Fyzický základ prenosu dát. Spôsoby prenosu dát na fyzickej vrstve. Fyzický základ prenosu dát
7. FYZICKÁ VRSTVA
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 aj modulácia alebo analógová modulácia , zdôrazňujúc skutočnosť, že kódovanie sa vykonáva zmenou parametrov analógového signálu. Druhý spôsob 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. Výsledkom použitia sínusoidy je užšie spektrum pri rovnakej informačnej rýchlosti. Implementácia modulácie si však vyžaduje zložitejšie a drahšie vybavenie ako implementácia pravouhlých impulzov.
V súčasnosti sa čoraz častejšie údaje, ktoré majú spočiatku analógovú formu - reč, televízny obraz - prenášajú cez komunikačné kanály v diskrétnej forme, to znamená vo forme postupnosti 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 - hlasový 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 modulácie nosnej sínusoidy na vysielacej strane a demodulácie na prijímacej strane, sa nazýva 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 počiatočných údajov sú prenášané sínusoidmi s rôznymi frekvenciami - f 0 a f 1,. Tento spôsob modulácie 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 dát 0 a 1 zodpovedajú signálom rovnakej frekvencie, ale s inou fázou, napríklad 0 a 180 stupňov alebo 0, 90, 180 a 270 stupňov.
Vo vysokorýchlostných modemoch sa často používajú kombinované metódy modulácie, spravidla amplitúda v kombinácii 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 f 0 = N/2. Amplitúdy týchto harmonických klesajú pomerne pomaly - s koeficientmi 1/3, 1/5, 1/7, ... harmonickej amplitúdy f 0 (obr. 28, a). V dôsledku toho potenciálne kódové spektrum vyžaduje širokú šírku pásma pre vysokokvalitný prenos. Okrem toho je potrebné vziať do úvahy, že v skutočnosti sa spektrum signálu neustále mení v závislosti od charakteru údajov. Preto spektrum výsledného potenciálneho kódového signálu pri prenose ľubovoľných dát zaberá pásmo od nejakej hodnoty blízkej 0 Hz po približne 7f 0 (harmonické s frekvenciami nad 7f 0 je možné zanedbať kvôli ich malému príspevku k výslednému signálu). Pre hlasovo-frekvenčný kanál sa horná hranica pre potenciálne kódovanie dosiahne pri dátovej rýchlosti 971 bps. V dôsledku toho sa potenciálne kódy na hlasových frekvenčných kanáloch nikdy nepoužijú.
Pri amplitúdovej modulácii sa spektrum skladá zo sínusoidy nosnej frekvencie f c 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 údajov pri použití dvoch úrovní amplitúdy (obr. 28, b). Frekvencia f m určuje šírku pásma linky pre danú metódu kódovania. Pri nízkej modulačnej frekvencii bude šírka spektra signálu tiež malá (rovná sa 2f m ), takže signály nebudú linkou skreslené, ak je jej šírka pásma väčšia alebo rovná 2f m . Pre hlasový frekvenčný kanál je tento spôsob modulácie prijateľný pri dátovej rýchlosti nie vyššej ako 3100/2=1550 bps. Ak sa na reprezentáciu údajov použijú 4 úrovne amplitúdy, potom sa kapacita kanála 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 modulácie tiež vhodné na prenos dát cez hlasovo-frekvenčný kanál.
Pri digitálnom kódovaní diskrétnych informácií sa používajú potenciálne a impulzné kódy. V potenciálových kódoch sa na reprezentáciu logických jednotiek a núl používa iba hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy sa neberú do úvahy. Impulzné kódy umožňujú reprezentovať binárne dáta buď impulzmi určitej polarity, alebo časťou impulzu - potenciálnym poklesom určitého smeru.
Pri použití pravouhlých impulzov na prenos diskrétnych informácií je potrebné zvoliť metódu kódovania, ktorá by súčasne dosiahla niekoľko cieľov:
· mal pri rovnakej bitovej rýchlosti najmenšiu šírku spektra výsledného signálu;
· zabezpečovaná synchronizácia medzi vysielačom a prijímačom;
· mal schopnosť rozpoznať chyby;
· mal nízke náklady na realizáciu.
Užšie spektrum signálov umožňuje dosiahnuť vyššiu rýchlosť prenosu dát na tej istej linke. Spektrum signálu často vyžaduje absenciu konštantnej zložky.
Synchronizácia vysielača a prijímača je potrebná, aby prijímač presne vedel, v akom časovom okamihu 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 v počítači alebo medzi počítačom a tlačiarňou. Preto sa v sieťach používajú takzvané samosynchronizačné kódy, ktorých signály nesú inštrukcie pre vysielač o tom, v akom časovom okamihu je potrebné rozpoznať nasledujúci bit (alebo niekoľko bitov). Akákoľvek ostrá hrana v signáli - takzvaná predná - môže byť dobrou indikáciou 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, takže každá z populárnych metód digitálneho kódovania diskutovaná nižšie má v porovnaní s ostatnými svoje výhody a nevýhody.
Na obr. 29a znázorňuje spôsob potenciálneho kódovania, ktorý sa tiež nazýva kódovanie žiadny návrat na nulu (Nie Návrat do nuly, NRZ) . Priezvisko odráža skutočnosť, že pri vysielaní sekvencie jednotiek sa signál počas cyklu 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 body, kedy sa majú dáta čítať. Aj s vysoko presným generátorom hodín sa prijímač môže pomýliť s momentom zberu dát, keďže frekvencie oboch generátorov nie sú nikdy úplne identické. Preto pri vysokých dátových rýchlostiach a dlhých sekvenciách jednotiek alebo núl môže malý nesúlad hodinových frekvencií viesť k chybe v celom cykle, a teda k čítaniu nesprávnej 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 vo svojej čistej forme nepoužíva v sieťach. Napriek tomu sa používajú jeho rôzne modifikácie, pri ktorých odpadá tak zlá samosynchronizácia kódu NRZ, ako aj prítomnosť konštantnej zložky. Atraktivita kódu NRZ, pre ktorú má zmysel ho vylepšovať, spočíva v pomerne nízkej frekvencii základnej harmonickej f 0, ktorá sa rovná N/2 Hz. Iné metódy kódovania, ako napríklad kódovanie Manchester, majú vyššiu základnú frekvenciu.
Ryža. 29. Spôsoby kódovania diskrétnych údajov
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.
Kód AMI čiastočne eliminuje DC a nedostatok problémov so samočasovaním, ktoré sú vlastné kódu NRZ. Stáva sa to pri odosielaní dlhých sekvencií jednotiek. V týchto prípadoch je signálom na linke sekvencia bipolárnych impulzov s rovnakým spektrom ako kód NRZ vysielajúcich striedavo nuly a jednotky, teda bez konštantnej zložky a so základnou harmonickou N/2 Hz (kde N je dátová bitová rýchlosť). Dlhé sekvencie núl sú nebezpečné aj pre kód AMI, ako aj pre kód NRZ - signál degeneruje do konštantného potenciálu nulovej amplitúdy. Preto kód AMI potrebuje 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 signálov teda naznačuje falošný impulz alebo zmiznutie správneho impulzu z vedenia. Takýto signál je tzv zakázaný signál (signál porušenie).
Kód AMI nepoužíva dve, ale tri úrovne signálu na riadok. Dodatočná vrstva vyžaduje zvýšenie výkonu vysielača o približne 3 dB na zabezpečenie rovnakej bitovej vernosti na linke, čo je všeobecná 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 prenáša 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 pri jednote (nie vrátiť do nula s tie obrátený , NRZI ) . Tento kód je užitočný v prípadoch, keď je použitie tretej úrovne signálu veľmi nežiaduce, napríklad v optické káble, kde sú stabilne rozpoznané dva stavy signálu – svetlo a tieň.
Okrem potenciálnych kódov sa v sieťach používajú aj impulzné kódy, kedy sú dáta reprezentované plným impulzom alebo jeho časťou – frontom. Najjednoduchší prípad tohto prístupu je bipolárny pulzný kód , v ktorom je jednotka reprezentovaná impulzom jednej polarity a nula je druhá (obr. 29, c). Každý impulz trvá polovicu cyklu. 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. Takže pri vysielaní všetkých núl alebo jednotiek sa 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.
V kóde Manchester sa na zakódovanie jednotiek a núl používa potenciálny pokles, teda predná časť impulzu. V kódovaní Manchester sú každé hodiny rozdelené na dve časti. Informácie sú zakódované potenciálnymi kvapkami, ktoré sa vyskytujú uprostred každého cyklu. Jednotka je zakódovaná nízkou až vysokou úrovňou signálu a nula je zakódovaná spätnou hranou. Na začiatku každého cyklu sa môže vyskytnúť hrana servisného 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. Nemá tiež konštantnú zložku a základná harmonická v najhoršom prípade (pri vysielaní sekvencie jednotiek alebo núl) má frekvenciu N Hz av najlepšom prípade (pri vysielaní striedavých jednotiek a núl) sa rovná N / 2 Hz, ako v kódoch AMI alebo NRZ. V priemere je šírka pásma manchesterského kódu jeden a pol krát užšia ako u bipolárneho pulzného kódu a základná harmonická osciluje okolo 3N/4. Manchester kód má ďalšiu výhodu oproti bipolárnemu pulznému kódu. Ten používa na prenos dát tri úrovne signálu, zatiaľ čo Manchester používa dve.
Na obr. 29, e ukazuje potenciálny kód so štyrmi úrovňami signálu pre kódovanie dát. Ide o kód 2B1Q, ktorého názov odráža jeho podstatu – každé dva bity (2B) sú v jednom cykle prenášané signálom, ktorý má štyri stavy (1Q). Pár bitov 00 zodpovedá potenciálu -2,5 V, pár bitov 01 zodpovedá potenciálu -0,833 V, pár 11 potenciálu +0,833 V a pár 10 potenciálu +2,5 V. Pri tejto metóde kódovania sú potrebné ďalšie opatrenia na zvládnutie dlhých sekvencií signálu, pretože konštantný signál je prevedený na identické páry bitov. Pri náhodnom bitovom vkladaní je spektrum signálu dvakrát užšie ako spektrum NRZ kódu, 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 boli štyri úrovne prijímačom jasne rozlíšené na pozadí rušenia.
Stránka 27 od 27 Fyzický základ prenosu dát(Komunikačné linky,)
Fyzický základ prenosu dát
Akákoľvek sieťová technológia musí poskytovať spoľahlivý a rýchly prenos diskrétnych dát cez komunikačné linky. A hoci sú medzi technológiami veľké rozdiely, sú založené na všeobecných 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.
linkyspojenia
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.
Link(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 šírku pásma 64 Kbps.
Kompozitný kanál(obvod) je cesta medzi dvoma koncovými uzlami siete. Zložené spojenie je tvorené jednotlivými medzičlánkami a vnútornými spojeniami v prepínačoch. Často sa epiteton „kompozitný" vynecháva a výraz „kanál" sa používa na označenie tak zloženého kanála, ako 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 znázornené dva varianty komunikačnej linky. V prvom prípade ( A) vedenie pozostáva z káblového segmentu s dĺžkou niekoľkých desiatok metrov a je spojnicou. V druhom prípade (b) je spoj zložený spoj nasadený v sieti s prepínaním okruhov. Takáto sieť by mohla byť primárna sieť alebo telefónnej siete.
Avšak, pre počítačová sieť táto linka je spojnicou, pretože spája dva susedné uzly a všetky spínacie medzizariadenia sú pre tieto uzly transparentné. Dôvod vzájomného nedorozumenia na úrovni počítačových špecialistov a špecialistov primárnych sietí je tu zrejmý.
Primárne siete sú špeciálne vytvorené za účelom poskytovania služieb prenosu dát pre počítačové a telefónne siete, o ktorých sa hovorí, že v takýchto prípadoch 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 medzizariadenia. Fyzickým médiom na prenos dát (fyzickým médiom) môže byť kábel, teda súprava vodičov, izolačných a ochranných plášťov a konektorov, ako aj zemská atmosféra alebo vonkajší priestor, ktorým sa šíria elektromagnetické vlny.
V prvom prípade sa hovorí o káblové prostredie, a v druhom - bezdrôtový.
V moderných telekomunikačných systémoch sa informácie prenášajú pomocou elektrický prúd alebo napätie, rádiové signály alebo svetelné signály- všetky tieto fyzikálne procesy sú oscilácie elektromagnetického poľa rôznych frekvencií.
Drôtové (nadzemné) vedenia Spojky sú drôty bez akýchkoľvek izolačných alebo tieniacich opletení, 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. Na niektorých miestach sú však stále zachované a pri absencii iných možností sa naďalej používajú na prenos počítačových údajov. Kvalita otáčok a odolnosť proti hluku týchto liniek zanecháva veľa požiadaviek.
káblové vedenia majú pomerne zložitú štruktúru. Kábel pozostáva z vodičov uzavretých v niekoľkých vrstvách izolácie: elektrickej, elektromagnetickej, mechanickej, 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, káble z optických vlákien. 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. Rýchlejšie kanály sú tie, ktoré používajú veľmi vysoké frekvenčné rozsahy(Very High Frequency, VHF), ktorý využíva frekvenčnú moduláciu (Frequency Modulation, FM). Používa sa aj na prenos dát. ultravysoké frekvenčné pásma(Ultra High Frequency, UHF), tiež tzv mikrovlnné rozsahy(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 takéto frekvencie využívajú buď satelitné kanály, alebo mikrovlnné kanály, alebo lokálne alebo mobilné siete kde je táto podmienka splnená.
2 Funkcie fyzickej vrstvy Reprezentácia bitov elektrickými/optickými signálmi Kódovanie bitov Synchronizácia bitov Prenos/príjem bitov po fyzických komunikačných kanáloch Koordinácia s fyzickým médiom Prenosová rýchlosť Rozsah Úrovne signálov, konektory Vo všetkých sieťových zariadeniach Hardvérová implementácia (sieťové adaptéry) Príklad: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 kód RbM, 105 ohm, M4
5 Zariadenie na prenos dát Správa prevodníka - El. signál Kódovač (kompresia, korekčné kódy) Modulátor Sprostredkovateľské vybavenie Zlepšenie kvality komunikácie - (Zosilňovač) Vytvorenie kompozitného kanála - (Prepínač) Multiplexovanie kanálov - (Multiplexer) (PA nemusí byť k dispozícii v LAN)
6 Hlavné charakteristiky komunikačných liniek Šírka pásma (Protokol) Spoľahlivosť prenosu dát (Protokol) Oneskorenie šírenia Frekvenčná odozva (AFC) Šírka pásma Útlm Odolnosť proti šumu Presluchy na blízkom konci linky Jednotková cena
9 Útlm A - jeden bod na frekvenčnú odozvu 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 log1 0 - 10. 3 dB q Príklad 2: UTP kat. 5 Útlm >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Zvyčajne je špecifikované A pre základné \u003d -23,6 dB F \u003d 100 MHz, L \u003d 100 M Zvyčajne sa pre hlavnú frekvenciu signálu uvádza A "> 
11 Odolnosť proti hluku Vedenia s optickými vláknami Káblové vedenia Drôtové nadzemné vedenia Rádiové spojenia (tienenie, skrútenie) Odolnosť voči vonkajšiemu rušeniu Odolnosť voči vnútornému rušeniu Útlm presluchu na blízkom konci (NEXT) Útlm presluchu na ďalekom konci (FEXT) (FEXT - dva páry v jednom smere)
12 Strata krížového hovoru na blízkom konci (NEXT) Pre viacpárové káble NEXT = 10 log Pout/Pout dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT 
13 Spoľahlivosť prenosu dát Bit Error Rate - BER Pravdepodobnosť skreslenia dátového bitu Príčiny: vonkajšie a vnútorné rušenie, úzka šírka pásma Boj: zvýšená odolnosť proti šumu, znížené rušenie NEXT, zvýšená šírka pásma
16 Twisted Pair Twisted Pair (TP) fóliový štít opletený drôt tienenie izolovaný drôt vonkajší plášť UTP netienený skrútený pár kategória 1, UTP opláštené páry mačiek Typ 1…9 Každý pár má svoj vlastný štít Každý pár má svoju vlastnú rozteč zákrutov, vlastnú farbu Interferencia Interferencia
18 Vláknová optika Celkový vnútorný odraz lúča na rozhraní medzi dvoma médiami 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"> title="18 Vláknová optika Celkový vnútorný odraz lúča na rozhraní medzi dvoma médiami 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 Gbps (2005) MMSM
23 Zdroje optického signálu Kanál: zdroj - nosný - prijímač (detektor) Zdroje LED (LED-Light Emitting Diod) 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, TV káble, bezpečnostné systémy atď. - univerzálna kabeláž bez odkazu na konkrétnu sieťovú technológiu - Constructor
27 Štandardy SCS (jadro) 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: Komunikačné médium. Topológia Povolené vzdialenosti (dĺžky káblov) Užívateľské rozhranie. Káble a spojovacie zariadenia. Šírka pásma (výkon). Inštalačná prax (Horizontálny subsystém - UTP, hviezda, 100 m...)
28 Bezdrôtová komunikácia Výhody bezdrôtového prenosu: 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, fn);
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 - (trubková základňa, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - prepínanie z jedného jadrovej siete na druhej strane - základňa 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 - dole 3,7 - 4,2 GHz hore 5,925-6,425 GHz Ku - dole 11,7-12,2 GHz 7 7 GHz hore-145 dole 14. GHz 0,5-30,5 GHz
36 Satelitná komunikácia. Typy satelitov Satelitná komunikácia: Mikrovlnná - priama viditeľnosť Geostacionárna Veľké pokrytie Pevné, Nízke opotrebovanie Nasledovný satelit, vysielanie, nízke náklady, náklady nezávislé od vzdialenosti, Okamžité pripojenie (Mil) Tc=300 ms Nízka bezpečnosť, Spočiatku veľká anténa (ale VSAT) MEO km Globálny polohovací systém GPS - 24 satelitov Nízka obežná dráha km nízke pokrytie Nízke pokrytie
40 Techniky rozprestretého spektra Špeciálne modulačné a kódovacie techniky pre bezdrôtová komunikácia C (Bits/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Zníženie výkonu Odolnosť proti hluku Stealth OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA
Používajú sa dva hlavné typy fyzického kódovania - na základe sínusového nosného signálu (analógová modulácia) a na základe sekvencie pravouhlých impulzov (digitálne kódovanie).
Analógová modulácia - na prenos diskrétnych dát cez kanál s úzkou šírkou pásma - telefónne siete kanál hlasovej frekvencie (šírka pásma od 300 do 3400 Hz) Zariadenie, ktoré vykonáva moduláciu a demoduláciu je modem.
Analógové modulačné metódy
n amplitúdová modulácia (nízka odolnosť voči šumu, často používaná v spojení s fázovou moduláciou);
n frekvenčná modulácia (komplikovaná technická implementácia, zvyčajne používaná v nízkorýchlostných modemoch).
n fázová modulácia.
Spektrum modulovaného 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 frekvenciou f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., kde f0 = N/2. Amplitúdy týchto harmonických klesajú pomaly - s koeficientmi 1/3, 1/5, 1/7, ... amplitúdy f0. Spektrum výsledného potenciálneho kódového signálu pri prenose ľubovoľných dát zaberá pásmo od nejakej hodnoty blízkej 0 po približne 7f0. Pre hlasovo-frekvenčný kanál je horná hranica prenosovej rýchlosti dosiahnutá pri dátovej rýchlosti 971 bitov za sekundu a dolná hranica je neprijateľná pre akékoľvek rýchlosti, pretože šírka pásma kanála 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 dátovým tokom pri použití dvoch úrovní amplitúdy. Frekvencia fm určuje kapacitu linky kedy túto metódu kódovanie. S malou modulačnou frekvenciou bude šírka spektra signálu dokonca 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 dátovej rýchlosti 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 hlasových frekvenčných kanálov.
Kvadratúrna amplitúdová modulácia (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 úplné impulzy, sa neberú do úvahy.
Pulzné kódy- reprezentujú binárne dáta buď impulzmi určitej polarity, alebo časťou impulzu - potenciálnym poklesom určitého smeru.
Požiadavky na metódu digitálneho kódovania:
Pri rovnakej bitovej rýchlosti mal najmenšiu šírku spektra výsledného signálu (užšie spektrum signálu umožňuje dosiahnuť vyššiu dátovú rýchlosť na tej istej linke, požiadavka je aj na absenciu konštantnej zložky, teda prítomnosť priamy prúd medzi vysielačom a prijímačom)
Zabezpečovala synchronizáciu medzi vysielačom a prijímačom (prijímač musí presne vedieť, v akom časovom bode má prečítať potrebné informácie z linky, v lokálnych systémoch - časovacie linky, v sieťach - samosynchronizačné kódy, ktorých signály nesú inštrukcie pre vysielač, v ktorom časovom bode by mal byť rozpoznaný ďalší bit);
mal schopnosť rozpoznať chyby;
Má nízke náklady na implementáciu.
Potenciálny kód bez návratu na nulu. NRZ (Non Return to Zero). Signál sa v rámci cyklu nevráti na nulu.
Je ľahko implementovateľný, má dobrú detekciu chýb v dôsledku dvoch výrazne odlišných signálov, 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. Ďalším nedostatkom je prítomnosť nízkofrekvenčnej zložky, ktorá sa pri vysielaní dlhých sekvencií jednotiek a núl blíži k nule. Vo svojej čistej forme sa kód používa zriedka, používajú sa úpravy. atraktívnosť - nízka frekvencia základná harmonická f0 = N /2.
Metóda bipolárneho kódovania s alternatívnou inverziou. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifikácia metódy NRZ.
Nulový potenciál sa používa na kódovanie nuly, logická jednotka je kódovaná buď pozitívnym potenciálom alebo záporným potenciálom, pričom potenciál každej ďalšej jednotky je opačný ako potenciál predchádzajúcej. Čiastočne odstraňuje problémy konštantnej zložky a chýbajúcu samosynchronizáciu. V prípade vysielania dlhej sekvencie jednotiek sekvencia impulzov rôznej polarity s rovnakým spektrom ako kód NRZ vysielajúca sekvenciu striedavých impulzov, teda bez konštantnej zložky a základnej harmonickej N/2. Vo všeobecnosti použitie AMI vedie k užšiemu spektru ako NRZ, a teda k vyššej kapacite spojenia. Napríklad pri vysielaní striedavých núl a jednotiek má základná harmonická f0 frekvenciu N/4. Je možné rozpoznať chybné prenosy, ale na zabezpečenie spoľahlivého príjmu je potrebné zvýšenie výkonu asi o 3 dB, pretože sa používajú skutočné úrovne signálu.
Potenciálny kód s inverziou pri jednote. (Bez návratu na nulu s invertovanými jednotkami, NRZI) Kód podobný AMI, ale s dvoma úrovňami signálu. Pri prenose nuly sa prenáša potenciál predchádzajúceho cyklu a pri prenose 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 šírka pásma klesá.
Ďalšou metódou je „zmiešanie“ počiatočných informácií 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. Jednotka je reprezentovaná impulzom jednej polarity a nula je reprezentovaná druhou. Každý impulz trvá polovicu cyklu.
Kód má vynikajúce vlastnosti samočasovania, ale pri vysielaní dlhej sekvencie núl alebo jednotiek sa môže vyskytnúť jednosmerná 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 kvapkami vyskytujúcimi sa v strede cyklu. Jednotka je zakódovaná prechodom z nízkej do vysokej a nula je zakódovaná spätnou hranou. Na začiatku každého cyklu sa môže objaviť horná signálna hrana, ak je potrebné reprezentovať niekoľko 1 alebo 0 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 frekvenciu N v najhoršom prípade a N / 2 v najlepšom.
Potenciálny kód 2B1Q. Každé dva bity sú prenášané v jednom 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 bitovom preložení je spektrum dvakrát užšie ako pri NRZ, pretože pri rovnakej bitovej rýchlosti sa trvanie hodín zdvojnásobí, to znamená, že je možné prenášať dáta dvakrát rýchlejšie na tej istej linke ako pomocou AMI, NRZI, ale potrebujete veľká sila vysielač.
Logické kódovanie
Navrhnuté na zlepšenie potenciálnych kódov, ako sú AMI, NRZI, 2B1Q, nahradenie dlhých sekvencií bitov vedúcich ku konštantnému potenciálu, ktorý sa prelína s jednotkami. Používajú sa dve metódy – redundantné kódovanie a skramblovanie.
Nadbytočné kódy sú založené na rozdelení pôvodnej sekvencie bitov na časti, ktoré sa často nazývajú znaky, po ktorých je každý pôvodný znak nahradený novým, ktorý má viac bitov ako pôvodný.
Kód 4B/5B nahrádza 4-bitové sekvencie 5-bitovými sekvenciami. Potom sa namiesto 16 bitových kombinácií získa 32. Z nich sa vyberie 16, ktoré neobsahujú veľký počet núl, zvyšok sa považuje za zakázané kódy (narušenie kódu). Okrem odstránenia DC a samosynchronizácie kódu umožňujú redundantné kódy prijímaču rozpoznať poškodené bity. Ak prijímač prijíma zakázané kódy, signál je na linke skreslený.
Tento kód sa prenáša po linke pomocou fyzického kódovania pomocou jednej z potenciálnych metód 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 8V/6T.
Na zabezpečenie špecifikovanej šírky pásma musí vysielač pracovať so zvýšenou hodinovou frekvenciou (pre 100 Mb/s - 125 MHz). Spektrum signálu sa v porovnaní s originálom rozširuje, no zostáva užšie ako spektrum manchesterského kódu.
Scrambler – miešanie dát so scramblerom pred ich prenosom z linky.
Metódy skramblovania spočívajú vo výpočte bitu po bite výsledného kódu na základe bitov zdrojového kódu a bitov výsledného kódu získaných v predchádzajúcich cykloch. Napríklad,
B i \u003d A i xor B i -3 x alebo B i -5,
kde B i je binárna číslica výsledného kódu získaného v i-tom cykle scramblera, A i je binárna číslica zdrojového kódu, ktorý prichádza do i-teho cyklu 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 odovzdá dekódovaču, ktorý použije inverznú transformáciu
C i \u003d B i xor 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 sa tiež označujú ako metódy skramblovania.
Na zlepšenie bipolárneho AMI sa používajú:
B8ZS (Bipolárna s 8-nulovou substitúciou) - opravuje len sekvencie pozostávajúce z 8 núl.
Za týmto účelom po prvých troch nulách namiesto zvyšných piatich vloží päť signálov V-1*-0-V-1*, kde V označuje jednotkový signál zakázaný pre daný cyklus polarity, teda signál, ktorý nemení polaritu predchádzajúcej jednotky, 1* je signál jednotky správnej polarity a znak hviezdičky, ale nula označuje tento cyklus, že v zdrojovom kóde nebol v zdrojovom kóde. Výsledkom je, že prijímač vidí 2 skreslenia na 8 cyklov - je veľmi nepravdepodobné, že 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, ktoré majú jeden signál V. Na potlačenie jednosmernej zložky sa polarita signálu V postupne mení. 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, postupnosť 1*00V.
Vylepšené kandidátske 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 údajov cez úzkopásmové kanály, ktorých typom je hlasový frekvenčný kanál dostupný používateľom verejných telefónnych sietí. Typická 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 modulácie nosnej sínusoidy 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 počiatočnej 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 dát medzi počítačovými blokmi.
Pri amplitúdovej modulácii (obr. 2.13, b) sa pre logickú jednotku zvolí 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.
Pri frekvenčnej modulácii (obr. 2.13, c) sú hodnoty 0 a 1 počiatočných 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, ako napríklad 0 a 180 stupňov alebo 0,90, 180 a 270 stupňov.
Vo vysokorýchlostných modemoch sa často používajú kombinované metódy modulácie, spravidla amplitúda v kombinácii s fázou.
Pri použití pravouhlých impulzov na prenos diskrétnych informácií je potrebné zvoliť metódu kódovania, ktorá by súčasne dosiahla niekoľko cieľov:
· mal pri rovnakej bitovej rýchlosti najmenšiu šírku spektra výsledného signálu;
Poskytnutá synchronizácia medzi vysielačom a prijímačom;
mal schopnosť rozpoznať chyby;
Má nízke náklady na implementáciu.
Užšie spektrum signálov umožňuje dosiahnuť vyššiu rýchlosť prenosu dát na rovnakej linke (s rovnakou šírkou pásma). Okrem toho spektrum signálu často vyžaduje absenciu konštantnej zložky, 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 okamihu je potrebné načítať nové informácie z komunikačnej linky.
Rozpoznanie a korekcia skreslených údajov je ťažké implementovať pomocou fyzickej vrstvy, preto túto prácu najčastejšie vykonávajú protokoly, ktoré ležia vyššie: kanál, sieť, transport alebo aplikácia. Na druhej strane detekcia chýb fyzickej úrovnišetrí čas, pretože prijímač nečaká na úplné uloženie rámca do vyrovnávacej pamäte, ale odmietne ho ihneď po rozpoznaní chybných bitov v rámci.
Požiadavky na metódy kódovania sú navzájom protichodné, takže každá z populárnych metód digitálneho kódovania diskutovaná nižšie má v porovnaní s ostatnými svoje výhody a nevýhody.
