Fizična osnova prenosa podatkov. Metode prenosa podatkov na fizični ravni. Fizična osnova prenosa podatkov

7. FIZIČNA PLAST

7.2. Diskretne metode prenosa podatkov

Pri prenosu diskretnih podatkov po komunikacijskih kanalih se uporabljata dve glavni vrsti fizičnega kodiranja - na podlagi sinusnega nosilnega signala in na podlagi zaporedja pravokotnih impulzov. Pogosto se imenuje tudi prva metoda modulacija oz analogna modulacija , s poudarkom na dejstvu, da se kodiranje izvaja s spreminjanjem parametrov analognega signala. Drugi način se imenuje digitalno kodiranje . Te metode se razlikujejo po širini spektra dobljenega signala in kompleksnosti opreme, potrebne za njihovo izvedbo.

Pri uporabi pravokotnih impulzov je spekter dobljenega signala zelo širok. Uporaba sinusoide povzroči ožji spekter pri enaki informacijski hitrosti. Izvedba modulacije pa zahteva zahtevnejšo in dražjo opremo kot izvedba pravokotnih impulzov.

Trenutno se vse pogosteje podatki, ki imajo sprva analogno obliko - govor, televizijska slika - prenašajo po komunikacijskih kanalih v diskretni obliki, to je v obliki zaporedja enic in ničel. Postopek predstavitve analognih informacij v diskretni obliki se imenuje diskretna modulacija .

Analogna modulacija se uporablja za prenos diskretnih podatkov po kanalih z ozkim frekvenčnim pasom – govorni frekvenčni kanal (javna telefonska omrežja). Ta kanal oddaja frekvence v območju od 300 do 3400 Hz, zato je njegova pasovna širina 3100 Hz.

Naprava, ki opravlja funkcije modulacije nosilne sinusoide na oddajni strani in demodulacije na sprejemni strani, se imenuje modem (modulator-demodulator).

Analogna modulacija je metoda fizičnega kodiranja, pri kateri so informacije kodirane s spreminjanjem amplitude, frekvence ali faze sinusnega signala. nosilna frekvenca(slika 27).

pri amplitudna modulacija (Sl. 27, b) za logično enoto je izbrana ena raven amplitude sinusoide nosilne frekvence, za logično ničlo pa druga. Ta metoda se v praksi redko uporablja v čisti obliki zaradi nizke odpornosti na hrup, vendar se pogosto uporablja v kombinaciji z drugo vrsto modulacije - fazno modulacijo.

pri frekvenčna modulacija (Sl. 27, c) vrednosti 0 in 1 začetnih podatkov prenašajo sinusoide z različnimi frekvencami - f 0 in f 1,. Ta metoda modulacije ne zahteva zapletenih vezij v modemih in se običajno uporablja v modemih z nizko hitrostjo, ki delujejo pri 300 ali 1200 bps.

pri fazna modulacija (Sl. 27, d) vrednosti podatkov 0 in 1 ustrezata signalom iste frekvence, vendar z drugo fazo, na primer 0 in 180 stopinj ali 0, 90, 180 in 270 stopinj.

V hitrih modemih se pogosto uporabljajo kombinirane metode modulacije, praviloma amplituda v kombinaciji s fazo.

riž. 27. Različne vrste modulacija

Spekter nastalega moduliranega signala je odvisen od vrste in hitrosti modulacije.

Za potencialno kodiranje se spekter neposredno pridobi iz Fourierjevih formul za periodično funkcijo. Če se diskretni podatki prenašajo z bitno hitrostjo N bit/s, je spekter sestavljen iz konstantne komponente ničelne frekvence in neskončnega niza harmonikov s frekvencami f 0 , 3f 0 , 5f 0 , 7f 0 , ... , kjer je f 0 = N/2. Amplitude teh harmonikov se precej počasi zmanjšujejo - s koeficienti 1/3, 1/5, 1/7, ... harmonične amplitude f 0 (slika 28, a). Posledično potencialni spekter kode zahteva široko pasovno širino za visokokakovosten prenos. Poleg tega je treba upoštevati, da se v resnici spekter signala nenehno spreminja glede na naravo podatkov. Zato spekter nastalega potencialnega kodnega signala med prenosom poljubnih podatkov zavzema pas od neke vrednosti blizu 0 Hz do približno 7f 0 (harmonike s frekvencami nad 7f 0 lahko zanemarimo zaradi njihovega majhnega prispevka k nastalemu signalu) . Za govorno-frekvenčni kanal je zgornja meja potencialnega kodiranja dosežena pri podatkovni hitrosti 971 bps. Posledično se potencialne kode na kanalih govorne frekvence nikoli ne uporabijo.

Pri amplitudni modulaciji je spekter sestavljen iz sinusoide nosilne frekvence f c in dva stranska harmonika: (f c + f m) in ( f c- f m), kjer f m - frekvenca spremembe informacijskega parametra sinusoide, ki sovpada s hitrostjo prenosa podatkov pri uporabi dveh ravni amplitude (slika 28, b). Pogostost f m določa pasovno širino linije za dano metodo kodiranja. Pri nizki frekvenci modulacije bo tudi širina spektra signala majhna (enaka 2f m ), tako da linija ne bo popačila signalov, če je njena pasovna širina večja ali enaka 2f m . Za glasovni frekvenčni kanal je ta metoda modulacije sprejemljiva pri podatkovni hitrosti največ 3100/2=1550 bps. Če se za predstavitev podatkov uporabljajo 4 ravni amplitude, se zmogljivost kanala poveča na 3100 bps.

riž. 28. Spektri signalov med potencialnim kodiranjem

in amplitudno modulacijo

Pri fazni in frekvenčni modulaciji je spekter signala bolj zapleten kot pri amplitudni modulaciji, saj se tu tvorita več kot dva stranska harmonika, ki pa sta tudi simetrično nameščena glede na glavno nosilno frekvenco in se njuni amplitudi hitro zmanjšujeta. Zato so te modulacije zelo primerne tudi za prenos podatkov preko govorno-frekvenčnega kanala.

Pri digitalnem kodiranju diskretnih informacij se uporabljajo potencialne in impulzne kode. V potencialnih kodah se za predstavitev logičnih enic in ničel uporablja samo vrednost potenciala signala, njegovi padci pa se ne upoštevajo. Impulzne kode omogočajo, da so binarni podatki predstavljeni z impulzi določene polarnosti ali z delom impulza - s padcem potenciala določene smeri.

Pri uporabi pravokotnih impulzov za prenos diskretnih informacij je treba izbrati način kodiranja, ki bi hkrati dosegel več ciljev:

· imel pri enaki bitni hitrosti najmanjšo širino spektra dobljenega signala;

· zagotovljena sinhronizacija med oddajnikom in sprejemnikom;

· imel sposobnost prepoznavanja napak;

· imela nizke stroške izvedbe.

Ožji spekter signalov omogoča doseganje večje hitrosti prenosa podatkov na isti liniji. Pogosto spekter signala zahteva odsotnost konstantne komponente.

Sinhronizacija oddajnika in sprejemnika je potrebna, da sprejemnik natančno ve, v katerem trenutku je treba prebrati nove informacije iz komunikacijske linije. Ta problem je težje rešljiv v omrežjih kot pri izmenjavi podatkov med tesno razmaknjenimi napravami, na primer med enotami znotraj računalnika ali med računalnikom in tiskalnikom. Zato se v omrežjih uporabljajo tako imenovane samosinhronizacijske kode, katerih signali prenašajo navodila za oddajnik, v katerem trenutku je treba prepoznati naslednji bit (ali več bitov). Vsak oster rob signala - tako imenovana fronta - je lahko dobra indikacija za sinhronizacijo sprejemnika z oddajnikom.

Pri uporabi sinusoide kot nosilnega signala ima nastala koda lastnost samosinhronizacije, saj sprememba amplitude nosilne frekvence omogoča sprejemniku, da določi trenutek, ko se pojavi vhodna koda.

Zahteve za metode kodiranja so medsebojno nasprotujoče, zato ima vsaka od spodaj obravnavanih priljubljenih metod digitalnega kodiranja svoje prednosti in slabosti v primerjavi z drugimi.

Na sl. 29a prikazuje metodo potencialnega kodiranja, imenovano tudi kodiranje ni povratka na nulo (Non Vrnitev na ničlo, NRZ) . Priimek odraža dejstvo, da se pri prenosu zaporedja enic signal med ciklom ne vrne na nič. Metoda NRZ je enostavna za implementacijo, ima dobro prepoznavanje napak (zaradi dveh močno različnih potencialov), vendar nima lastnosti samosinhronizacije. Pri oddaji dolgega zaporedja enic ali ničel se signal na liniji ne spremeni, zato sprejemnik iz vhodnega signala ne more določiti časovnih točk, ko naj se podatki preberejo. Tudi z zelo natančnim taktnim generatorjem se sprejemnik lahko zmoti s trenutkom zajema podatkov, saj frekvenci obeh generatorjev nikoli nista povsem enaki. Zato lahko pri visokih hitrostih prenosa podatkov in dolgih zaporedjih enic ali ničel majhna neusklajenost taktnih frekvenc povzroči napako v celotnem ciklu in posledično branje napačne bitne vrednosti.

Druga resna pomanjkljivost metode NRZ je prisotnost nizkofrekvenčne komponente, ki se pri oddajanju dolgih zaporedij enic ali ničel približuje ničli. Zaradi tega številni komunikacijski kanali, ki ne zagotavljajo neposredne galvanske povezave med sprejemnikom in izvorom, ne podpirajo te vrste kodiranja. Posledično se koda NRZ v svoji čisti obliki ne uporablja v omrežjih. Kljub temu se uporabljajo njegove različne modifikacije, v katerih sta odpravljena tako slaba samosinhronizacija kode NRZ kot prisotnost konstantne komponente. Privlačnost kode NRZ, zaradi katere jo je smiselno izboljšati, je v precej nizki frekvenci osnovnega harmonika f 0, ki je enaka N/2 Hz. Druge metode kodiranja, kot je Manchester, imajo višjo osnovno frekvenco.

riž. 29. Načini diskretnega kodiranja podatkov

Ena izmed modifikacij metode NRZ je metoda bipolarno kodiranje z alternativno inverzijo (Bipolarna Nadomestna inverzija oznak, AMI). Ta metoda (slika 29, b) uporablja tri potencialne ravni - negativno, ničelno in pozitivno. Za kodiranje logične ničle se uporablja ničelni potencial, logična enota pa je kodirana s pozitivnim ali negativnim potencialom, pri čemer je potencial vsake nove enote nasproten potencialu prejšnje.

Koda AMI delno odpravi težave z enosmernim tokom in pomanjkanjem samočasenja, ki sta del kode NRZ. To se zgodi pri pošiljanju dolgih zaporedij enic. V teh primerih je signal na liniji zaporedje bipolarnih impulzov z enakim spektrom kot koda NRZ, ki oddaja izmenično ničle in enice, to je brez konstantne komponente in z osnovnim harmonikom N/2 Hz (kjer je N bitna hitrost podatkov). Dolga zaporedja ničel so nevarna tudi za kodo AMI, pa tudi za kodo NRZ - signal se degenerira v konstanten potencial ničelne amplitude. Zato je treba kodo AMI še izboljšati.

Na splošno za različne kombinacije bitov na liniji uporaba kode AMI vodi do ožjega spektra signala kot pri kodi NRZ in s tem do višje pasovna širina vrstice. Na primer, pri oddajanju izmeničnih enic in ničel ima osnovni harmonik f 0 frekvenco N/4 Hz. Koda AMI ponuja tudi nekatere funkcije za prepoznavanje napačnih signalov. Tako kršitev stroge menjave polarnosti signalov kaže na lažni impulz ali izginotje pravilnega impulza iz linije. Takšen signal se imenuje prepovedan signal (signal kršitev).

Koda AMI ne uporablja dveh, ampak tri ravni signala na vrstico. Dodatni sloj zahteva povečanje moči oddajnika za približno 3 dB, da se zagotovi enaka zvestoba bitov na liniji, kar je splošna pomanjkljivost kod z več stanji signala v primerjavi s kodami, ki razlikujejo le med dvema stanjema.

Obstaja koda, podobna AMI, vendar s samo dvema nivojema signala. Pri oddaji ničle odda potencial, ki je bil nastavljen v prejšnjem ciklu (se pravi, da ga ne spremeni), pri oddaji enice pa se potencial obrne v nasprotno. Ta koda se imenuje potencialna koda z inverzijo na enoto (ne vrnitev do Nič z tiste obrnjeno , NRZI ) . Ta koda je uporabna v primerih, ko je uporaba tretje ravni signala zelo nezaželena, na primer v optični kabli, kjer se stabilno prepoznata dve signalni stanji - svetloba in senca.

Omrežja poleg potencialnih kod uporabljajo tudi impulzne kode, ko so podatki predstavljeni s celotnim impulzom ali njegovim delom – fronto. Najenostavnejši primer tega pristopa je bipolarna pulzna koda , v katerem je enota predstavljena z impulzom ene polarnosti, nič pa je druga (slika 29, c). Vsak impulz traja pol cikla. Ta koda je odlična samosinhronizacijo lastnosti, lahko pa je prisotna konstantna komponenta, na primer pri prenosu dolgega zaporedja enic ali ničel. Poleg tega je njegov spekter širši od potencialnih kod. Tako bo pri prenosu vseh ničel ali enic frekvenca osnovnega harmonika kode enaka N Hz, kar je dvakrat višje od osnovnega harmonika kode NRZ in štirikrat višje od osnovnega harmonika kode AMI. pri prenosu izmenjujočih se enic in ničel. Zaradi preširokega spektra se bipolarna pulzna koda redko uporablja.

IN lokalna omrežja Do nedavnega je bil najpogostejši način kodiranja t.i koda Manchester (Slika 29, d). Uporablja se v tehnologijah Ethernet in Token Ring.

V Manchestrski kodi se za kodiranje enic in ničel uporablja padec potenciala, to je sprednji del impulza. V Manchestrskem kodiranju je vsaka ura razdeljena na dva dela. Informacije so kodirane s potencialnimi padci, ki se pojavijo sredi vsakega cikla. Enota je kodirana z nizkim proti visokim nivojem signala, ničla pa z reverznim robom. Na začetku vsakega cikla se lahko pojavi rob storitvenega signala, če morate zaporedoma predstaviti več enic ali ničel. Ker se signal spremeni vsaj enkrat na cikel prenosa enega podatkovnega bita, je koda Manchester dobra samosinhronizacijo lastnosti. Pasovna širina kode Manchester je ožja od pasovne širine bipolarnega impulza. Prav tako nima konstantne komponente, osnovni harmonik pa ima v najslabšem primeru (pri oddajanju zaporedja enic ali ničel) frekvenco N Hz, v najboljšem primeru (pri oddajanju izmeničnih enic in ničel) pa je enak na N / 2 Hz, kot pri kodah AMI ali NRZ. V povprečju je pasovna širina Manchestrske kode enkrat in pol ožja od pasovne širine bipolarne impulzne kode, osnovni harmonik pa niha okoli 3N/4. Manchesterska koda ima še eno prednost pred bipolarno pulzno kodo. Slednji za prenos podatkov uporablja tri nivoje signala, Manchester pa dva.

Na sl. 29, e prikazuje potencialno kodo s štirimi nivoji signala za kodiranje podatkov. To je koda 2B1Q, katere ime odraža njeno bistvo - vsaka dva bita (2B) se v enem ciklu preneseta s signalom, ki ima štiri stanja (1Q). Bit 00 je -2,5 V, bit 01 je -0,833 V, bit 11 je +0,833 V in bit 10 je +2,5 V. zaporedja enakih parov bitov, saj se v tem primeru signal pretvori v konstantno komponento. Pri naključnem bitnem prepletanju je spekter signala dvakrat ožji kot pri NRZ kodi, saj se pri isti bitni hitrosti trajanje takta podvoji. Tako lahko s kodo 2B1Q prenašate podatke po isti liniji dvakrat hitreje kot z uporabo kode AMI ali NRZI. Vendar pa mora biti za njegovo izvedbo moč oddajnika višja, tako da sprejemnik jasno razlikuje štiri nivoje glede na ozadje motenj.

Stran 27 od 27 Fizična osnova prenosa podatkov(komunikacijske linije,)

Fizična osnova prenosa podatkov

Vsaka omrežna tehnologija mora zagotavljati zanesljiv in hiter prenos diskretnih podatkov po komunikacijskih linijah. In čeprav so med tehnologijami velike razlike, temeljijo na splošnih načelih diskretnega prenosa podatkov. Ta načela so utelešena v metodah za predstavitev binarnih enic in ničel z uporabo impulznih ali sinusnih signalov v komunikacijskih linijah različne fizične narave, metodah odkrivanja in odpravljanja napak, metodah stiskanja in metodah preklapljanja.

vrsticepovezave

Primarna omrežja, linije in komunikacijski kanali

Pri opisovanju tehničnega sistema, ki prenaša informacije med omrežnimi vozlišči, lahko v literaturi najdemo več imen: komunikacijska linija, sestavljeni kanal, kanal, povezava. Ti izrazi se pogosto uporabljajo zamenljivo in v mnogih primerih to ne povzroča težav. Hkrati pa obstajajo posebnosti pri njihovi uporabi.

Povezava(link) je segment, ki omogoča prenos podatkov med dvema sosednjima omrežnima vozliščema. To pomeni, da povezava ne vsebuje vmesnih preklopnih in multipleksnih naprav.

kanal(kanal) najpogosteje označujejo del pasovne širine povezave, ki se samostojno uporablja pri preklapljanju. Na primer, primarna omrežna povezava je lahko sestavljena iz 30 kanalov, od katerih ima vsak pasovno širino 64 Kbps.

Kompozitni kanal(vezje) je pot med dvema končnima vozliščema omrežja. Sestavljeno povezavo tvorijo posamezne vmesne povezave in notranje povezave v kretnicah. Pogosto je epitet "kompozitni" izpuščen in izraz "kanal" se uporablja za označevanje tako sestavljenega kanala kot kanala med sosednjimi vozlišči, to je znotraj povezave.

Komunikacijska linija se lahko uporablja kot sinonim za katerega koli od ostalih treh izrazov.

Na sl. prikazani sta dve različici komunikacijske linije. V prvem primeru ( A) vod je sestavljen iz odseka kabla dolžine več deset metrov in je povezava. V drugem primeru (b) je povezava sestavljena povezava, nameščena v omrežju s komutiranim krogom. Takšna mreža bi lahko bila primarno omrežje ali telefonskega omrežja.

Vendar pa za računalniško omrežje ta linija je povezava, saj povezuje dve sosednji vozlišči in je vsa preklopna vmesna oprema transparentna za ta vozlišča. Tu je očiten razlog za medsebojno nerazumevanje na ravni pojmov računalničarji in strokovnjaki za primarna omrežja.

Primarna omrežja so posebej ustvarjena za zagotavljanje storitev prenosa podatkov za računalniška in telefonska omrežja, ki naj bi v takih primerih delovala "na vrhu" primarnih omrežij in so prekrivna omrežja.

Klasifikacija komunikacijskih vodov

Komunikacijska linija na splošno sestoji iz fizičnega medija, prek katerega se prenašajo električni informacijski signali, opreme za prenos podatkov in vmesne opreme. Fizični medij za prenos podatkov (fizični medij) je lahko kabel, to je skupek žic, izolacijskih in zaščitnih ovojov ter konektorjev, pa tudi zemeljska atmosfera ali vesolje, po katerem se širijo elektromagnetni valovi.

V prvem primeru se govori o žično okolje, in v drugem - brezžično.

V sodobnih telekomunikacijskih sistemih se informacije prenašajo z uporabo električni tok ali napetost, radijski ali svetlobni signali- vsi ti fizični procesi so nihanja elektromagnetnega polja različnih frekvenc.

Žični (nadzemni) vodi vezice so žice brez kakršnih koli izolacijskih ali zaščitnih pletenic, ki so položene med drogove in visijo v zraku. Še v nedavni preteklosti so bile takšne komunikacijske linije glavne za prenos telefonskih ali telegrafskih signalov. Danes žične komunikacijske linije hitro zamenjujejo kabelske. Toda ponekod so še vedno ohranjeni in se v odsotnosti drugih možnosti še naprej uporabljajo za prenos računalniških podatkov. Hitrostne lastnosti in odpornost proti hrupu teh linij puščajo veliko želenega.

kabelske linije imajo precej zapleteno strukturo. Kabel je sestavljen iz vodnikov, obdanih z več plastmi izolacije: električno, elektromagnetno, mehansko in morda klimatsko. Poleg tega je kabel lahko opremljen s priključki, ki vam omogočajo hitro povezavo različne opreme. V računalniških (in telekomunikacijskih) omrežjih se uporabljajo tri glavne vrste kablov: kabli, ki temeljijo na sukanih parih bakrenih žic - neoklopljen sukani par(Unshielded Twisted Pair, UTP) in oklopljeni sukani par(oklopljeni sukani par, STP), koaksialni kabli z bakrenim jedrom, kabli iz optičnih vlaken. Imenujejo se tudi prvi dve vrsti kablov bakreni kabli.

radijski kanali prizemne in satelitske komunikacije se oblikujejo z uporabo oddajnika in sprejemnika radijskih valov. Obstaja veliko vrst radijskih kanalov, ki se razlikujejo tako po uporabljenem frekvenčnem območju kot po območju kanala. Oddajni radijski pasovi(dolgi, srednji in kratki valovi), imenovani tudi AM pasovi, ali območja amplitudne modulacije (Amplitude Modulation, AM), zagotavljajo komunikacijo na dolge razdalje, vendar z nizko hitrostjo prenosa podatkov. Hitrejši kanali so tisti, ki uporabljajo zelo visokofrekvenčna območja(Very High Frequency, VHF), ki uporablja frekvenčno modulacijo (Frequency Modulation, FM). Uporablja se tudi za prenos podatkov. ultravisokih frekvenčnih pasovih(Ultra High Frequency, UHF), imenovan tudi mikrovalovna območja(nad 300 MHz). Pri frekvencah nad 30 MHz se signali ne odbijajo več od zemeljske ionosfere, stabilna komunikacija pa zahteva vidno polje med oddajnikom in sprejemnikom. Zato takšne frekvence uporabljajo ali satelitske kanale, ali mikrovalovne kanale, ali lokalne oz mobilna omrežja kjer je ta pogoj izpolnjen.

2 Funkcije fizičnega sloja Predstavitev bitov z električnimi/optičnimi signali Kodiranje bitov Sinhronizacija bitov Prenos/sprejem bitov preko fizičnih komunikacijskih kanalov Usklajevanje s fizičnim medijem Hitrost prenosa Razdalja Nivo signala, priključki V vseh omrežnih napravah Izvedba strojne opreme (omrežni adapterji) ) Primer: 10 BaseT - UTP kat. 3, 100 ohm, 100 m, 10 Mbps, koda MII, RJ-45

5 Oprema za prenos podatkov Pretvornik sporočil - El. Kodirnik signala (kompresija, kode popravkov) Modulator Vmesna oprema Izboljšanje kakovosti komunikacije - (Ojačevalnik) Ustvarjanje kompozitnega kanala - (Stikalo) Multipleksiranje kanalov - (Multiplekser) (PA morda ni na voljo v LAN)

6 Glavne značilnosti komunikacijskih linij Pasovna širina (protokol) Zanesljivost prenosa podatkov (protokol) Zakasnitev širjenja Frekvenčni odziv (AFC) Pasovna širina Slabljenje Odpornost proti šumu Preslušavanje na bližnjem koncu linije Cena na enoto

9 Slabljenje A - ena točka na frekvenčni odziv A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Primer 1: Pin = 10 mW, Pout =5 mW Slabljenje = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Primer 2: UTP cat 5 Slabljenje >= -23,6 dB F= 100MHz, L= 100M Običajno je A označen za osnovni frekvenco signala. \u003d -23,6 dB F \u003d 100 MHz, L \u003d 100 M Običajno je A označena za glavno frekvenco signala ">

11 Odpornost proti šumu Proge iz optičnih vlaken Kabelske linije Žični nadzemni vodi Radijske povezave (zaščita, zvijanje) Odpornost na zunanje motnje Odpornost na notranje motnje Slabljenje preslušavanja na bližnjem koncu (NASLEDNJE) Slabljenje navzkrižnega preslušavanja na daljnem koncu (FEXT) (FEXT - dva para v eno smer)

12 Izguba navzkrižnega pogovora na bližnjem koncu (NASLEDNJE) Za kable z več paricami NASLEDNJE = 10 log Pout/Pout dB NASLEDNJE = NASLEDNJE (L) UTP 5: NASLEDNJE

13 Zanesljivost prenosa podatkov Bit Error Rate - BER Verjetnost izkrivljanja podatkovnih bitov Vzroki: zunanje in notranje motnje, ozka pasovna širina Boj: povečana odpornost proti hrupu, zmanjšana motnja NEXT, povečana pasovna širina Prepleteni parni kabel BER ~ Optični kabel BER ~ Brez dodatne zaščite: : korektivne kode, protokoli s ponavljanjem

16 Twisted Pair Twisted Pair (TP) oklop iz folije, pletena žica, ščit, izolirana žica, zunanji ovoj UTP Neoklopljen sukani par Kategorija 1, UTP oplaščeni par Kategorija STP Tipi 1…9 Vsak par ima svoj oklop Vsak par ima lastno zvijanje višine , lastna barva Odpornost na motnje Stroški Kompleksnost polaganja

18 Optična vlakna Popolni notranji odboj žarka na vmesniku med dvema medijema n1 > n2 - (lomni količnik) n1 n2 n2 - (lomni količnik) n1 n2"> n2 - (lomni količnik) n1 n2"> n2 - (lomni količnik) n1 n2" title="18 Optična vlakna Popolni notranji odboj žarka na meji dveh mediji n1 > n2 - (lomni količnik) n1 n2"> title="18 Optična vlakna Popolni notranji odboj žarka na vmesniku med dvema medijema n1 > n2 - (lomni količnik) n1 n2"> !}

22 Optični kabel Multi Mode Fiber MMF50/125, 62.5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9.5/125 D = 250 µm 1 GHz - 100 km BaseLH5000km - 1 Gbps (2005) MMSM

23 Optični viri signala Kanal: vir - nosilec - sprejemnik (detektor) Viri LED (LED-Light Emitting Diod) nm nekoherentni vir - MMF Polprevodniški laserski koherentni vir - SMF - Moč = f (t o) Detektorji Fotodiode, pin diode, lavinske diode

25 Structured Cable System - SCS First LANs - razni kabli in topologija Poenotenje kabelskega sistema SCS - odprta LAN kabelska infrastruktura (podsistemi, komponente, vmesniki) - neodvisnost od omrežna tehnologija- LAN, TV kabli, varnostni sistemi itd. - univerzalno kabliranje brez sklicevanja na specifično omrežno tehnologijo - Konstruktor

27 Standardi SCS (jedrni) EIA/TIA-568A Standard za telekomunikacijsko ožičenje komercialnih stavb (ZDA) CENELEC EN50173 Zahteve glede zmogljivosti generičnih shem kablov (Evropa) ISO/IEC IS Informacijska tehnologija - Splošno kabliranje za kable v prostorih strank Za vsak podsistem: Komunikacijski medij . Topologija Dovoljene razdalje (dolžine kablov) Uporabniški priključni vmesnik. Kabli in priključna oprema. Pasovna širina (zmogljivost). Praksa vgradnje (horizontalni podsistem - UTP, zvezda, 100 m...)

28 Brezžična komunikacija Prednosti brezžičnega prenosa: priročnost, nedostopna območja, mobilnost. hitra uvedba ... Slabosti: visoka stopnja motenj ( posebna sredstva: kode, modulacija ...), zahtevnost uporabe nekaterih obsegov Komunikacijska linija: oddajnik - medij - sprejemnik Značilnosti LAN ~ F (Δf, fn);

34 2. Celična telefonija Razdelitev ozemlja na celice Ponovna uporaba frekvenc Nizka moč (dimenzije) V središču - bazna postaja Evropa - Globalni mobilni sistem - Brezžični GSM telefonske komunikacije 1. Radijska postaja nizke moči - (cevna baza, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - preklop z enega jedrnega omrežja na drugi strani - osnova mobilna komunikacija

35 Satelitska povezava Na osnovi satelita (reflektor-ojačevalnik) Oddajniki – H~50 MHz transponderji (1 satelit ~ 20 transponderjev) Frekvenčni pasovi: C. Ku, Ka C - navzdol 3,7 - 4,2 GHz navzgor 5,925-6,425 GHz Ku - navzdol 11,7- 12,2 GHz navzgor 14,0–14,5 GHz Ka – navzdol 17,7–21,7 GHz navzgor 27,5–30,5 GHz

36 Satelitska komunikacija. Vrste satelitov Satelitska komunikacija: mikrovalovna - vidna linija Geostacionarna Velika pokritost Fiksna, Nizka obraba Sledilni satelit, oddajanje, nizka cena, cena neodvisna od razdalje, Trenutna vzpostavitev povezave (Mil) T3=300 ms Nizka varnost, Na začetku velika antena (vendar VSAT) MEO km Globalni sistem za določanje položaja GPS - 24 satelitov LEO km nizka pokritost nizka zakasnitev Dostop do interneta

40 Tehnike razpršenega spektra Posebne tehnike modulacije in kodiranja za brezžično komunikacijo C (Biti/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Zmanjšanje moči Odpornost proti šumu Stealth OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Uporabljata se dve glavni vrsti fizičnega kodiranja - na podlagi sinusnega nosilnega signala (analogna modulacija) in na osnovi zaporedja pravokotnih impulzov (digitalno kodiranje).

Analogna modulacija - za prenos diskretnih podatkov po kanalu z ozko pasovno širino - telefonska omrežja govorni frekvenčni kanal (pasovna širina od 300 do 3400 Hz) Naprava, ki izvaja modulacijo in demodulacijo je modem.

Metode analogne modulacije

n amplitudna modulacija (nizka odpornost na hrup, pogosto uporabljena v povezavi s fazno modulacijo);

n frekvenčna modulacija (zapletena tehnična izvedba, ki se običajno uporablja pri nizkohitrostnih modemih).

n fazna modulacija.

Spekter moduliranega signala

Potencialna koda- če se diskretni podatki prenašajo s hitrostjo N bitov na sekundo, potem je spekter sestavljen iz konstantne komponente ničelne frekvence in neskončnega niza harmonikov s frekvenco f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., kjer je f0 = N/2. Amplitude teh harmonikov se počasi zmanjšujejo - s koeficienti 1/3, 1/5, 1/7, ... amplitude f0. Spekter nastalega potencialnega kodnega signala pri prenosu poljubnih podatkov zavzema pas od neke vrednosti blizu 0 do približno 7f0. Za govorno-frekvenčni kanal je zgornja meja hitrosti prenosa dosežena pri podatkovni hitrosti 971 bitov na sekundo, spodnja meja pa je nesprejemljiva za vse hitrosti, saj se pasovna širina kanala začne pri 300 Hz. To pomeni, da se potencialne kode ne uporabljajo na glasovnih frekvenčnih kanalih.

Amplitudna modulacija- spekter je sestavljen iz sinusoide nosilne frekvence fc in dveh stranskih harmonikov fc+fm in fc-fm, kjer je fm frekvenca spremembe informacijskega parametra sinusoide, ki sovpada s hitrostjo prenosa podatkov pri uporabi dveh amplitudnih nivojev. . Frekvenca fm določa zmogljivost linije, ko ta metoda kodiranje. Pri majhni frekvenci modulacije bo širina spektra signala celo majhna (enaka 2fm), signalov pa linija ne bo popačila, če je pasovna širina večja ali enaka 2fm. Za glasovni frekvenčni kanal je ta metoda sprejemljiva pri hitrosti prenosa podatkov, ki ni višja od 3100 / 2 = 1550 bitov na sekundo.

Fazna in frekvenčna modulacija- spekter je bolj kompleksen, vendar simetričen, z velikim številom hitro padajočih harmonikov. Te metode so primerne za prenos glasovnih frekvenc.

Kvadraturna amplitudna modulacija (kvadratna amplitudna modulacija) - fazna modulacija z 8 vrednostmi faznega premika in amplitudna modulacija s 4 vrednostmi amplitude. Ne uporablja se vseh 32 kombinacij signalov.

Digitalno kodiranje

Potencialne kode- za predstavitev logičnih enic in ničel se uporablja le vrednost potenciala signala, njegovi padci, ki tvorijo celotne impulze, pa se ne upoštevajo.

Pulzne kode- predstaviti binarne podatke bodisi z impulzi določene polarnosti, bodisi z delom impulza - s padcem potenciala določene smeri.

Zahteve za metodo digitalnega kodiranja:

Pri enaki bitni hitrosti je imel najmanjšo širino spektra dobljenega signala (ožji spekter signala omogoča doseganje višje hitrosti prenosa podatkov na isti liniji, obstaja tudi zahteva po odsotnosti konstantne komponente , to je prisotnost enosmerni tok med oddajnikom in sprejemnikom)

Zagotavlja sinhronizacijo med oddajnikom in sprejemnikom (sprejemnik mora natančno vedeti, v katerem trenutku prebrati potrebne informacije iz linije, v lokalnih sistemih - časovne linije, v omrežjih - samosinhronizirajoče se kode, katerih signali prenašajo navodila za oddajnik o tem, kdaj je treba izvesti prepoznavanje naslednjega bita);

Imel sposobnost prepoznavanja napak;

Ima nizke stroške izvedbe.

Potencialna koda brez vrnitve na nič. NRZ (brez povratka na nič). Signal se v ciklu ne vrne na nič.

Je enostaven za izvedbo, ima dobro zaznavanje napak zaradi dveh močno različnih signalov, vendar nima lastnosti sinhronizacije. Pri oddaji dolgega zaporedja ničel ali enic se signal na liniji ne spremeni, zato sprejemnik ne more ugotoviti, kdaj je treba podatke ponovno prebrati. Druga pomanjkljivost je prisotnost nizkofrekvenčne komponente, ki se pri prenosu dolgih zaporedij enic in ničel približuje ničli. V svoji čisti obliki se koda redko uporablja, uporabljajo se modifikacije. Privlačnost - nizka frekvenca osnovni harmonik f0 = N /2.

Metoda bipolarnega kodiranja z alternativno inverzijo. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifikacija metode NRZ.

Za kodiranje ničle se uporablja ničelni potencial, logična enota je kodirana s pozitivnim ali negativnim potencialom, medtem ko je potencial vsake naslednje enote nasproten potencialu prejšnje. Delno odpravi težave s konstantno komponento in pomanjkanjem samosinhronizacije. V primeru oddajanja dolgega zaporedja enic, zaporedje impulzov različnih polaritet z enakim spektrom kot koda NRZ, ki oddaja zaporedje izmeničnih impulzov, to je brez konstantne komponente in osnovnega harmonika N/2. Na splošno uporaba AMI povzroči ožji spekter kot NRZ in s tem večjo zmogljivost povezave. Na primer, pri oddajanju izmeničnih ničel in enic ima osnovni harmonik f0 frekvenco N/4. Napačne prenose je mogoče prepoznati, vendar je za zagotovitev zanesljivega sprejema potrebno povečanje moči za približno 3 dB, saj se uporabljajo prave ravni signala.

Potencialna koda z inverzijo na enoto. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Koda podobna AMI, vendar z dvema nivojema signala. Pri prenosu ničle se prenaša potencial prejšnjega cikla, pri prenosu enice pa se potencial obrne na nasprotnega. Koda je priročna v primerih, ko uporaba tretje stopnje ni zaželena (optični kabel).

Za izboljšanje AMI se uporabljata dve metodi, NRZI. Prvi je dodajanje odvečnih enot v kodo. Pojavi se lastnost samosinhronizacije, konstantna komponenta izgine in spekter se zoži, vendar se uporabna pasovna širina zmanjša.

Druga metoda je "mešanje" začetnih informacij na tak način, da se verjetnost pojava enic in ničel na vrstici približa - premešano. Oba načina sta logično kodiranje, saj ne določata oblike signalov na liniji.

Bipolarna impulzna koda. Enica je predstavljena z impulzom ene polarnosti, ničla pa z drugo. Vsak impulz traja pol cikla.

Koda ima odlične lastnosti samočasenja, vendar lahko pri prenosu dolgega zaporedja ničel ali enic obstaja komponenta enosmernega toka. Spekter je širši od potencialnih kod.

koda Manchester. Najpogostejša koda, ki se uporablja v Ethernetna omrežja, Token Ring.

Vsak ukrep je razdeljen na dva dela. Informacije so kodirane s potencialnimi padci, ki se pojavijo sredi cikla. Enota je kodirana s prehodom nizko-visoko, ničla pa z reverznim robom. Na začetku vsakega cikla se lahko pojavi rob signala nad glavo, če je treba v vrsti predstaviti več 1 ali 0. Koda ima odlične lastnosti samosinhronizacije. Pasovna širina je ožja kot pri bipolarnem impulzu, ni konstantne komponente, osnovni harmonik pa ima frekvenco N v najslabšem primeru in N/2 v najboljšem.

Potencialna koda 2B1Q. Vsaka dva bita se v enem ciklu preneseta s signalom štirih stanj. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Za obravnavo dolgih zaporedij enakih parov bitov so potrebna dodatna sredstva. Z naključnim bitnim prepletanjem je spekter dvakrat ožji kot pri NRZ, saj se pri enaki bitni hitrosti čas cikla podvoji, kar pomeni, da se podatki lahko prenašajo po isti liniji dvakrat hitreje kot pri uporabi AMI, NRZI, vendar je treba velika moč oddajnik.

Logično kodiranje

Zasnovan za izboljšanje potencialnih kod, kot so AMI, NRZI, 2B1Q, z zamenjavo dolgih zaporedij bitov, ki vodijo do konstantnega potenciala, prepletenega z enicami. Uporabljata se dve metodi - redundantno kodiranje in kodiranje.

Odvečne kode temeljijo na razdelitvi prvotnega zaporedja bitov na dele, ki se pogosto imenujejo znaki, po katerih se vsak izvirni znak nadomesti z novim, ki ima več bitov kot prvotni.

Koda 4B/5B nadomešča 4-bitna zaporedja s 5-bitnimi zaporedji. Nato se namesto 16 bitnih kombinacij dobi 32. Od teh je izbranih 16, ki ne vsebujejo velikega števila ničel, ostale pa veljajo za prepovedane kode (kršitev kode). Poleg odstranitve enosmernega toka in samosinhronizacije kode redundantne kode sprejemniku omogočajo prepoznavanje poškodovanih bitov. Če sprejemnik prejme prepovedane kode, je bil signal na liniji popačen.

Ta koda se prenaša po liniji z uporabo fizičnega kodiranja z uporabo enega od možnih načinov kodiranja, ki je občutljiv le na dolga zaporedja ničel. Koda zagotavlja, da v vrstici ne bodo več kot tri ničle zapored. Obstajajo tudi druge kode, na primer 8V/6T.

Za zagotovitev navedene pasovne širine mora oddajnik delovati pri povečani taktni frekvenci (za 100 Mb/s - 125 MHz). Spekter signala se v primerjavi z originalom razširi, vendar ostane ožji od spektra Manchestrske kode.

Šifranje - mešanje podatkov s šifrirnikom, preden se prenesejo iz linije.

Metode kodiranja so sestavljene iz bitnega izračuna dobljene kode na podlagi bitov izvorne kode in bitov nastale kode, pridobljene v prejšnjih ciklih. na primer

B i \u003d A i x ali B i -3 x ali B i -5,

kjer je B i binarna cifra dobljene kode, pridobljene v i-tem ciklu premešalnika, A i je binarna cifra izvorne kode, ki prispe v i-tem ciklu na vhod premešalnika, B i - 3 in B i -5 sta binarni števki dobljene kode, pridobljene v predhodnih ciklih dela.

Za zaporedje 110110000001 bo kodirnik dal 110001101111, kar pomeni, da ne bo zaporedja šestih zaporednih ničel.

Po prejemu dobljenega zaporedja ga bo sprejemnik posredoval dešifratorju, ki bo uporabil inverzno transformacijo

C i \u003d B i xor B i-3 xor B i-5,

Različni sistemi kodiranja se razlikujejo po številu izrazov in premiku med njimi.

Več jih je preproste metode boj proti zaporedjem ničel ali enic, ki se imenujejo tudi metode kodiranja.

Za izboljšanje bipolarnega AMI se uporabljajo:

B8ZS (Bipolar z 8-Zeros substitucijo) - popravlja samo zaporedja, sestavljena iz 8 ničel.

Da bi to naredil, za prvimi tremi ničlami ​​namesto preostalih petih vstavi pet signalov V-1 * -0-V-1 *, kjer V označuje en signal, prepovedan za dani cikel polarnosti, to je signal ki ne spremeni polarnosti prejšnjega, 1 * - signal enote pravilne polarnosti, znak zvezdice pa označuje dejstvo, da v izvorni kodi v tem ciklu ni bila enota, ampak ničla. Posledično sprejemnik vidi 2 popačenja v 8 ciklih - zelo malo verjetno je, da se je to zgodilo zaradi šuma na liniji. Zato sprejemnik takšne kršitve obravnava kot kodiranje 8 zaporednih ničel. V tej kodi je konstantna komponenta nič za katero koli zaporedje binarnih števk.

Koda HDB3 popravi vse štiri zaporedne ničle v izvirnem zaporedju. Vsake štiri ničle se nadomestijo s štirimi signali, ki imajo en signal V. Za zatiranje enosmerne komponente se polarnost signala V pri zaporednih spremembah obrne. Poleg tega se za zamenjavo uporabljata dva vzorca štiricikličnih kod. Če pred zamenjavo vir vsebovalo liho število enot, se uporabi zaporedje 000V, če je bilo število enot sodo, pa zaporedje 1*00V.

Izboljšane kode kandidatov imajo precej ozko pasovno širino za vsa zaporedja ničel in enic, ki se pojavijo v prenesenih podatkih.

Pri prenosu diskretnih podatkov po komunikacijskih kanalih se uporabljata dve glavni vrsti fizičnega kodiranja - na podlagi sinusni nosilni signal in temelji na zaporedju pravokotnih impulzov. Prvo metodo pogosto imenujemo tudi modulacija ali analogna modulacija, s čimer poudarjamo dejstvo, da se kodiranje izvaja s spreminjanjem parametrov analognega signala. Druga metoda se običajno imenuje digitalno kodiranje. Te metode se razlikujejo po širini spektra dobljenega signala in kompleksnosti opreme, potrebne za njihovo izvedbo.
Analogna modulacija uporablja se za prenos diskretnih podatkov po ozkopasovnih kanalih, značilnih po kanalu govornih frekvenc, ki je na voljo uporabnikom javnih telefonskih omrežij. Tipičen frekvenčni odziv glasovnega frekvenčnega kanala je prikazan na sl. 2.12. Ta kanal oddaja frekvence v območju od 300 do 3400 Hz, zato je njegova pasovna širina 3100 Hz. Naprava, ki opravlja funkcije modulacije nosilne sinusoide na oddajni strani in demodulacije na sprejemni strani, se imenuje modem (modulator - demodulator).
Metode analogne modulacije
Analogna modulacija je metoda fizičnega kodiranja, pri kateri so informacije kodirane s spreminjanjem amplitude, frekvence ali faze sinusnega nosilnega signala.
Diagram (slika 2.13, a) prikazuje zaporedje bitov začetne informacije, ki ga predstavljajo potenciali visoke ravni za logično enoto in potencial ničelne ravni za logično ničlo. Ta metoda kodiranja se imenuje potencialna koda, ki se pogosto uporablja pri prenosu podatkov med računalniškimi bloki.
Z amplitudno modulacijo (slika 2.13, b) je za logično enoto izbrana ena raven amplitude sinusoide nosilne frekvence, za logično ničlo pa druga. Ta metoda se v praksi redko uporablja v čisti obliki zaradi nizke odpornosti na hrup, vendar se pogosto uporablja v kombinaciji z drugo vrsto modulacije - fazno modulacijo.
S frekvenčno modulacijo (slika 2.13, c) se vrednosti 0 in 1 začetnih podatkov prenašajo s sinusoidi z različnimi frekvencami - f0 in f1. Ta metoda modulacije ne zahteva zapletenega vezja v modemih in se običajno uporablja v modemih z nizko hitrostjo, ki delujejo pri 300 ali 1200 bps.
Pri fazni modulaciji podatkovne vrednosti 0 in 1 ustrezajo signalom iste frekvence, vendar z različnimi fazami, kot so 0 in 180 stopinj ali 0,90,180 in 270 stopinj.
V hitrih modemih se pogosto uporabljajo kombinirane metode modulacije, praviloma amplituda v kombinaciji s fazo.
Pri uporabi pravokotnih impulzov za prenos diskretnih informacij je treba izbrati način kodiranja, ki bi hkrati dosegel več ciljev:
· imel pri enaki bitni hitrosti najmanjšo širino spektra nastalega signala;
Zagotovljena sinhronizacija med oddajnikom in sprejemnikom;
imel sposobnost prepoznavanja napak;
Ima nizke stroške izvedbe.
Ožji spekter signalov omogoča doseganje večje hitrosti prenosa podatkov na isti liniji (z enako pasovno širino). Poleg tega spekter signala pogosto zahteva odsotnost konstantne komponente, to je prisotnost enosmernega toka med oddajnikom in sprejemnikom. Zlasti uporaba različnih transformatorskih galvanskih ločilnih vezij preprečuje prehod enosmernega toka.
Sinhronizacija oddajnika in sprejemnika je potrebna, da sprejemnik natančno ve, v katerem trenutku je treba prebrati nove informacije iz komunikacijske linije.
Prepoznavanje in popravljanje popačenih podatkov je težko izvesti s fizično plastjo, zato najpogosteje to delo prevzamejo protokoli, ki ležijo zgoraj: kanal, omrežje, transport ali aplikacija. Po drugi strani pa odkrivanje napak fizični ravni prihrani čas, saj sprejemnik ne čaka, da se okvir popolnoma medpomni, ampak ga zavrne takoj, ko prepozna napačne bite v okviru.
Zahteve za metode kodiranja so medsebojno nasprotujoče, zato ima vsaka od spodaj obravnavanih priljubljenih metod digitalnega kodiranja svoje prednosti in slabosti v primerjavi z drugimi.