domov › nasvet › Metode prenosa informacij na fizični ravni. Predavanja Računalniška omrežja. Fizični nivo. Mikrovalovna komunikacija

Metode prenosa informacij na fizični ravni. Predavanja Računalniška omrežja. Fizični nivo. Mikrovalovna komunikacija

2 Funkcije fizičnega sloja Predstavitev bitov z električnimi/optičnimi signali Kodiranje bitov Sinhronizacija bitov Prenos/sprejem bitov preko fizičnih komunikacijskih kanalov Usklajevanje s fizičnim okoljem Hitrost prenosa Domet Nivoji signala, konektorji V vseh omrežnih napravah Izvedba strojne opreme (omrežni adapterji) ) Primer: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100 m, 10 Mbit/s, koda MII, RJ-45

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

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

9 Slabljenje A – ena točka na frekvenčnem odzivu 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= 100 MHz, L= 100 M Običajno je označen A za osnovno frekvenco signala = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Običajno je A označen za glavno frekvenco signala">

11 Odpornost na hrup Proge iz optičnih vlaken Kabelski vodi Žični nadzemni vodi Radijski vodi (zaščita, zvijanje) Odpornost na zunanje motnje Odpornost na notranje motnje Dušenje preslušavanja na bližnjem koncu (NEXT) Dušenje 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/Pin dB NASLEDNJE = NASLEDNJE (L) UTP 5: NASLEDNJE

13 Zanesljivost prenosa podatkov Bit Error Rate – BER Verjetnost poškodbe podatkovnega bita Vzroki: zunanje in notranje motnje, ozka pasovna širina Boj: povečanje odpornosti proti hrupu, zmanjšanje motenj NEXT, razširitev pasovne širine Zvit par BER ~ Kabel iz optičnih vlaken BER ~ Brez dodatne zaščite :: korektivne kode, protokoli s ponavljanjem

16 Twisted pair Twisted Pair (TP) folija zaslon pletena žica zaslon izolirana žica zunanji ovoj UTP Unshielded Twisted Pair Kategorija 1, UTP mačji pari v ovoju STP Shielded Twisted Pair Vrste Tip 1…9 Vsak par ima svoj zaslon Vsak par ima svoj korak zasuki, lastna barva Odpornost proti hrupu Stroški Kompleksnost polaganja

18 Optična vlakna Popolni notranji odboj žarka na meji dveh medijev 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 meji dveh medijev 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 BaseLH5000 km - 1 Gbit/s (2005) MMSM

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

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

27 Standardi SCS (osnovni) EIA/TIA-568A Telekomunikacijski standard ožičenja za poslovne zgradbe (ZDA) CENELEC EN50173 Zahteve glede zmogljivosti generičnih shem kablov (Evropa) ISO/IEC IS Informacijska tehnologija - Generično kabliranje za kable v prostorih strank Za vsak podsistem: medij za prenos podatkov . Topologija Dovoljene razdalje (dolžine kablov) Uporabniški priključni vmesnik. Kabli in priključna oprema. Prepustnost (zmogljivost). Praksa vgradnje (horizontalni podsistem - UTP, zvezda, 100 m...)

28 Brezžične komunikacije Brezžični prenos Prednosti: udobje, nedostopna območja, mobilnost. hitra uvedba... Slabosti: visoka stopnja motenj ( posebna sredstva: kode, modulacija...), zahtevnost uporabe nekaterih območij Komunikacijski vod: oddajnik - medij - sprejemnik Karakteristike LAN ~ F(Δf, fн);

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 z nizko močjo - (slušalka-baza, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - preklop z enega jedrnega omrežja drugi - osnova mobilna komunikacija

35 Satelitska povezava Na osnovi satelita (reflektor-ojačevalnik) Oddajniki - transponderji H~50 MHz (1 satelit ~ 20 transponderjev) Frekvenčni razponi: 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 Satelitske komunikacije. Vrste satelitov Satelitske komunikacije: mikrovalovna - vidna linija Geostacionarna Velika pokritost Fiksna, Majhna obraba Repetitorski satelit, oddajna, nizka cena, cena ni odvisna od razdalje, Takojšnja vzpostavitev povezave (Mil) Tz=300ms Nizka varnost, Na začetku velika antena (vendar VSAT) Globalni sistem za določanje položaja v srednji orbiti km - 24 satelitov km v nizki orbiti nizka pokritost nizka zakasnitev dostop do interneta

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

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. Prva metoda se pogosto imenuje modulacija oz analogna modulacija, s poudarkom na dejstvu, da se kodiranje izvaja s spreminjanjem parametrov analognega signala. Druga metoda se običajno imenuje digitalno kodiranje. Te metode se razlikujejo po širini spektra nastalega signala in kompleksnosti opreme, potrebne za njihovo izvedbo.

Pri uporabi pravokotnih impulzov je spekter dobljenega signala zelo širok. To ni presenetljivo, če se spomnimo, da ima spekter idealnega impulza neskončno širino. Uporaba sinusnega vala povzroči spekter veliko manjše širine pri enaki hitrosti prenosa informacij. Vendar je za izvajanje sinusne modulacije potrebna bolj zapletena in dražja oprema kot za izvajanje pravokotnih impulzov.

Trenutno se vse pogosteje podatki, ki so bili prvotno v analogni obliki - govor, televizijska slika - prenašajo po komunikacijskih kanalih v diskretni obliki, torej kot zaporedje enic in ničel. Postopek predstavitve analognih informacij v diskretni obliki se imenuje diskretna modulacija. Izraza "modulacija" in "kodiranje" se pogosto uporabljata izmenično.

2.2.1. Analogna modulacija

Analogna modulacija se uporablja za prenos diskretnih podatkov po kanalih z ozkim frekvenčnim pasom, katerega tipičen predstavnik je glasovni kanal, na voljo uporabnikom javnih telefonskih omrežij. Tipičen amplitudno-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. Čeprav ima človeški glas veliko širši razpon - od približno 100 Hz do 10 kHz - za sprejemljivo kakovost govora, je razpon 3100 Hz dobra rešitev. Stroga omejitev pasovne širine govornega kanala je povezana z uporabo opreme za multipleksiranje in preklapljanje kanalov v telefonskih omrežjih.

2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov v fizični ravni 133

Naprava, ki opravlja funkcije nosilne sinusne modulacije 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 signala. nosilna frekvenca. Glavne metode analogne modulacije so prikazane na sl. 2.13. Na diagramu (slika 2.13, A) prikazuje zaporedje bitov izvornih informacij, predstavljenih s potenciali visoke ravni za logično enoto in potencialom ničelne ravni za logično ničlo. Ta metoda kodiranja se imenuje potencialna koda, ki se pogosto uporablja pri prenosu podatkov med računalniškimi enotami.

pri amplitudna modulacija(Sl. 2.13, 6) 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. 2.13, c) vrednosti 0 in 1 izvornih podatkov prenašajo sinusoide z različnimi frekvencami - fo in fi. 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 fazna modulacija(Sl. 2.13, d) vrednosti podatkov 0 in 1 ustrezata signalom iste frekvence, vendar z različnimi fazami, na primer 0 in 180 stopinj ali 0,90,180 in 270 stopinj.

Visokohitrostni modemi pogosto uporabljajo kombinirane metode modulacije, običajno amplitudo v kombinaciji s fazo.

2. poglavje Osnove diskretnega prenosa podatkov

Modulirani spekter signala

Spekter nastalega moduliranega signala je odvisen od vrste modulacije in stopnje modulacije, to je želene bitne hitrosti izvirne informacije.

Najprej razmislimo o spektru signala med potencialnim kodiranjem. Naj bo logična enota kodirana s pozitivnim potencialom, logična ničla pa z negativnim potencialom enake velikosti. Za poenostavitev izračunov predpostavimo, da se prenašajo informacije, sestavljene iz neskončnega zaporedja izmenjujočih se enic in ničel, kot je prikazano na sl. 2.13, A. Upoštevajte, da sta v tem primeru vrednosti bauda in bitov na sekundo enaki.

Za potencialno kodiranje se spekter neposredno pridobi iz Fourierjevih formul za periodično funkcijo. Če se diskretni podatki prenašajo z bitno hitrostjo N bit/s, potem je spekter sestavljen iz konstantne komponente ničelne frekvence in neskončnega niza harmonikov s frekvencami fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., kjer je fo = N /2. Amplitude teh harmonikov se precej počasi zmanjšujejo - s koeficienti 1/3, 1/5, 1/7,... od amplitude harmonika fo (slika 2.14, A). Posledično spekter možne kode zahteva široko pasovno širino za visokokakovosten prenos. Poleg tega morate upoštevati, da se v resnici spekter signala nenehno spreminja glede na to, kateri podatki se prenašajo po komunikacijski liniji. Na primer, prenos dolgega zaporedja ničel ali enic premakne spekter na stran nizke frekvence, in v skrajnem primeru, ko so posredovani podatki sestavljeni samo iz enic (ali samo ničel), je spekter sestavljen iz harmonika ničelne frekvence. Pri prenosu izmeničnih enic in ničel ni konstantne komponente. Zato spekter nastalega potencialnega kodnega signala pri prenosu poljubnih podatkov zavzema pas od določene vrednosti blizu 0 Hz do približno 7fo (harmonike s frekvencami nad 7fo lahko zanemarimo zaradi njihovega majhnega prispevka k nastalemu signalu). Za govorni frekvenčni kanal je zgornja meja za potencialno kodiranje dosežena za podatkovno hitrost 971 bps, spodnja meja pa je nesprejemljiva za katero koli hitrost, saj se pasovna širina kanala začne pri 300 Hz. Posledično se potencialne kode na glasovnih kanalih nikoli ne uporabijo.

2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov na fizični ravni 135

Pri amplitudni modulaciji je spekter sestavljen iz sinusoide nosilne frekvence f c in dveh stranskih harmonikov: (f c + f m) in (f c - f m), kjer je f m frekvenca spremembe informacijskega parametra sinusoide, ki sovpada z hitrost prenosa podatkov pri uporabi dveh ravni amplitude (slika 2.14, 6). Frekvenca f m določa zmogljivost linije pri ta metoda kodiranje. Pri majhni frekvenci modulacije bo tudi širina spektra signala majhna (enaka 2f m), zato signalov ne bo popačila linija, če je njena pasovna širina večja ali enaka 2f m. Za glasovni frekvenčni kanal je ta metoda modulacije sprejemljiva pri hitrosti prenosa podatkov največ 3100/2=1550 bps. Če se za prikaz podatkov uporabijo 4 ravni amplitude, se zmogljivost kanala poveča na 3100 bps.

Pri fazni in frekvenčni modulaciji je spekter signala bolj zapleten kot pri amplitudni modulaciji, saj se tu tvorita več kot dva stranska harmonika, vendar sta tudi simetrično nameščena glede na glavno nosilno frekvenco in se njuni amplitudi hitro zmanjšata. Zato so te vrste modulacije zelo primerne tudi za prenos podatkov po glasovnem kanalu.

Za povečanje hitrosti prenosa podatkov se uporabljajo kombinirane metode modulacije. Najpogostejše metode so kvadraturno amplitudno modulacijo (QAM). Te metode temeljijo na kombinaciji fazne modulacije z 8 vrednostmi faznega zamika in amplitudne modulacije s 4 amplitudnimi nivoji. Vendar od 32 možnih kombinacij signalov niso vse uporabljene. Na primer v kodah Rešetka Dovoljenih je le 6, 7 ali 8 kombinacij, ki predstavljajo izvirne podatke, ostale kombinacije pa so prepovedane. Takšna redundanca kodiranja je potrebna, da modem prepozna napačne signale, ki so posledica popačenj zaradi motenj, ki so na telefonskih kanalih, zlasti klicnih, zelo velike po amplitudi in dolgotrajni.

2.2.2. Digitalno kodiranje

Pri digitalnem kodiranju diskretnih informacij se uporabljajo potencialne in impulzne kode.

V potencialnih kodah se za predstavitev logičnih enic in ničel uporablja le potencialna vrednost signala, njeni padci, ki tvorijo popolne impulze, pa se ne upoštevajo. Pulzne kode vam omogočajo, da binarne podatke predstavite kot impulze določene polarnosti ali kot del impulza - potencialne razlike v določeni smeri.

Zahteve za metode digitalnega kodiranja

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

Pri enaki bitni hitrosti je imel najmanjšo širino spektra dobljenega signala;

Zagotovljena sinhronizacija med oddajnikom in sprejemnikom;

Imeti sposobnost prepoznavanja napak;

Imel je nizke stroške izvedbe.

136 Poglavje 2 Osnove diskretnega prenosa podatkov

Ožji spekter signalov omogoča, da ena in ista linija (z enako pasovno širino) doseže višjo hitrost prenosa podatkov. Poleg tega je spekter signala pogosto podvržen zahtevi, da ni konstantne komponente, to je prisotnosti enosmerni tok med oddajnikom in sprejemnikom. Zlasti uporaba različnih transformatorskih vezij galvanska izolacija 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. To težavo je v omrežjih težje rešiti kot pri izmenjavi podatkov med napravami, ki so blizu, na primer med enotami v računalniku ali med računalnikom in tiskalnikom. Vklopljeno kratke razdalje Shema, ki temelji na ločeni komunikacijski liniji ure, deluje dobro (slika 2.15), tako da se informacije odstranijo iz podatkovne linije šele v trenutku, ko pride urni impulz. V omrežjih uporaba te sheme povzroča težave zaradi heterogenosti značilnosti vodnikov v kablih. Na velikih razdaljah lahko neenakomerna hitrost širjenja signala povzroči, da urni impulz prispe tako pozno ali pred ustreznim podatkovnim signalom, da se podatkovni bit preskoči ali znova prebere. Drugi razlog, zakaj omrežja zavračajo uporabo taktnih impulzov, je varčevanje z vodniki v dragih kablih.

Zato omrežja uporabljajo t.i samosinhronizirajoče kode, katerih signali nosijo navodila za oddajnik, kdaj je treba prepoznati naslednji bit (ali več bitov, če je koda osredotočena na več kot dve stanji signala). Vsaka ostra sprememba signala - tako imenovani rob - je lahko dobra indikacija za sinhronizacijo sprejemnika z oddajnikom.

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

Prepoznavanje in popravljanje popačenih podatkov je težko izvesti s sredstvi fizične plasti, zato najpogosteje to delo prevzamejo protokoli, ki ležijo zgoraj: kanal, omrežje, transport ali aplikacija. Po drugi strani pa prepoznavanje napak na fizičnem nivoju prihrani čas, saj sprejemnik ne čaka, da se okvir v celoti postavi v medpomnilnik, ampak ga takoj zavrže, ko prepozna napačne bite znotraj okvira.

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

______________________________2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov na fizični ravni _______137

Potencialna koda brez vrnitve na nič

Na sl. 2.16 in prikazuje prej omenjeno potencialno metodo kodiranja, imenovano tudi kodiranje brez vračanja na nič (Non Return to Zero, NRZ). Priimek odraža dejstvo, da se pri prenosu zaporedja enic signal med taktom ne vrne na nič (kot bomo videli spodaj, se v tem primeru pri drugih metodah kodiranja 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 trenutkov, ko je treba podatke ponovno prebrati. Tudi pri zelo natančnem taktnem generatorju se lahko sprejemnik zmoti s trenutkom zbiranja podatkov, saj frekvenci obeh generatorjev nikoli nista povsem enaki. Zato lahko pri visokih hitrostih prenosa podatkov in dolgih zaporedjih enic ali ničel majhna neusklajenost ure povzroči napako celotnega cikla ure in s tem prebrano napačno vrednost bita.

Druga resna pomanjkljivost metode NRZ je prisotnost nizkofrekvenčne komponente, ki se pri oddaji dolgih zaporedij enic ali ničel približuje ničli. Zaradi tega številni komunikacijski kanali ne zagotavljajo

138 2. poglavje Osnove diskretnega prenosa podatkov

Tisti, ki zagotavljajo neposredno galvansko povezavo med sprejemnikom in virom, ne podpirajo tovrstnega kodiranja. Posledično se koda NRZ v svoji čisti obliki ne uporablja v omrežjih. Kljub temu se uporabljajo njegove različne modifikacije, ki odpravljajo tako slabo samosinhronizacijo kode NRZ kot prisotnost konstantne komponente. Privlačnost kode NRZ, zaradi katere se jo splača izboljšati, je dokaj nizka osnovna frekvenca fo, ki je enaka N/2 Hz, kot je prikazano v prejšnjem razdelku. Pri drugih metodah kodiranja, kot je Manchester, ima osnovni harmonik višjo frekvenco.

Metoda bipolarnega kodiranja z alternativno inverzijo

Ena izmed modifikacij metode NRZ je metoda bipolarno kodiranje z alternativno inverzijo (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). Pri tej metodi (slika 2.16, 6) Uporabljajo se tri potencialne ravni - negativna, ničelna in pozitivna. Za kodiranje logične ničle se uporablja ničelni potencial, logična ena 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 samosinhronizacije, ki sta del kode NRZ. To se zgodi pri prenosu dolgih zaporedij enic. V teh primerih je signal na liniji zaporedje nasprotno polariziranih impulzov z enakim spektrom kot koda NRZ, ki oddajajo izmenično ničle in enice, to je brez konstantne komponente in z osnovnim harmonikom N/2 Hz (kjer N je bitna hitrost prenosa podatkov). Dolga zaporedja ničel so enako nevarna za kodo AMI kot za kodo NRZ - signal se degenerira v konstanten potencial ničelne amplitude. Zato koda AMI zahteva nadaljnje izboljšave, čeprav je naloga poenostavljena - ostane le še obravnava zaporedij ničel.

Na splošno za različne kombinacije bitov na liniji uporaba kode AMI povzroči ožji spekter signala kot koda NRZ in zato višji pasovna širina vrstice. Na primer, pri oddajanju izmeničnih enic in ničel ima osnovni harmonik fo frekvenco N/4 Hz. Koda AMI ponuja tudi nekatere zmožnosti za prepoznavanje napačnih signalov. Tako kršitev stroge menjave polarnosti signala kaže na lažni impulz ali izginotje pravilnega impulza iz linije. Pokliče se signal z nepravilno polariteto prepovedan signal (kršitev signala).

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

Potencialna koda z inverzijo na enem

Obstaja koda, podobna AMI, vendar s samo dvema nivojema signala. Pri oddaji ničle oddaja potencial, ki je bil nastavljen v prejšnjem ciklu (torej ga ne spremeni), pri oddaji enice pa se potencial obrne na nasprotnega. Ta koda se imenuje potencialna koda z inverzijo na enem

2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov na fizični ravni 139

(Brez povratka na ničlo z obrnjenimi enicami, NRZI). Ta koda je priročna v primerih, ko je uporaba tretjega nivoja signala zelo nezaželena, na primer v optičnih kablih, kjer sta dosledno prepoznani dve stanji signala - svetloba in tema. Za izboljšanje potencialnih kod, kot sta AMI in NRZI, se uporabljata dve metodi. Prva metoda temelji na dodajanju odvečnih bitov, ki vsebujejo logične, v izvorno kodo. Očitno se v tem primeru dolga zaporedja ničel prekinejo in koda postane samosinhronizirana za vse poslane podatke. Izgine tudi konstantna komponenta, kar pomeni, da se spekter signala še bolj zoži. Toda ta metoda zmanjša uporabno zmogljivost linije, saj se ne prenašajo odvečne enote uporabniških informacij. Druga metoda temelji na predhodnem "mešanju" začetnih informacij, tako da se verjetnost pojava enot in ničel na vrstici približa. Imenujejo se naprave ali bloki, ki izvajajo takšno operacijo premešalniki(prerivanje - smetišče, neurejena montaža). Pri kodiranju se uporablja dobro znan algoritem, tako da sprejemnik, ko prejme binarne podatke, le-te posreduje descrambler, ki obnovi prvotno bitno zaporedje. V tem primeru se presežni biti ne prenašajo po liniji. Obe metodi se nanašata na logično in ne fizično kodiranje, saj ne določata oblike signalov na liniji. Podrobneje jih preučujemo v naslednjem razdelku.

Bipolarna impulzna koda

Poleg potencialnih kod se v omrežjih uporabljajo tudi impulzne kode, ko podatek predstavlja polni impulz ali njegov del – rob. Najenostavnejši primer tega pristopa je bipolarna pulzna koda, v katerem je ena predstavljena z impulzom ene polarnosti, nič pa z drugo (slika 2.16, V). Vsak utrip traja pol utripa. Takšna koda ima odlične lastnosti samosinhronizacije, vendar je lahko 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.

koda Manchester

IN lokalna omrežja Do nedavnega je bil najpogostejši način kodiranja t.i koda Manchester(Sl. 2.16, d). Uporablja se v tehnologijah Ethernet in Token Ring.

Manchesterska koda uporablja potencialno razliko, to je rob impulza, za kodiranje enic in ničel. Pri Manchestrskem kodiranju je vsaka mera razdeljena na dva dela. Informacije so kodirane s padci potenciala, ki se pojavijo sredi vsakega takta. Enica je kodirana z robom od nizkega nivoja signala do visokega, ničla pa je kodirana z reverznim robom. Na začetku vsakega cikla ure lahko pride do padca signala nad glavo, če morate predstaviti več enic ali ničel v vrsti. Ker se signal spremeni vsaj enkrat na takt prenosa enega bita podatkov, je koda Manchester dobra

140 2. poglavje Osnove diskretnega prenosa podatkov _____________________________________________

samosinhronizacijske lastnosti. Pasovna širina kode Manchester je ožja od pasovne širine bipolarnega impulza. Prav tako nima enosmerne komponente, osnovni harmonik pa ima v najslabšem primeru (pri prenosu zaporedja enic ali ničel) frekvenco N Hz, v najboljšem primeru (pri prenosu izmeničnih enic in ničel) pa je enak N / 2 Hz, kot 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 vrednosti 3N/4. Manchesterska koda ima še eno prednost pred bipolarno pulzno kodo. Slednji za prenos podatkov uporablja tri nivoje signala, manchesterski pa dva.

Potencialna koda 2B1Q

Na sl. 2.16, d prikazuje potencialno kodo s štirimi nivoji signala za kodiranje podatkov. To je koda 2В1Q katerega ime odraža njegovo bistvo - vsaka dva bita (2B) se v enem taktu preneseta s signalom, ki ima štiri stanja (1Q). Bitni par 00 ustreza potencialu -2,5 V, bitni par 01 ustreza potencialu -0,833 V, par I ustreza potencialu +0,833 V in par 10 ustreza potencialu +2,5 V. S tem kodiranjem Metoda zahteva dodatne ukrepe za boj proti dolgim zaporedjem enakih parov bitov, saj se v tem primeru signal spremeni v konstantno komponento. Pri naključnem prepletanju bitov 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 loči štiri ravni glede na motnje.

2.2.3. Logično kodiranje

Logično kodiranje se uporablja za izboljšanje potencialnih kod, kot so AMI, NRZI ali 2Q1B. Logično kodiranje mora zamenjati dolga zaporedja bitov, ki vodijo do konstantnega potenciala, z vmesnimi. Kot je navedeno zgoraj, sta za logično kodiranje značilni dve metodi - redundantne kode in kodiranje.

Odvečne kode

Odvečne kode temeljijo na razdelitvi izvirnega bitnega zaporedja na dele, ki se pogosto imenujejo simboli. Vsak izvirni znak se nato nadomesti z novim, ki ima več bitov kot izvirnik. Na primer, logična koda 4V/5V, ki se uporablja v tehnologijah FDDI in Fast Ethernet, nadomešča prvotne 4-bitne simbole s 5-bitnimi simboli. Ker nastali simboli vsebujejo odvečne bite, je skupno število bitnih kombinacij v njih večje kot v originalnih. Tako lahko v kodi 4B/5B nastali simboli vsebujejo 32 bitnih kombinacij, originalni simboli pa le 16. Zato lahko v nastali kodi izberete 16 takih kombinacij, ki ne vsebujejo velikega števila ničel in preštej ostalo prepovedane kode (kršitev kode). Poleg odprave konstantne komponente in dajanja lastnosti samosinhronizacije kode redundantne kode omogočajo

2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov na fizični ravni 141

sprejemnik lahko prepozna poškodovane bite. Če sprejemnik prejme nedovoljeno kodo, to pomeni, da je bil signal na liniji popačen.

Korespondenca med izvorno in rezultatsko kodo 4B/5B je predstavljena spodaj.

Koda 4B/5B se nato prenese po liniji s fizičnim kodiranjem z uporabo enega od možnih načinov kodiranja, ki je občutljiv samo na dolga zaporedja ničel. Kodni simboli 4B/5B, dolgi 5 bitov, zagotavljajo, da ne glede na to, kako so združeni, se v vrstici ne morejo pojaviti več kot tri ničle zapored.

Črka B v imenu kode pomeni, da ima osnovni signal 2 stanja - iz angleškega binarnega - binarnega. Obstajajo tudi kode s tremi stanji signala, na primer v kodi 8B/6T za kodiranje 8 bitov izvornih informacij se uporablja koda 6 signalov, od katerih ima vsaka tri stanja. Redundanca kode 8B/6T je večja kot redundanca kode 4B/5B, saj je za 256 izvornih kod 3 6 =729 nastalih simbolov.

Uporaba iskalne tabele je zelo preprosta operacija, zato ta pristop ne zaplete omrežnih adapterjev in vmesniških blokov stikal in usmerjevalnikov.

Za zagotovitev dane zmogljivosti linije mora oddajnik, ki uporablja redundantno kodo, delovati pri povečani taktni frekvenci. Za prenos kod 4B/5B s hitrostjo 100 Mb/s mora oddajnik delovati na frekvenci ure 125 MHz. V tem primeru se spekter signala na liniji razširi v primerjavi s primerom, ko se po liniji prenaša čista, neredundantna koda. Kljub temu se izkaže, da je spekter redundantne potencialne kode ožji od spektra Manchestrske kode, kar upravičuje dodatno stopnjo logičnega kodiranja, pa tudi delovanje sprejemnika in oddajnika pri povečani taktni frekvenci.

Premečkanje

Premešanje podatkov s premešalnikom, preden jih prenesete v vrstico z uporabo potencialne kode, je še en način logičnega kodiranja.

Metode kodiranja so sestavljene iz bitnega izračuna dobljene kode na osnovi bitov izvorna koda in nastali kodni biti, prejeti v prejšnjih taktih. Na primer, šifrirnik lahko izvaja naslednjo relacijo:

Bi - Ai 8 Bi-z f Bi. 5 ,

kjer je bi binarna cifra dobljene kode, prejete v i-tem taktu kodirnika, ai je binarna cifra izvorne kode, prejete v i-tem taktu ob

142 Poglavje 2 Osnove diskretnega prenosa podatkov

vhod kodirnika, B^3 in B t .5 - binarne števke nastale kode, pridobljene v prejšnjih ciklih kodirnika, oziroma 3 oziroma 5 taktov prej kot trenutni takt, 0 - operacija izključnega ALI (dodatek modulo 2) .

Na primer, za prvotno zaporedje 110110000001 bo šifrirnik dal naslednjo kodo rezultata:

bi = ai - 1 (prve tri števke dobljene kode bodo sovpadale z izvirno, ker še ni potrebnih prejšnjih števk)

Tako bo izhod premešalnika zaporedje 110001101111, ki ne vsebuje zaporedja šestih ničel v izvorni kodi.

Po prejemu nastalega zaporedja ga sprejemnik posreduje dekodirniku, ki obnovi prvotno zaporedje na podlagi obratnega razmerja:

Različni algoritmi kodiranja se razlikujejo po številu členov, ki dajo nastalo številko kode, in premiku med izrazi. Torej, v ISDN omrežja Pri prenosu podatkov iz omrežja do naročnika se uporablja transformacija s premiki 5 in 23 pozicij, pri prenosu podatkov od naročnika do omrežja pa se uporablja transformacija s premiki 18 in 23 pozicij.

Več jih je preproste metode bojna zaporedja enot, ki so razvrščena tudi kot premešana.

Za izboljšanje kode Bipolar AMI se uporabljata dve metodi, ki temeljita na umetnem izkrivljanju zaporedja ničel z nedovoljenimi znaki.

Na sl. Slika 2.17 prikazuje uporabo metode B8ZS (Bipolarna z 8-ničlo zamenjavo) in HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) metode za prilagajanje kode AMI. Izvorna koda je sestavljena iz dveh dolgih zaporedij ničel: v prvem primeru - od 8, v drugem - od 5.

Koda B8ZS popravlja samo zaporedja, sestavljena iz 8 ničel. V ta namen za prve tri ničle namesto preostalih petih ničel vstavi pet števk: V-1*-0-V-1*. V tukaj označuje signal enote, ki je prepovedan za določen cikel polarnosti, to je signal, ki ne spremeni polarnosti prejšnje enote, 1* je signal enote pravilne polarnosti, znak z zvezdico pa označuje, da

2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov na fizični ravni 143

Dejstvo je, da v izvorni kodi v tem ciklu ni bila enota, ampak ničla. Kot rezultat, pri 8 taktih sprejemnik opazi 2 popačenja - zelo malo verjetno je, da se je to zgodilo zaradi motenj v liniji ali drugih napak pri prenosu. Zato prejemnik takšne kršitve obravnava kot kodiranje 8 zaporednih ničel in jih po prejemu nadomesti z originalnimi 8 ničlami. Koda B8ZS je sestavljena tako, da je njena konstantna komponenta nič za vsako zaporedje binarnih števk.

Koda HDB3 popravi vse štiri zaporedne ničle v izvirnem zaporedju. Pravila za generiranje kode HDB3 so bolj zapletena kot koda B8ZS. Vsake štiri ničle se nadomestijo s štirimi signali, v katerih je en signal V. Za zatiranje enosmerne komponente se polarnost signala V zamenja v zaporednih zamenjavah. Poleg tega se za zamenjavo uporabljata dva vzorca štiricikličnih kod. Če je pred zamenjavo izvorna koda vsebovala liho število enic, se uporabi zaporedje OOOV, če je bilo število enic sodo, pa zaporedje 1*OOV.

Izboljšane kode kandidatov imajo dokaj ozko pasovno širino za vsa zaporedja enic in ničel, ki se pojavijo v prenesenih podatkih. Na sl. Na sliki 2.18 so prikazani spektri signalov različnih kod, dobljenih pri prenosu poljubnih podatkov, pri katerih so enako verjetne različne kombinacije ničel in enic v izvorni kodi. Pri izrisu grafov smo spekter povprečili po vseh možnih nizih začetnih zaporedij. Seveda imajo lahko nastale kode drugačno porazdelitev ničel in enic. Iz sl. 2.18 kaže, da ima potencialna koda NRZ dober spekter z eno pomanjkljivostjo - ima konstantno komponento. Kode, pridobljene iz potenciala z logičnim kodiranjem, imajo ožji spekter kot Manchester, tudi pri povečani taktni frekvenci (na sliki naj bi spekter kode 4B/5B približno sovpadal s kodo B8ZS, vendar je premaknjen

144 Poglavje 2 Osnove diskretnega prenosa podatkov

v območje višjih frekvenc, saj je njegova urna frekvenca povečana za 1/4 v primerjavi z drugimi kodami). To pojasnjuje uporabo morebitnih redundantnih in premešanih kod v sodobne tehnologije, kot so FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN itd. namesto kodiranja Manchestra in bipolarnega impulza.

2.2.4. Diskretna modulacija analognih signalov

Eden glavnih trendov v razvoju omrežnih tehnologij je prenos tako diskretnih kot analognih podatkov v enem omrežju. Viri diskretnih podatkov so računalniki in druge računalniške naprave, viri analognih podatkov pa naprave, kot so telefoni, video kamere, oprema za predvajanje zvoka in videa. V zgodnjih fazah reševanja tega problema v teritorialnih omrežjih so se vse vrste podatkov prenašale v analogni obliki, računalniški podatki, ki so bili diskretne narave, pa so se v analogno pretvorili z uporabo modemov.

Ko pa se je razvila tehnologija za zbiranje in prenos analognih podatkov, je postalo jasno, da prenos v analogni obliki ne izboljša kakovosti podatkov, prejetih na drugem koncu linije, če so bili med prenosom znatno popačeni. Analogni signal sam po sebi ne daje nobenega znaka, da je prišlo do popačenja ali kako ga popraviti, saj je oblika signala lahko katera koli, vključno s tisto, ki jo zazna sprejemnik. Izboljšanje kakovosti prog, predvsem teritorialnih, zahteva ogromno truda in vlaganj. Zato je analogno tehnologijo za snemanje in prenos zvoka in slike nadomestila digitalna tehnologija. Ta tehnika uporablja tako imenovano diskretno modulacijo originalnih časovno zveznih analognih procesov.

Metode diskretne modulacije temeljijo na vzorčenju zveznih procesov tako po amplitudi kot po času (slika 2.19). Oglejmo si načela modulacije iskre na primeru pulzna kodna modulacija, PCM (impulzna amplitudna modulacija, PAM), ki se pogosto uporablja v digitalni telefoniji.

Amplitudo prvotne zvezne funkcije merimo z določeno periodo - zaradi tega pride do diskretizacije v času. Nato je vsaka meritev predstavljena kot binarno število določene bitne globine, kar pomeni diskretizacijo po funkcijskih vrednostih - neprekinjen niz možnih vrednosti amplitude se nadomesti z diskretnim nizom njegovih vrednosti. Naprava, ki opravlja podobno funkcijo, se imenuje analogno-digitalni pretvornik (ADC). Po tem se meritve prenašajo po komunikacijskih kanalih v obliki zaporedja enic in ničel. V tem primeru se uporabljajo enake metode kodiranja kot pri prenosu prvotno diskretnih informacij, to je na primer metode, ki temeljijo na kodi B8ZS ali 2B1Q.

Na sprejemni strani linije se kode pretvorijo v izvirno bitno zaporedje in pokličejo posebno opremo digitalno-analogni pretvornik (DAC), demodulira digitalizirane amplitude zveznega signala in obnovi prvotno zvezno časovno funkcijo.

Diskretna modulacija temelji na Nyquist-Kotelnikova teorija preslikav. V skladu s to teorijo je analogno zvezno funkcijo, podano kot zaporedje njenih časovno diskretnih vrednosti, mogoče natančno rekonstruirati, če je bila stopnja vzorčenja dva ali večkrat višja od frekvence najvišjega harmoničnega spektra prvotne funkcije.

Če ta pogoj ni izpolnjen, se bo obnovljena funkcija bistveno razlikovala od prvotne.

Prednost digitalnih metod snemanja, reprodukcije in prenosa analognih informacij je možnost nadzora nad točnostjo podatkov, prebranih z medija ali prejetih po komunikacijski liniji. Če želite to narediti, lahko uporabite iste metode, kot se uporabljajo za računalniške podatke (in so podrobneje obravnavane spodaj), - izračun kontrolna vsota, retransmisija popačenih okvirjev, uporaba samopopravljivih kod.

Za visokokakovosten prenos govora uporablja metoda PCM kvantizacijsko frekvenco amplitude zvočnih nihanj 8000 Hz. To je posledica dejstva, da je bilo pri analogni telefoniji za prenos govora izbrano območje od 300 do 3400 Hz, ki dovolj kakovostno prenaša vse osnovne harmonije sogovornikov. Po navedbah Nyquist-Koteltkov izrek za visokokakovosten prenos govora

146 2. poglavje Osnove diskretnega prenosa podatkov

dovolj je izbrati frekvenco vzorčenja, ki je dvakrat večja od najvišjega harmonika neprekinjenega signala, to je 2 x 3400 = 6800 Hz. Dejansko izbrana frekvenca vzorčenja 8000 Hz zagotavlja nekaj meje kakovosti. Metoda PCM običajno uporablja 7 ali 8 bitov kode za predstavitev amplitude posameznega vzorca. Skladno s tem dobimo 127 ali 256 gradacij zvočnega signala, kar je povsem dovolj za kakovosten prenos govora. Pri uporabi metode PCM en sam govorni kanal zahteva prepustnost 56 ali 64 Kbps, odvisno od tega, s koliko bitov je vsak vzorec predstavljen. Če se uporablja za te namene

7 bitov, potem s frekvenco prenosa meritev 8000 Hz dobimo:

8000 x 7 = 56000 bps ali 56 Kbps; in za primer 8 bitov:

8000 x 8 - 64000 bps ali 64 Kbps.

Standard je digitalni kanal 64 Kbps, imenovan tudi osnovni kanal digitalnih telefonskih omrežij.

Prenos neprekinjenega signala v diskretni obliki zahteva, da se omrežja strogo držijo časovnega intervala 125 μs (kar ustreza frekvenci vzorčenja 8000 Hz) med sosednjimi meritvami, kar pomeni, da zahteva sinhroni prenos podatkov med omrežnimi vozlišči. Če se sinhronizacija prispelih meritev ne vzdržuje, se prvotni signal nepravilno obnovi, kar vodi do popačenja glasu, slike ali drugih multimedijskih informacij, ki se prenašajo po digitalnih omrežjih. Tako lahko sinhronizacijsko popačenje 10 ms povzroči učinek »odmeva«, premiki med meritvami 200 ms pa povzročijo izgubo prepoznavanja izgovorjenih besed. Hkrati pa izguba ene meritve ob ohranjanju sinhronosti med drugimi meritvami praktično nima vpliva na reproducirani zvok. To se zgodi zaradi naprav za glajenje v digitalno-analognih pretvornikih, ki temeljijo na vztrajnostni lastnosti katerega koli fizičnega signala - amplituda zvočnih vibracij se ne more takoj spremeniti za veliko količino.

Na kakovost signala po DAC ne vpliva samo sinhronizem meritev, ki prihajajo na njegov vhod, temveč tudi napaka vzorčenja amplitud teh meritev.

8 Nyquist-Kotelnikovega izreka predpostavlja, da so amplitude funkcije izmerjene natančno, hkrati pa uporaba binarnih števil z omejeno bitno zmogljivostjo za njihovo shranjevanje nekoliko popači te amplitude. V skladu s tem je rekonstruiran zvezni signal popačen, kar se imenuje šum vzorčenja (v amplitudi).

Obstajajo tudi druge tehnike diskretne modulacije, ki lahko predstavijo glasovne meritve v bolj kompaktni obliki, kot je zaporedje 4-bitnih ali 2-bitnih števil. V tem primeru en glasovni kanal zahteva manjšo pasovno širino, na primer 32 Kbps, 16 Kbps ali celo manj. Od leta 1985 se uporablja standard za glasovno kodiranje CCITT, imenovan Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Kode ADPCM temeljijo na iskanju razlik med zaporednimi glasovnimi meritvami, ki se nato prenašajo po omrežju. Koda ADPCM uporablja 4 bite za shranjevanje ene razlike in prenaša glas pri 32 Kbps. več sodobna metoda Linearno prediktivno kodiranje (LPC) bolj redko vzorči izvirno funkcijo, vendar uporablja metode za predvidevanje smeri spremembe amplitude signala. S to metodo lahko zmanjšate hitrost prenosa glasu na 9600 bps.

2.2. Metode za prenos diskretnih podatkov na fizični ravni 147

Kontinuirane podatke, predstavljene v digitalni obliki, je mogoče enostavno prenašati po računalniškem omrežju. Če želite to narediti, je dovolj, da postavite več meritev v okvir neke standardne omrežne tehnologije, okvirju zagotovite pravilen ciljni naslov in ga pošljete prejemniku. Prejemnik mora iz okvira izluščiti meritve in jih na kvantizacijski frekvenci (za glas - na frekvenci 8000 Hz) oddati v digitalno-analogni pretvornik. Ko pridejo naslednji okvirji z glasovnimi meritvami, je treba operacijo ponoviti. Če okvirji prispejo dovolj sinhrono, je lahko kakovost zvoka precej visoka. Kot že vemo, pa lahko okvirji v računalniških omrežjih zamujajo tako v končnih vozliščih (med čakanjem na dostop do skupnega medija) kot v vmesnih komunikacijskih napravah – mostovih, stikalih in usmerjevalnikih. Zato je kakovost glasu pri digitalnem prenosu prek računalniška omrežja običajno nizko. Za kakovosten prenos digitaliziranih neprekinjenih signalov - govora, slike - se danes uporabljajo posebna digitalna omrežja, kot so ISDN, ATM in digitalna televizija. Vendar pa za prenos znotraj podjetja telefonski pogovori Danes so tipična omrežja Frame Relay, katerih zakasnitve prenosa okvirjev so v sprejemljivih mejah.

2.2.5. Asinhroni in sinhroni prenos

Pri izmenjavi podatkov na fizični ravni je enota informacije bit, zato fizična plast vedno vzdržuje bitno sinhronizacijo med sprejemnikom in oddajnikom.

Sloj podatkovne povezave deluje na okvirih podatkov in zagotavlja sinhronizacijo na ravni okvirja med sprejemnikom in oddajnikom. Prejemnikove odgovornosti vključujejo prepoznavanje začetka prvega bajta okvira, prepoznavanje meja polj okvirja in prepoznavanje konca okvira.

Običajno je dovolj zagotoviti sinhronizacijo na teh dveh ravneh - bitni in okvirni - da lahko oddajnik in sprejemnik zagotovita stabilno izmenjavo informacij. Vendar, ko slaba kakovost Komunikacijske linije (običajno se to nanaša na telefonske komutirane kanale) za zmanjšanje stroškov opreme in povečanje zanesljivosti prenosa podatkov uvajajo dodatna sredstva za sinhronizacijo na ravni bajtov.

Ta način delovanja se imenuje asinhroni oz start-stop. Drugi razlog za uporabo tega načina delovanja je prisotnost naprav, ki generirajo bajte podatkov ob naključnih trenutkih. Tako deluje tipkovnica zaslona ali druge terminalske naprave, s katere človek vnaša podatke za obdelavo v računalniku.

V asinhronem načinu vsak bajt podatkov spremljata posebna signala "start" in "stop" (slika 2.20, A). Namen teh signalov je, prvič, obvestiti sprejemnik o prihodu podatkov in, drugič, dati sprejemniku dovolj časa za izvedbo nekaterih funkcij, povezanih s sinhronizacijo, preden prispe naslednji bajt. Začetni signal ima trajanje enega časovnega intervala, zaustavitveni signal pa lahko traja eno, eno in pol ali dve taktni obdobji, zato se pravi, da se kot stop signal uporablja en, en in pol ali dva bita. , čeprav ti signali ne predstavljajo uporabniških bitov.

Opisani način se imenuje asinhroni, ker se lahko vsak bajt časovno nekoliko premakne glede na bitne ure prejšnjega.

148 2. poglavje Osnove diskretnega prenosa podatkov

bajt. Ta asinhroni prenos bajtov ne vpliva na pravilnost prejetih podatkov, saj na začetku vsakega bajta pride do dodatne sinhronizacije sprejemnika z izvorom zaradi "začetnih" bitov. Več "ohlapnih" časovnih toleranc določa nizko ceno opreme asinhronega sistema.

V načinu sinhronega prenosa med vsakim parom bajtov ni začetnih in končnih bitov. Uporabniški podatki so zbrani v okvir, pred katerim so sinhronizacijski bajti (slika 2.20, b). Sinhronizacijski bajt je bajt, ki vsebuje znano kodo, kot je 0111110, ki obvesti prejemnika o prihodu podatkovnega okvira. Po prejemu mora sprejemnik vnesti bajtno sinhronizacijo z oddajnikom, torej pravilno razumeti začetek naslednjega bajta okvira. Včasih se za zagotovitev zanesljivejše sinhronizacije med sprejemnikom in oddajnikom uporabi več sinhronizacijskih bajtov. Ker ima lahko sprejemnik pri prenosu dolgega okvirja težave z bitno sinhronizacijo, se v tem primeru uporabljajo samosinhronizirajoče kode.

» Pri prenosu diskretnih podatkov po ozkopasovnem govorno-frekvenčnem kanalu, ki se uporablja v telefoniji, je najprimernejša analogna modulacija, pri kateri je nosilna sinusoida modulirana z originalnim zaporedjem binarnih števk. To operacijo izvajajo posebne naprave - modemi.

* Za prenos podatkov z nizko hitrostjo se uporabi sprememba frekvence nosilne sinusoide. Modemi z večjo hitrostjo delujejo s kombiniranimi metodami kvadraturne amplitudne modulacije (QAM), za katere so značilne 4 ravni nosilne sinusne amplitude in 8 stopenj faze. Za prenos podatkov se ne uporabljajo vse od 32 možnih kombinacij metode QAM, prepovedane kombinacije omogočajo prepoznavanje popačenih podatkov na fizični ravni.

* Na širokopasovnih komunikacijskih kanalih se uporabljajo metode kodiranja potencialov in impulzov, pri katerih so podatki predstavljeni z različnimi nivoji konstantnega potenciala signala ali polarnosti impulza ali njegove fronte.

* Pri uporabi potencialnih kod je naloga sinhronizacije sprejemnika z oddajnikom še posebej pomembna, saj se pri oddajanju dolgih zaporedij ničel ali enic signal na vhodu sprejemnika ne spremeni in sprejemnik težko določi trenutek pobiranja naslednjega podatkovnega bita.

___________________________________________2.3. Metode prenosa plasti podatkovne povezave _______149

* Najenostavnejša potencialna koda je koda brez vrnitve na nič (NRZ), vendar ni samotaktna in proizvaja enosmerno komponento.

» Najbolj priljubljena pulzna koda je Manchestrska koda, pri kateri se informacija prenaša po smeri padca signala na sredini vsakega takta. Manchesterska koda se uporablja v tehnologijah Ethernet in Token Ring.

» Za izboljšanje lastnosti potencialne kode NRZ se uporabljajo tehnike logičnega kodiranja, ki odpravljajo dolga zaporedja ničel. Te metode temeljijo na:

O vnosu redundantnih bitov v izvorne podatke (kode tipa 4B/5B);

Kodiranje izvornih podatkov (kode tipa 2B1Q).

» Izboljšane potencialne kode imajo ožji spekter kot impulzne kode, zato se uporabljajo v hitrih tehnologijah, kot so FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Fizično sloj se ukvarja z dejanskim prenosom neobdelanih bitov

komunikacijski kanal.

Prenos podatkov v računalniških omrežjih iz enega računalnika v drugega poteka zaporedno, bit za bit. Fizično se podatkovni biti prenašajo po podatkovnih povezavah v obliki analognih ali digitalnih signalov.

Skupek sredstev (komunikacijske linije, oprema za prenos in sprejem podatkov), ki se uporabljajo za prenos podatkov v računalniških omrežjih, imenujemo kanal za prenos podatkov. Glede na obliko posredovane informacije lahko kanale za prenos podatkov razdelimo na analogne (zvezne) in digitalne (diskretne).

Ker oprema za prenos in sprejem podatkov deluje s podatki v diskretni obliki (tj. diskretni električni signali ustrezajo enotam in ničlam podatkov), je pri njihovem prenosu po analognem kanalu potrebna pretvorba diskretnih podatkov v analogne (modulacija).

Pri sprejemu takih analognih podatkov je potrebna inverzna pretvorba - demodulacija. Modulacija/demodulacija – procesi pretvorbe digitalne informacije na analogne signale in obratno. Med modulacijo je informacija predstavljena s sinusnim signalom frekvence, ki jo kanal za prenos podatkov dobro prenaša.

Metode modulacije vključujejo:

· amplitudna modulacija;

· frekvenčna modulacija;

· fazna modulacija.

Pri prenosu diskretnih signalov prek digitalnega podatkovnega kanala se uporablja kodiranje:

· potencial;

· pulzno.

Tako se na kanalih uporablja potencialno ali impulzno kodiranje Visoka kvaliteta, in modulacija, ki temelji na sinusoidnih signalih, je boljša v primerih, ko kanal vnaša močna popačenja v oddane signale.

Običajno se uporablja modulacija globalna omrežja pri prenosu podatkov po analognih telefonskih linijah, ki so bile zasnovane za prenos glasu v analogni obliki in zato niso najbolj primerne za neposredni prenos impulzov.

Odvisno od načinov sinhronizacije, kanalov za prenos podatkov računalniška omrežja lahko razdelimo na sinhrone in asinhrone. Sinhronizacija je potrebna, da lahko pošiljajoče podatkovno vozlišče odda nekaj signala sprejemnemu vozlišču, tako da sprejemno vozlišče ve, kdaj naj začne prejemati dohodne podatke.

Sinhroni prenos podatkov zahteva dodatno komunikacijsko linijo za prenos taktnih impulzov. Prenos bitov s strani oddajne postaje in njihov sprejem s sprejemno postajo se izvedeta v trenutkih pojava urnih impulzov.

Za asinhroni prenos podatkov ni potrebna dodatna komunikacijska linija. V tem primeru se prenos podatkov izvaja v blokih fiksne dolžine (bajtov). Sinhronizacijo izvajajo dodatni biti (start bits in stop bits), ki se prenašajo pred in za poslanim bajtom.

Pri izmenjavi podatkov med vozlišči računalniškega omrežja se uporabljajo trije načini prenosa podatkov:

Simpleksni (enosmerni) prenos (televizija, radio);

poldupleks (sprejem / prenos informacij se izvaja izmenično);

duplex (dvosmerno), vsako vozlišče hkrati prenaša in sprejema podatke (na primer telefonske pogovore).

	\|	naslednje predavanje ==>

Pri prenosu diskretnih podatkov po komunikacijskih kanalih se uporabljata dve glavni vrsti fizičnega kodiranja -temelji sinusni nosilni signal in temelji na zaporedju pravokotnih impulzov. Prva metoda se pogosto imenuje modulacija oz analogna modulacija, s poudarkom na dejstvu, da se kodiranje izvaja s spreminjanjem parametrov analognega signala. Druga metoda se običajno imenuje digitalno kodiranje. Te metode se razlikujejo po širini spektra nastalega signala in kompleksnosti opreme, potrebne za njihovo izvedbo.

Trenutno se vse pogosteje podatki, ki so bili prvotno v analogni obliki - govor, televizijska slika - prenašajo po komunikacijskih kanalih v diskretni obliki, torej v obliki zaporedja enic in ničel. Postopek predstavitve analognih informacij v diskretni obliki se imenuje diskretna modulacija. Izraza "modulacija" in "kodiranje" se pogosto uporabljata izmenično.

pri digitalno kodiranje potencialne in impulzne kode se uporabljajo za diskretne informacije. V potencialnih kodah se za predstavitev logičnih enic in ničel uporablja le potencialna vrednost signala, njeni padci, ki tvorijo popolne impulze, pa se ne upoštevajo. Pulzne kode vam omogočajo, da binarne podatke predstavite bodisi kot impulze določene polarnosti bodisi kot del impulza - padec potenciala v določeni smeri.

Pri uporabi pravokotnih impulzov za prenos diskretnih informacij je treba izbrati način kodiranja, ki bi hkrati dosegel več ciljev: imeti najmanjšo spektralno širino nastalega signala pri enaki bitni hitrosti; zagotovljena sinhronizacija med oddajnikom in sprejemnikom;

Imeti sposobnost prepoznavanja napak; imela nizko prodajno ceno.

Omrežja uporabljajo t.i samosinhronizirajoče kode, katerih signali nosijo navodila za oddajnik, kdaj je treba prepoznati naslednji bit (ali več bitov, če je koda osredotočena na več kot dve stanji signala). Vsaka ostra sprememba signala - tako imenovani rob - je lahko dobra indikacija za sinhronizacijo sprejemnika z oddajnikom. Prepoznavanje in popravljanje popačenih podatkov je težko izvesti s sredstvi fizične plasti, zato najpogosteje to delo prevzamejo protokoli, ki ležijo zgoraj: kanal, omrežje, transport ali aplikacija. Po drugi strani pa prepoznavanje napak na fizičnem nivoju prihrani čas, saj sprejemnik ne čaka na popolno namestitev okvirja v medpomnilnik, ampak ga takoj po postavitvi zavrne. poznavanje napačnih bitov v okviru.

Potencialna koda brez vrnitve na ničlo, potencialna metoda kodiranja, imenovana tudi kodiranje brez vrnitve na ničlo (Non Vrnitev do Nič, NRZ). Priimek odraža dejstvo, da se pri prenosu zaporedja enic signal med taktom ne vrne na nič (kot bomo videli spodaj, se v tem primeru pri drugih metodah kodiranja vrne na nič). Metoda NRZ je enostavna za implementacijo, ima dobro razpoznavanje 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 trenutkov, ko je treba podatke ponovno prebrati. Tudi pri zelo natančnem taktnem generatorju se lahko sprejemnik zmoti s trenutkom zbiranja podatkov, saj frekvenci obeh generatorjev nikoli nista povsem enaki. Zato lahko pri visokih hitrostih prenosa podatkov in dolgih zaporedjih enic ali ničel majhna neusklajenost ure povzroči napako celotnega cikla ure in s tem prebrano napačno vrednost bita.

Metoda bipolarnega kodiranja z alternativno inverzijo. Ena od modifikacij metode NRZ je bipolarno kodiranje z alternativno inverzijo (Bipolarna Nadomestni Mark Inverzija, AMI). Ta metoda uporablja tri potencialne ravni – negativno, ničelno in pozitivno. Za kodiranje logične ničle se uporablja ničelni potencial, logična ena pa je kodirana s pozitivnim ali negativnim potencialom, pri čemer je potencial vsake nove enote nasproten potencialu prejšnje. Tako kršitev stroge menjave polarnosti signala kaže na lažni impulz ali izginotje pravilnega impulza iz linije. Pokliče se signal z nepravilno polariteto prepovedan signal (signal kršitev). Koda AMI ne uporablja dveh, ampak tri ravni signala na liniji. Dodatni sloj zahteva povečanje moči oddajnika za približno 3 dB, da se zagotovi enaka zvestoba bitov na liniji, kar je pogosta pomanjkljivost kod z več signalnimi stanji v primerjavi s kodami, ki razlikujejo le dve stanji.

Potencialna koda z inverzijo na enem. Obstaja koda, podobna AMI, vendar s samo dvema nivojema signala. Pri oddaji ničle oddaja potencial, ki je bil nastavljen v prejšnjem ciklu (torej ga ne spremeni), pri oddaji enice pa se potencial obrne na nasprotnega. Ta koda se imenuje potencialna koda z inverzijo na enem (Non Vrnitev do Nič z tiste Obrnjeno, NRZI). Ta koda je primerna v primerih, ko je uporaba tretjega nivoja signala zelo nezaželena, na primer v optičnih kablih, kjer sta dve stanji signala - svetloba in tema - stabilno prepoznani.

Bipolarna impulzna koda Poleg potencialnih kod se v omrežjih uporabljajo tudi impulzne kode, ko podatek predstavlja polni impulz ali njegov del – fronta. Najenostavnejši primer tega pristopa je bipolarna pulzna koda, v kateri je ena predstavljena z impulzom ene polarnosti, nič pa z drugo . Vsak utrip traja pol utripa. Takšna koda ima odlične lastnosti samosinhronizacije, vendar je lahko 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 NHz, kar je dvakrat višje od osnovnega harmonika kode NRZ in štirikrat višje od osnovnega harmonika kode AMI, ko oddajanje izmeničnih enic in ničel. Zaradi preširokega spektra se bipolarna pulzna koda redko uporablja.

koda Manchester. V lokalnih omrežjih je bil do nedavnega najpogostejši način kodiranja t.i koda Manchester. Uporablja se v tehnologijah Ethernet in TokenRing. Manchesterska koda uporablja potencialno razliko, to je rob impulza, za kodiranje enic in ničel. Pri Manchestrskem kodiranju je vsaka mera razdeljena na dva dela. Informacije so kodirane s padci potenciala, ki se pojavijo sredi vsakega takta. Enota je kodirana z robom od nizkega nivoja signala do visokega, ničla pa je kodirana z reverznim robom. Na začetku vsakega cikla ure lahko pride do padca signala nad glavo, če morate predstaviti več enic ali ničel v vrsti. Ker se signal spremeni vsaj enkrat na prenosni cikel enega podatkovnega bita, ima Manchesterska koda dobre lastnosti samosinhronizacije. Pasovna širina kode Manchester je ožja od pasovne širine bipolarnega impulza. V povprečju je pasovna širina Manchestrske kode enkrat in pol ožja od pasovne širine bipolarne impulzne kode, osnovni harmonik pa niha okoli vrednosti 3N/4. Manchesterska koda ima še eno prednost pred bipolarno pulzno kodo. Slednji za prenos podatkov uporablja tri nivoje signala, manchesterski pa dva.

Potencialna koda 2B 1Q. Potencialna koda s štirimi nivoji signala za kodiranje podatkov. To je koda 2 V 1Q, katerega ime odraža njegovo bistvo - vsaka dva bita (2B) se v enem taktu preneseta s signalom, ki ima štiri stanja (1Q). Par bitov 00 ustreza potencialu -2,5 V, par bitov 01 ustreza potencialu -0,833 V, par 11 ustreza potencialu +0,833 V in par 10 ustreza potencialu +2,5 V. Pri tej metodi kodiranja so potrebni dodatni ukrepi za obravnavo dolgih zaporedij enakih bitnih parov, saj se v tem primeru signal spremeni v konstantno komponento. Pri naključnem menjavanju bitov je spekter signala dvakrat ožji kot pri kodi NRZ, saj se pri isti bitni hitrosti trajanje takta podvoji. Tako lahko s kodo 2B 1Q 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 loči štiri ravni glede na motnje.

Logično kodiranje Logično kodiranje se uporablja za izboljšanje potencialnih kod, kot so AMI, NRZI ali 2Q.1B. Logično kodiranje mora zamenjati dolga zaporedja bitov, ki vodijo do konstantnega potenciala, z vmesnimi. Kot je navedeno zgoraj, sta za logično kodiranje značilni dve metodi -. redundantne kode in kodiranje.

Odvečne kode temeljijo na razdelitvi izvirnega bitnega zaporedja na dele, ki se pogosto imenujejo simboli. Vsak izvirni znak se nato nadomesti z novim, ki ima več bitov kot izvirnik.

Za zagotovitev dane zmogljivosti linije mora oddajnik, ki uporablja redundantno kodo, delovati pri povečani taktni frekvenci. Torej, za prenos kod 4V/5V s hitrostjo 100 Mb/s mora oddajnik delovati pri taktni frekvenci 125 MHz. V tem primeru se spekter signala na liniji razširi v primerjavi s primerom, ko se po liniji prenaša čista, neredundantna koda. Kljub temu se izkaže, da je spekter redundantne potencialne kode ožji od spektra Manchestrske kode, kar upravičuje dodatno stopnjo logičnega kodiranja, pa tudi delovanje sprejemnika in oddajnika pri povečani taktni frekvenci.

Premečkanje. Premešanje podatkov s premešalnikom, preden jih prenesete v vrstico z uporabo potencialne kode, je še en način logičnega kodiranja. Metode premešanja vključujejo izračun po bitu dobljene kode na podlagi bitov izvorne kode in bitov dobljene kode, pridobljene v prejšnjih taktih. Na primer, šifrirnik lahko izvaja naslednjo relacijo:

Asinhroni in sinhroni prenos

Pri izmenjavi podatkov na fizični ravni je enota informacije bit, zato fizična plast vedno vzdržuje bitno sinhronizacijo med sprejemnikom in oddajnikom. Običajno je dovolj zagotoviti sinhronizacijo na teh dveh ravneh - bitni in okvirni - da lahko oddajnik in sprejemnik zagotovita stabilno izmenjavo informacij. Kadar pa je kakovost komunikacijske linije slaba (običajno to velja za telefonske klicne kanale), se na ravni bajtov uvedejo dodatna sredstva za sinhronizacijo, da se zmanjšajo stroški opreme in poveča zanesljivost prenosa podatkov.

Ta način delovanja se imenuje asinhroni oz start-stop. V asinhronem načinu vsak bajt podatkov spremljata posebna signala za začetek in zaustavitev. Namen teh signalov je, prvič, obvestiti sprejemnik o prihodu podatkov in, drugič, dati sprejemniku dovolj časa za izvedbo nekaterih funkcij, povezanih s sinhronizacijo, preden prispe naslednji bajt. Začetni signal ima trajanje enega časovnega intervala, zaustavitveni signal pa lahko traja eno, eno in pol ali dve taktni obdobji, zato se pravi, da se kot stop signal uporablja en, en in pol ali dva bita. , čeprav ti signali ne predstavljajo uporabniških bitov.

V načinu sinhronega prenosa med vsakim parom bajtov ni začetnih in končnih bitov. zaključki

Pri prenosu diskretnih podatkov po ozkopasovnem govorno-frekvenčnem kanalu, ki se uporablja v telefoniji, so najprimernejše metode analogne modulacije, pri kateri je nosilna sinusoida modulirana z originalnim zaporedjem binarnih števk. To operacijo izvajajo posebne naprave - modemi.

Za prenos podatkov z nizko hitrostjo se uporablja sprememba frekvence nosilne sinusoide. Hitrejši modemi delujejo s kombiniranimi metodami kvadraturne amplitudne modulacije (QAM), za katero so značilne 4 ravni nosilne sinusne amplitude in 8 stopenj faze. Za prenos podatkov se ne uporabljajo vse od 32 možnih kombinacij metode QAM, prepovedane kombinacije omogočajo prepoznavanje poškodovanih podatkov na fizični ravni.

Na širokopasovnih komunikacijskih kanalih se uporablja metoda kodiranja potencialov in impulzov, pri katerih so podatki predstavljeni z različnimi nivoji konstantnega potenciala signala ali polarnosti impulza oz. njegov spredaj.

Pri uporabi potencialnih kod postane naloga sinhronizacije sprejemnika z oddajnikom še posebej pomembna, saj se pri oddajanju dolgih zaporedij ničel ali enic signal na vhodu sprejemnika ne spremeni in sprejemnik težko določi trenutek pobiranje naslednjega podatkovnega bita.

Najenostavnejša potencialna koda je koda brez vrnitve na nič (NRZ), vendar ni samotaktna in proizvaja enosmerno komponento.

Najbolj priljubljena impulzna koda je Manchesterska koda, pri kateri se informacije prenašajo s smerjo padca signala na sredini vsakega takta. Koda Manchester se uporablja v tehnologijah Ethernet in TokenRing.

Za izboljšanje lastnosti potencialne kode NRZ se uporabljajo metode logičnega kodiranja, ki odpravljajo dolga zaporedja ničel. Te metode temeljijo na:

O vnosu redundantnih bitov v izvorne podatke (kode tipa 4B/5B);

Kodiranje izvornih podatkov (kode, kot je 2B 1Q).

Izboljšane potencialne kode imajo ožji spekter kot impulzne kode, zato se uporabljajo v hitrih tehnologijah, kot so FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

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 kodiranje poteka s spreminjanjem parametrov analognega signala. Druga metoda se običajno imenuje digitalno kodiranje. Te metode se razlikujejo po širini spektra nastalega signala in kompleksnosti opreme, potrebne za njihovo izvedbo.
Analogna modulacija uporablja se za prenos diskretnih podatkov po kanalih z ozkim frekvenčnim pasom, katerega značilen predstavnik je govorno-frekvenčni kanal, namenjen uporabnikom javnih telefonskih omrežij. Tipičen amplitudno-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 nosilne sinusne modulacije 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 izvirne 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 enotami.
Z amplitudno modulacijo (slika 2.13, b) je ena raven amplitude sinusoida nosilne frekvence izbrana za logično enoto, druga pa za logično ničlo. 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 izvornih 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 vrednosti podatkov 0 in 1 ustrezata signalom iste frekvence, vendar z različnimi fazami, na primer 0 in 180 stopinj ali 0,90,180 in 270 stopinj.
Visokohitrostni modemi pogosto uporabljajo kombinirane metode modulacije, običajno amplitudo v kombinaciji s fazo.
Pri uporabi pravokotnih impulzov za prenos diskretnih informacij je treba izbrati način kodiranja, ki hkrati dosega več ciljev:
· imel najmanjšo širino spektra dobljenega signala pri enaki bitni hitrosti;
· zagotovljena sinhronizacija med oddajnikom in sprejemnikom;
· imel sposobnost prepoznavanja napak;
· imeli nizke prodajne stroške.
Ožji spekter signalov omogoča, da ena in ista linija (z enako pasovno širino) doseže višjo hitrost prenosa podatkov. Poleg tega se pogosto zahteva, da spekter signala nima enosmerne 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 sredstvi fizične plasti, zato najpogosteje to delo prevzamejo protokoli, ki ležijo zgoraj: kanal, omrežje, transport ali aplikacija. Po drugi strani pa prepoznavanje napak na fizičnem nivoju prihrani čas, saj sprejemnik ne čaka, da se okvir v celoti postavi v medpomnilnik, ampak ga takoj zavrže, ko prepozna napačne bite znotraj okvira.
Zahteve za metode kodiranja so medsebojno nasprotujoče, zato ima vsaka izmed priljubljenih metod digitalnega kodiranja, obravnavanih spodaj, svoje prednosti in slabosti v primerjavi z drugimi.