UTP kat. 5 >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Typicky sa uvádza A pre základnú frekvenciu signálu = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Typicky A je uvedené pre frekvenciu hlavného signálu">

11 Odolnosť voči šumu Optické vedenia Káblové vedenia Drôtové vzdušné vedenia Rádiové vedenia (tienenie, skrútenie) Odolnosť voči vonkajšiemu rušeniu Odolnosť voči vnútornému rušeniu Útlm presluchu na blízkom konci (NEXT) Útlm presluchu na diaľku (FEXT) (FEXT - Dva páry v jednom smere )

12 Strata krížového hovoru na blízkom konci – NEXT Pre viacpárové káble NEXT = 10 log Pout/Pin dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Spoľahlivosť prenosu dát Bit Error Rate – BER Pravdepodobnosť narušenia dátového bitu Príčiny: vonkajšie a vnútorné rušenie, úzka šírka pásma Boj: zvýšenie odolnosti proti šumu, zníženie rušenia NEXT, rozšírenie šírky pásma Krútený pár BER ~ Optický kábel BER ~ Žiadne ďalšie prostriedky ochrany :: opravné kódy, protokoly s opakovaním

16 Krútený pár Twisted Pair (TP) fóliové sito pletené drôtené sito izolovaný drôt vonkajší plášť UTP netienený krútený pár kategória 1, UTP páry mačiek v plášti STP tienené skrútené páry Typy 1…9 Každý pár má svoje vlastné sito Každý pár má svoj vlastný krok zvraty, vlastná farba Odolnosť proti hluku Cena Zložitosť pokládky

18 Vláknová optika Celkový vnútorný odraz lúča na rozhraní dvoch médií n1 > n2 - (index lomu) n1 n2 n2 - (index lomu) n1 n2"> n2 - (index lomu) n1 n2"> n2 - (index lomu) n1 n2" title="18 Vláknová optika Celkový vnútorný odraz lúča na hranici dvoch média n1 > n2 - (index lomu) n1 n2"> title="18 Vláknová optika Celkový vnútorný odraz lúča na rozhraní dvoch médií n1 > n2 - (index lomu) n1 n2"> !}

22 Optický kábel 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 Zdroje optického signálu Kanál: zdroj - nosná - prijímač (detektor) Zdroje LED (Light Emitting Diode) nm nekoherentný zdroj - MMF Polovodičový laserový koherentný zdroj - SMF - Výkon = f (t o) Detektory Fotodiódy, kolíkové diódy, lavínové diódy

25 Systém štruktúrovanej kabeláže – SCS First LAN – rôzne káble a topológie Zjednotenie káblového systému SCS - otvorená káblová infraštruktúra LAN (subsystémy, komponenty, rozhrania) - nezávislosť od sieťová technológia- LAN káble, TV, zabezpečovacie systémy atď. - univerzálna kabeláž bez odkazu na konkrétnu sieťovú technológiu - Constructor

27 Štandardy SCS (základné) EIA/TIA-568A Štandard telekomunikačného vedenia v komerčných budovách (USA) CENELEC EN50173 Požiadavky na výkon všeobecných káblových schém (Európa) Informačné technológie ISO/IEC IS - Všeobecná kabeláž pre káblové rozvody v priestoroch zákazníka Pre každý subsystém: Médium na prenos dát . Topológia Povolené vzdialenosti (dĺžky káblov) Rozhranie pre pripojenie používateľa. Káble a spojovacie zariadenia. Priepustnosť (výkon). Inštalačná prax (Horizontálny subsystém - UTP, hviezda, 100 m...)

28 Bezdrôtová komunikácia Bezdrôtový prenos Výhody: pohodlie, neprístupné oblasti, mobilita. rýchle nasadenie... Nevýhody: vysoká miera rušenia ( špeciálne prostriedky: kódy, modulácia...), zložitosť použitia niektorých rozsahov Komunikačná linka: vysielač - médium - prijímač Charakteristika LAN ~ F(Δf, fн);

34 2. Mobilná telefónia Rozdelenie územia na bunky Opätovné využitie frekvencií Nízky výkon (rozmery) V centre - základňová stanica Európa - Globálny systém pre mobily - GSM Wireless telefonickú komunikáciu 1. Rádiová stanica s nízkym výkonom - (základňa slúchadla, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - prepínanie z jedného jadrovej siete na druhú - základňu celulárna komunikácia

35 Satelitné pripojenie Na základe satelitu (reflektor-zosilňovač) ​​Vysielače - transpondéry H~50 MHz (1 satelit ~ 20 transpondérov) Frekvenčné rozsahy: C. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 GHz Up 5,925-6,425 GHz Ku - Down 11,7- 12,2 GHz hore 14,0-14,5 GHz Ka - dole 17,7-21,7 GHz hore 27,5-30,5 GHz

36 Satelitná komunikácia. Typy satelitov Satelitná komunikácia: mikrovlnná - priama viditeľnosť Geostacionárna Veľké pokrytie Pevné, Nízke opotrebovanie Opakovač satelitu, vysielanie, nízke náklady, cena nezávisí od vzdialenosti, Okamžité vytvorenie spojenia (Mil) Tz=300 ms Nízka bezpečnosť, Spočiatku veľká anténa (ale VSAT) Kilometre na strednú obežnú dráhu Globálny pozičný systém GPS - 24 satelitov Kilometre na nízku obežnú dráhu nízke pokrytie nízka latencia Internetový prístup

40 Techniky rozprestretého spektra Špeciálne modulačné a kódovacie techniky pre bezdrôtová komunikácia C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Zníženie výkonu Odolnosť voči hluku Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Používajú sa dva hlavné typy fyzického kódovania - založené na sínusovom nosnom signáli (analógová modulácia) a na základe sekvencie pravouhlých impulzov (digitálne kódovanie).

Analógová modulácia - na prenos diskrétnych dát cez kanál s úzkou šírkou pásma - telefónne siete hlasovo-frekvenčný kanál (šírka pásma od 300 do 3400 Hz) Zariadenie, ktoré vykonáva moduláciu a demoduláciu - modem.

Analógové modulačné metódy

n amplitúdová modulácia (nízka odolnosť voči šumu, často používaná v spojení s fázovou moduláciou);

n frekvenčná modulácia (zložitá technická implementácia, zvyčajne používaná v nízkorýchlostných modemoch).

n fázová modulácia.

Modulované spektrum signálu

Potenciálny kód- ak sa diskrétne dáta prenášajú rýchlosťou N bitov za sekundu, potom spektrum pozostáva z konštantnej zložky nulovej frekvencie a nekonečného radu harmonických s frekvenciami f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., kde f0 = N /2. Amplitúdy týchto harmonických klesajú pomaly - s koeficientmi 1/3, 1/5, 1/7, ... od amplitúdy f0. Spektrum výsledného potenciálneho kódového signálu pri prenose ľubovoľných dát zaberá pásmo od určitej hodnoty blízkej 0 po približne 7f0. Pre kanál hlasovej frekvencie je horná hranica prenosovej rýchlosti dosiahnutá pre rýchlosť prenosu dát 971 bitov za sekundu a dolná hranica je neprijateľná pre akúkoľvek rýchlosť, pretože šírka pásma kanálu začína na 300 Hz. To znamená, že potenciálne kódy sa nepoužívajú na hlasových frekvenčných kanáloch.

Amplitúdová modulácia- spektrum pozostáva zo sínusoidy nosnej frekvencie fc a dvoch bočných harmonických fc+fm a fc-fm, kde fm je frekvencia zmeny informačného parametra sínusoidy, ktorá sa zhoduje s rýchlosťou prenosu dát pri použití dvoch amplitúd úrovne. Frekvencia fm určuje kapacitu linky pri túto metódu kódovanie. S malou modulačnou frekvenciou bude šírka spektra signálu tiež malá (rovná sa 2fm) a signály nebudú skreslené čiarou, ak je šírka pásma väčšia alebo rovná 2fm. Pre hlasový frekvenčný kanál je táto metóda prijateľná pri rýchlosti prenosu dát nie vyššej ako 3100 / 2 = 1550 bitov za sekundu.

Fázová a frekvenčná modulácia- spektrum je zložitejšie, ale symetrické, s veľkým počtom rýchlo klesajúcich harmonických. Tieto metódy sú vhodné na prenos cez hlasový frekvenčný kanál.

Quadrate Amplitude Modulation - fázová modulácia s 8 hodnotami fázového posunu a amplitúdová modulácia so 4 hodnotami amplitúdy. Nie je použitých všetkých 32 kombinácií signálov.

Digitálne kódovanie

Potenciálne kódy– na reprezentáciu logických jednotiek a núl sa používa iba hodnota potenciálu signálu a jeho kvapky, ktoré formulujú dokončené impulzy, sa neberú do úvahy.

Pulzné kódy– reprezentujú binárne dáta buď ako impulzy určitej polarity, alebo ako súčasť impulzu – ako rozdiel potenciálov v určitom smere.

Požiadavky na metódu digitálneho kódovania:

Pri rovnakej bitovej rýchlosti mal najmenšiu šírku spektra výsledného signálu (užšie spektrum signálu umožňuje dosiahnuť vyššiu rýchlosť prenosu dát na tej istej linke, požiadavka je aj na absenciu konštantnej zložky, ktorá je prítomnosť priamy prúd medzi vysielačom a prijímačom);

Zabezpečená synchronizácia medzi vysielačom a prijímačom (prijímač musí presne vedieť, v akom časovom bode má prečítať potrebné informácie z linky, v lokálnych systémoch - hodinové linky, v sieťach - samosynchronizačné kódy, ktorých signály nesú inštrukcie pre vysielač o tom, v akom časovom bode je potrebné vykonať rozpoznanie ďalšieho bitu);

Má schopnosť rozpoznať chyby;

Malo to nízke náklady na realizáciu.

Potenciálny kód bez návratu na nulu. NRZ (Non Return to Zero). Signál sa počas cyklu hodín nevráti na nulu.

Je ľahko implementovateľný, má dobré rozpoznávanie chýb vďaka dvom výrazne odlišným signálom, ale nemá vlastnosť synchronizácie. Pri vysielaní dlhej sekvencie núl alebo jednotiek sa signál na linke nemení, takže prijímač nevie určiť, kedy je potrebné dáta znova prečítať. Ďalšou nevýhodou je prítomnosť nízkofrekvenčnej zložky, ktorá sa pri vysielaní dlhých sekvencií jednotiek a núl blíži k nule. Kód sa zriedka používa vo svojej čistej forme, používajú sa modifikácie. Atraktivita - nízka frekvencia základná harmonická f0 = N /2.

Metóda bipolárneho kódovania s alternatívnou inverziou. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifikácia metódy NRZ.

Na kódovanie nuly sa používa nulový potenciál, logická jednotka je kódovaná buď s pozitívnym potenciálom alebo so záporným, pričom potenciál každej nasledujúcej jednotky je opačný ako potenciál predchádzajúcej jednotky. Čiastočne odstraňuje problémy s konštantným komponentom a nedostatkom samosynchronizácie. V prípade vysielania dlhej sekvencie jednotiek sekvencia multipolárnych impulzov s rovnakým spektrom ako kód NRZ vysielajúca sekvenciu striedavých impulzov, teda bez konštantnej zložky a základnej harmonickej N/2. Vo všeobecnosti má použitie AMI za následok užšie spektrum ako NRZ, a teda vyššiu kapacitu spojenia. Napríklad pri vysielaní striedavých núl a jednotiek má základná harmonická f0 frekvenciu N/4. Chybné prenosy je možné rozpoznať, ale na zabezpečenie spoľahlivého príjmu je potrebné zvýšiť výkon asi o 3 dB, keďže sa používajú úpravy úrovne signálu.

Potenciálny kód s inverziou na jednom. (Non Return to Zero s invertovanými jednotkami, NRZI) Kód podobný AMI s dvoma úrovňami signálu. Pri vysielaní nuly sa prenáša potenciál predchádzajúceho cyklu a pri vysielaní jednotky sa potenciál obráti na opačný. Kód je vhodný v prípadoch, keď použitie tretej úrovne nie je žiaduce (optický kábel).

Na zlepšenie AMI sa používajú dve metódy, NRZI. Prvým je pridanie nadbytočných jednotiek do kódu. Objavuje sa vlastnosť samosynchronizácie, mizne konštantná zložka a zužuje sa spektrum, no užitočná priepustnosť klesá.

Ďalšou metódou je „zmiešať“ počiatočné informácie tak, aby sa pravdepodobnosť výskytu jednotiek a núl na riadku priblížila – zakódovanie. Obidve metódy sú logické kódovanie, pretože neurčujú tvar signálov na linke.

Bipolárny pulzný kód. Jedna je reprezentovaná impulzom jednej polarity a nula druhou. Každý pulz trvá pol úderu.

Kód má vynikajúce samosynchronizačné vlastnosti, ale pri vysielaní dlhej sekvencie núl alebo jednotiek môže existovať konštantná zložka. Spektrum je širšie ako spektrum potenciálnych kódov.

Manchester kód. Najbežnejší kód používaný v Ethernetové siete, Token Ring.

Každé opatrenie je rozdelené na dve časti. Informácie sú zakódované potenciálnymi poklesmi, ktoré sa vyskytujú uprostred hodinového cyklu. Jednotka je kódovaná poklesom z nízkej úrovne signálu na vysokú a nula je kódovaná spätným poklesom. Na začiatku každého hodinového cyklu môže dôjsť k poklesu servisného signálu, ak je potrebné znázorniť niekoľko jednotiek alebo núl v rade. Kód má vynikajúce samosynchronizačné vlastnosti. Šírka pásma je užšia ako u bipolárneho impulzu, nie je tam žiadna konštantná zložka a základná harmonická má v najhoršom prípade frekvenciu N av najlepšom - N/2.

Potenciálny kód 2B1Q. Každé dva bity sú prenášané v jednom hodinovom cykle štvorstavovým signálom. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Na zvládnutie dlhých sekvencií identických párov bitov sú potrebné ďalšie prostriedky. Pri náhodnom striedaní bitov je spektrum dvakrát užšie ako spektrum NRZ, pretože pri rovnakej bitovej rýchlosti sa trvanie hodín zdvojnásobí, to znamená, že je možné prenášať dáta po tej istej linke dvakrát rýchlejšie ako pri použití AMI, NRZI, ale potrebné veľká sila vysielač.

Logické kódovanie

Navrhnuté na zlepšenie potenciálnych kódov, ako sú AMI, NRZI, 2B1Q, nahradenie dlhých sekvencií bitov vedúcich ku konštantnému potenciálu rozptýlenými jednotkami. Používajú sa dve metódy – redundantné kódovanie a skramblovanie.

Nadbytočné kódy sú založené na rozdelení pôvodnej sekvencie bitov na časti, ktoré sa často nazývajú symboly, po ktorých je každý pôvodný symbol nahradený novým, ktorý má viac bitov ako pôvodný.

Kód 4B/5B nahrádza sekvencie 4 bitov sekvenciami 5 bitov. Potom namiesto 16 bitových kombinácií dostanete 32. Z nich sa vyberie 16, ktoré neobsahujú veľký počet núl, zvyšok sa považuje za porušenie kódu. Okrem eliminácie jednosmernej zložky a samosynchronizácie kódu umožňujú redundantné kódy prijímaču rozpoznať poškodené bity. Ak prijímač prijíma zakázané kódy, znamená to, že signál bol na linke skreslený.

Tento kód sa prenáša po linke pomocou fyzického kódovania pomocou metódy potenciálneho kódovania, ktorá je citlivá iba na dlhé sekvencie núl. Kód zaručuje, že na riadku nebudú viac ako tri nuly za sebou. Existujú aj iné kódy, napríklad 8B/6T.

Pre zaistenie uvedenej priepustnosti musí vysielač pracovať s vyššou taktovacou frekvenciou (pre 100 Mb/s - 125 MHz). Spektrum signálu sa oproti pôvodnému rozširuje, no zostáva užšie ako spektrum manchesterského kódu.

Scrambler - miešanie dát so scramblerom pred prenosom z linky.

Metódy skramblovania zahŕňajú výpočet výsledného kódu bit po bite na základe bitov zdrojového kódu a bitov výsledného kódu získaných v predchádzajúcich hodinových cykloch. Napríklad,

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

kde B i je binárna číslica výsledného kódu získaného v i-tom hodinovom cykle scramblera, A i je binárna číslica zdrojového kódu prijatého v i-tom hodinovom cykle na vstupe scramblera, B i -3 a B i -5 sú binárne číslice výsledného kódu získaného v predchádzajúcich cykloch práce.

Pre sekvenciu 110110000001 scrambler dá 110001101111, to znamená, že nebude existovať sekvencia šiestich po sebe idúcich núl.

Po prijatí výslednej sekvencie ju prijímač odošle do descramblera, ktorý použije inverznú transformáciu

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

Rôzne systémy skramblovania sa líšia počtom termínov a posunom medzi nimi.

Je ich viac jednoduché metódy bojové sekvencie núl alebo jednotiek, ktoré sú tiež klasifikované ako metódy skramblovania.

Na zlepšenie bipolárneho AMI sa používajú nasledovné:

B8ZS (Bipolárna s 8-nulovou substitúciou) – opravuje len sekvencie pozostávajúce z 8 núl.

Aby to urobil, za prvé tri nuly namiesto zostávajúcich piatich vloží päť signálov V-1*-0-V-1*, kde V označuje jeden signál, ktorý je pre daný cyklus polarity zakázaný, tj. signál, ktorý nemení polaritu predchádzajúceho, 1* - signál jednotky má správnu polaritu a znak hviezdičky označuje skutočnosť, že v zdrojovom kóde nebola v tomto taktovom cykle jednotka, ale nula . Výsledkom je, že pri 8 hodinových cykloch prijímač pozoruje 2 skreslenia - je veľmi nepravdepodobné, že by sa to stalo kvôli šumu na linke. Preto prijímač považuje takéto porušenia za kódovanie 8 po sebe idúcich núl. V tomto kóde je konštantná zložka nula pre akúkoľvek sekvenciu binárnych číslic.

Kód HDB3 opravuje akékoľvek štyri po sebe idúce nuly v pôvodnej sekvencii. Každé štyri nuly sú nahradené štyrmi signálmi, v ktorých je jeden signál V. Na potlačenie jednosmernej zložky sa polarita signálu V postupne strieda. Okrem toho sa na nahradenie používajú dva vzory štvorcyklových kódov. Ak pred výmenou zdroj obsahoval nepárny počet jednotiek, potom sa použije postupnosť 000V a ak bol počet jednotiek párny, použije sa postupnosť 1*00V.

Vylepšené potenciálne kódy majú dosť úzku šírku pásma pre akékoľvek sekvencie núl a jednotiek, ktoré sa vyskytujú v prenášaných dátach.

Pri prenose diskrétnych údajov cez komunikačné kanály sa používajú dva hlavné typy fyzického kódovania - založené na sínusového nosného signálu a na základe sekvencie pravouhlých impulzov. Prvý spôsob sa často nazýva aj modulácia alebo analógová modulácia, pričom sa zdôrazňuje skutočnosť, že kódovanie sa vykonáva zmenou parametrov analógového signálu. Druhá metóda sa zvyčajne nazýva digitálne kódovanie. Tieto metódy sa líšia šírkou spektra výsledného signálu a zložitosťou vybavenia potrebného na ich realizáciu.
Analógová modulácia používa sa na prenos diskrétnych dát cez kanály s úzkym frekvenčným pásmom, ktorých typickým predstaviteľom je hlasový frekvenčný kanál poskytovaný užívateľom verejných telefónnych sietí. Typická amplitúdová frekvenčná odozva hlasového frekvenčného kanála je znázornená na obr. 2.12. Tento kanál prenáša frekvencie v rozsahu od 300 do 3400 Hz, takže jeho šírka pásma je 3100 Hz. Zariadenie, ktoré plní funkcie nosnej sínusovej modulácie na vysielacej strane a demodulácie na prijímacej strane sa nazýva modem (modulátor - demodulátor).
Analógové modulačné metódy
Analógová modulácia je metóda fyzického kódovania, pri ktorej sa informácie kódujú zmenou amplitúdy, frekvencie alebo fázy sínusového nosného signálu.
Diagram (obr. 2.13, a) zobrazuje postupnosť bitov pôvodnej informácie, reprezentovanú potenciálmi vysokej úrovne pre logickú jednotku a potenciálom nulovej úrovne pre logickú nulu. Táto metóda kódovania sa nazýva potenciálny kód, ktorý sa často používa pri prenose údajov medzi počítačovými jednotkami.
Pri amplitúdovej modulácii (obr. 2.13, b) sa volí jedna úroveň amplitúdy sínusoidy nosnej frekvencie pre logickú jednotku a iná pre logickú nulu. Táto metóda sa vo svojej čistej forme v praxi používa zriedkavo kvôli nízkej odolnosti voči šumu, ale často sa používa v kombinácii s iným typom modulácie - fázovou moduláciou.
Pri frekvenčnej modulácii (obr. 2.13, c) sú hodnoty 0 a 1 zdrojových údajov prenášané sínusoidmi s rôznymi frekvenciami - f0 a f1. Táto modulačná metóda nevyžaduje zložité obvody v modemoch a zvyčajne sa používa v nízkorýchlostných modemoch pracujúcich pri 300 alebo 1200 bps.
Pri fázovej modulácii zodpovedajú hodnoty údajov 0 a 1 signálom rovnakej frekvencie, ale s rôznymi fázami, napríklad 0 a 180 stupňov alebo 0,90,180 a 270 stupňov.
Vysokorýchlostné modemy často používajú kombinované metódy modulácie, zvyčajne amplitúdu kombinovanú s fázou.
Pri použití pravouhlých impulzov na prenos diskrétnych informácií je potrebné zvoliť metódu kódovania, ktorá súčasne dosahuje niekoľko cieľov:
· mal najmenšiu šírku spektra výsledného signálu pri rovnakej bitovej rýchlosti;
· zaistená synchronizácia medzi vysielačom a prijímačom;
· mal schopnosť rozpoznať chyby;
· mal nízke náklady na predaj.
Užšie spektrum signálov umožňuje jednej a tej istej linke (s rovnakou šírkou pásma) dosiahnuť vyššiu rýchlosť prenosu dát. Okrem toho sa často vyžaduje, aby spektrum signálu nemalo žiadnu jednosmernú zložku, to znamená prítomnosť jednosmerného prúdu medzi vysielačom a prijímačom. Najmä použitie rôznych transformátorových galvanických izolačných obvodov zabraňuje prechodu jednosmerného prúdu.
Synchronizácia vysielača a prijímača je potrebná, aby prijímač presne vedel, v akom časovom bode je potrebné načítať nové informácie z komunikačnej linky.
Rozpoznanie a korekcia skreslených údajov je ťažké vykonať pomocou prostriedkov fyzickej vrstvy, takže túto prácu najčastejšie vykonávajú protokoly, ktoré ležia vyššie: kanál, sieť, transport alebo aplikácia. Na druhej strane, rozpoznávanie chýb zapnuté fyzickej úrovnišetrí čas, pretože prijímač nečaká na úplné umiestnenie rámca do vyrovnávacej pamäte, ale okamžite ho zahodí, keď v rámci rozpozná chybné bity.
Požiadavky na metódy kódovania sú navzájom protichodné, preto každá z populárnych metód digitálneho kódovania diskutovaná nižšie má v porovnaní s ostatnými svoje výhody a nevýhody.