Fysisk grund för dataöverföring. Metoder för dataöverföring på fysisk nivå. Fysisk grund för dataöverföring

7. NIVÅ FÖR FYSISK DATAÖVERFÖRING

7.2. Diskreta dataöverföringsmetoder

Vid överföring av diskreta data över kommunikationskanaler används två huvudtyper av fysisk kodning - baserad på en sinusformad bärvågssignal och baserad på en sekvens av rektangulära pulser. Den första metoden kallas ofta modulation eller analog modulering , vilket betonar det faktum att kodning utförs genom att ändra parametrarna för den analoga signalen. Den andra metoden kallas digital kodning . Dessa metoder skiljer sig åt i bredden på spektrumet för den resulterande signalen och komplexiteten hos den utrustning som krävs för deras implementering.

När du använder rektangulära pulser är spektrumet för den resulterande signalen mycket brett. Användningen av en sinusvåg resulterar i ett smalare spektrum vid samma informationsöverföringshastighet. För att implementera modulering krävs dock mer komplex och dyrare utrustning än att implementera rektangulära pulser.

För närvarande sänds allt mer data som ursprungligen var i analog form - tal, tv-bilder - över kommunikationskanaler i diskret form, det vill säga som en sekvens av ettor och nollor. Processen att representera analog information i diskret form kallas diskret modulering .

Analog modulering används för att överföra diskreta data över kanaler med ett smalt frekvensband - röstfrekvenskanal (offentliga telefonnät). Denna kanal sänder frekvenser i området från 300 till 3400 Hz, så dess bandbredd är 3100 Hz.

En enhet som utför funktionerna bärvågssinusmodulering på den sändande sidan och demodulering på den mottagande sidan kallas modem (modulator-demodulator).

Analog modulering är en fysisk kodningsmetod där information kodas genom att amplituden, frekvensen eller fasen för en sinusformad signal ändras bärvågsfrekvens(Fig. 27).

På amplitudmodulering (Fig. 27, b) för en logisk enhet väljs en nivå av amplituden för bärvågsfrekvensen sinusoid, och för en logisk nolla - en annan. Denna metod används sällan i sin rena form i praktiken på grund av låg brusimmunitet, men används ofta i kombination med en annan typ av modulering - fasmodulering.

På frekvensmodulering (Fig. 27, c) värdena 0 och 1 för källdata sänds av sinusoider med olika frekvenser - f 0 och f 1,. Denna moduleringsmetod kräver inga komplexa kretsar i modem och används vanligtvis i låghastighetsmodem som arbetar med 300 eller 1200 bps.

På fasmodulering (Fig. 27, d) datavärden 0 och 1 motsvarar signaler med samma frekvens, men med olika faser, till exempel 0 och 180 grader eller 0, 90, 180 och 270 grader.

Höghastighetsmodem använder ofta kombinerade moduleringsmetoder, vanligtvis amplitud kombinerad med fas.

Ris. 27. Olika typer modulation

Spektrum av den resulterande modulerade signalen beror på typen och hastigheten av moduleringen.

För potentiell kodning erhålls spektrumet direkt från Fourierformlerna för den periodiska funktionen. Om diskret data sänds med en bithastighet på N bit/s, består spektrumet av en konstant komponent med nollfrekvens och en oändlig serie övertoner med frekvenserna f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., där fo = N/2. Amplituden för dessa övertoner minskar ganska långsamt - med koefficienter på 1/3, 1/5, 1/7, ... från amplituden för övertonen f 0 (Fig. 28, a). Som ett resultat kräver spektrumet av potentiell kod en bred bandbredd för högkvalitativ överföring. Dessutom måste du ta hänsyn till att signalspektrumet i verkligheten förändras ständigt beroende på vilken typ av data. Därför upptar spektrumet för den resulterande potentiella kodsignalen vid sändning av godtyckliga data ett band från ett visst värde nära 0 Hz till ungefär 7f 0 (övertoner med frekvenser över 7f 0 kan försummas på grund av deras lilla bidrag till den resulterande signalen). För en röstkanal uppnås den övre gränsen för potentiell kodning vid en datahastighet på 971 bps. Som ett resultat av detta används aldrig potentiella koder på röstkanaler.

Med amplitudmodulering består spektrumet av en sinusvåg av bärvågsfrekvensen f med och två sidoövertoner: (f c + f m) och ( f c – f m), var f m – ändringsfrekvens för informationsparametern för sinusoiden, som sammanfaller med dataöverföringshastigheten vid användning av två amplitudnivåer (fig. 28, b). Frekvens f m bestämmer linjekapaciteten för en given kodningsmetod. Vid en låg moduleringsfrekvens kommer signalspektrumbredden också att vara liten (lika med 2f m ), så signaler kommer inte att förvrängas av en linje om dess bandbredd är större än eller lika med 2f m . För en röstfrekvenskanal är denna moduleringsmetod acceptabel vid en dataöverföringshastighet på högst 3100/2=1550 bps. Om 4 amplitudnivåer används för att presentera data, ökar kanalkapaciteten till 3100 bps.

Ris. 28. Spektra av signaler under potentialkodning

och amplitudmodulering

Med fas- och frekvensmodulering är signalspektrat mer komplext än med amplitudmodulering, eftersom mer än två sidoövertoner bildas här, men de är också symmetriskt placerade i förhållande till huvudbärvågsfrekvensen och deras amplituder minskar snabbt. Därför är dessa typer av modulering också väl lämpade för dataöverföring över en röstkanal.

Vid digital kodning av diskret information används potential- och pulskoder. I potentialkoder används endast signalens potentialvärde för att representera logiska ettor och nollor, och dess kanter tas inte med i beräkningen. Pulskoder låter dig representera binära data antingen som pulser med en viss polaritet eller som en del av en puls - en potentialskillnad i en viss riktning.

När du använder rektangulära pulser för att överföra diskret information är det nödvändigt att välja en kodningsmetod som samtidigt uppnår flera mål:

· hade den minsta spektrumbredden av den resulterande signalen vid samma bithastighet;

· tillhandahåller synkronisering mellan sändaren och mottagaren;

· hade förmågan att känna igen misstag;

· hade ett lågt försäljningspris.

Ett smalare spektrum av signaler möjliggör högre dataöverföringshastigheter på samma linje. Ofta krävs att signalspektrat inte har någon DC-komponent.

Synkronisering av sändare och mottagare är nödvändig så att mottagaren vet exakt vid vilken tidpunkt det är nödvändigt att läsa ny information från kommunikationslinjen. Detta problem är svårare att lösa i nätverk än när man utbyter data mellan närbelägna enheter, till exempel mellan enheter inuti en dator eller mellan en dator och en skrivare. Därför använder nätverk så kallade självsynkroniserande koder, vars signaler bär instruktioner för sändaren om vid vilken tidpunkt nästa bit (eller flera bitar) ska kännas igen. Varje skarp förändring i signalen - den så kallade kanten - kan fungera som en bra indikation för att synkronisera mottagaren med sändaren.

När du använder sinusoider som bärvågssignal har den resulterande koden egenskapen att synkroniseras, eftersom ändring av amplituden på bärvågsfrekvensen gör det möjligt för mottagaren att bestämma det ögonblick då ingångskoden visas.

Kraven för kodningsmetoder är ömsesidigt motstridiga, därför har var och en av de populära digitala kodningsmetoderna som diskuteras nedan sina egna fördelar och nackdelar jämfört med andra.

I fig. 29 visar a den potentiella kodningsmetoden, även kallad kodning utan att återgå till noll (Ej Återgå till Zero, NRZ) . Efternamnet återspeglar det faktum att när en sekvens av ettor sänds, återgår inte signalen till noll under klockcykeln. NRZ-metoden är lätt att implementera, har bra feligenkänning (på grund av två skarpt olika potentialer), men har inte egenskapen självsynkronisering. Vid sändning av en lång sekvens av ettor eller nollor ändras inte signalen på linjen, så mottagaren kan inte avgöra från insignalen när det är nödvändigt att läsa data. Även med en högprecisionsklockgenerator kan mottagaren göra ett misstag med ögonblicket för datainsamling, eftersom frekvenserna för de två generatorerna aldrig är helt identiska. Därför, vid höga datahastigheter och långa sekvenser av ettor eller nollor, kan en liten klockmissanpassning leda till ett fel av en hel klockcykel och följaktligen att ett felaktigt bitvärde läses.

En annan allvarlig nackdel med NRZ-metoden är närvaron av en lågfrekvent komponent som närmar sig noll när man sänder långa sekvenser av ettor eller nollor. På grund av detta stöder många kommunikationskanaler som inte ger en direkt galvanisk anslutning mellan mottagaren och källan denna typ av kodning. Som ett resultat används inte NRZ-koden i sin rena form i nätverk. Ändå används dess olika modifieringar, vilket eliminerar både den dåliga självsynkroniseringen av NRZ-koden och närvaron av en konstant komponent. Attraktionskraften hos NRZ-koden, vilket gör det värt att förbättra den, är den ganska låga frekvensen av den grundläggande övertonen f 0, som är lika med N/2 Hz. I andra kodningsmetoder, såsom Manchester, har den grundläggande övertonen en högre frekvens.

Ris. 29. Metoder för diskret datakodning

En av modifikationerna av NRZ-metoden är metoden bipolär kodning med alternativ inversion (Bipolär Alternativ Mark Inversion, AMI). Denna metod (fig. 29, b) använder tre potentialnivåer - negativ, noll och positiv. För att koda en logisk nolla används en nollpotential, och en logisk kodas antingen av en positiv potential eller en negativ, där potentialen för varje ny enhet är motsatt potentialen för den tidigare.

AMI-koden eliminerar delvis DC och bristen på självsynkroniseringsproblem som är inneboende i NRZ-koden. Detta inträffar när man sänder långa sekvenser av ettor. I dessa fall är signalen på linjen en sekvens av motsatt polariserade pulser med samma spektrum som NRZ-koden, som sänder alternerande nollor och ettor, det vill säga utan en konstant komponent och med en grundläggande överton på N/2 Hz (där N är bithastigheten för dataöverföring). Långa sekvenser av nollor är lika farliga för AMI-koden som för NRZ-koden - signalen urartar till en konstant potential på noll amplitud. Därför kräver AMI-koden ytterligare förbättringar.

I allmänhet, för olika bitkombinationer på en linje, resulterar användning av AMI-koden i ett smalare signalspektrum än NRZ-koden, och därför högre bandbredd rader. Till exempel, när man sänder alternerande ettor och nollor, har grundövertonen f 0 en frekvens på N/4 Hz. AMI-koden tillhandahåller också vissa möjligheter för att känna igen felaktiga signaler. Således indikerar ett brott mot den strikta växlingen av signalpolaritet en falsk puls eller försvinnandet av en korrekt puls från linjen. Denna signal kallas förbjuden signal (signal överträdelse).

AMI-koden använder inte två, utan tre signalnivåer på linjen. Det ytterligare lagret kräver en ökning av sändareffekten på ungefär 3 dB för att ge samma bittrohet på linjen, vilket är en vanlig nackdel med koder med flera signaltillstånd jämfört med koder som endast skiljer två tillstånd.

Det finns kod som liknar AMI, men med bara två signalnivåer. När den sänder en nolla sänder den potentialen som ställdes in i föregående cykel (det vill säga ändrar den inte), och när den sänder en etta inverteras potentialen till den motsatta. Denna kod kallas potentiell kod med inversion på ett (Inte Lämna tillbaka till Noll med ettor Omvänd , NRZI ) . Denna kod är användbar i fall där användningen av en tredje signalnivå är mycket oönskad, till exempel i optiska kablar, där två signaltillstånd konsekvent känns igen - ljus och skugga.

Förutom potentiella koder används pulskoder också i nätverk, när data representeras av en hel puls eller en del av den - en kant. Det enklaste fallet med detta tillvägagångssätt är bipolär pulskod , där en representeras av en puls med en polaritet och noll av en annan (fig. 29, c). Varje puls varar ett halvt slag. Denna kod har utmärkt självsynkroniserande egenskaper, men en konstant komponent kan vara närvarande, till exempel vid sändning av en lång sekvens av ettor eller nollor. Dessutom är dess spektrum bredare än potentiella koder. Sålunda, vid sändning av alla nollor eller ettor, kommer frekvensen för den grundläggande övertonen i koden att vara lika med N Hz, vilket är två gånger högre än den grundläggande övertonen för NRZ-koden och fyra gånger högre än den grundläggande övertonen för AMI-koden när du sänder alternerande ettor och nollor. På grund av dess för breda spektrum används den bipolära pulskoden sällan.

I lokala nätverk Fram till nyligen var den vanligaste kodningsmetoden den sk Manchester kod (Fig. 29, d). Det används i Ethernet- och Token Ring-tekniker.

Manchester-koden använder en potentialskillnad, det vill säga kanten på en puls, för att koda ettor och nollor. Med Manchester-kodning är varje takt uppdelad i två delar. Information kodas av potentiella fall som inträffar i mitten av varje klockcykel. En kodas av en flank från låg till hög signalnivå, och noll kodas av en omvänd flank. I början av varje klockcykel kan ett overheadsignalfall inträffa om du behöver representera flera ettor eller nollor i rad. Eftersom signalen ändras åtminstone en gång per överföringscykel av en databit, har Manchester-koden bra självsynkroniserande egenskaper. Bandbredden för Manchester-koden är smalare än den för den bipolära pulsen. Den har heller ingen DC-komponent, och grundövertonen i värsta fall (vid sändning av en sekvens av ettor eller nollor) har en frekvens på N Hz, och i bästa fall (vid sändning av alternerande ettor och nollor) är den lika med N / 2 Hz, som AMI eller NRZ I genomsnitt är bandbredden för Manchester-koden en och en halv gång smalare än den för den bipolära pulskoden, och den grundläggande övertonen fluktuerar runt värdet 3N/4. Manchester-koden har en annan fördel jämfört med den bipolära pulskoden. Den senare använder tre signalnivåer för dataöverföring, medan Manchester en använder två.

I fig. 29, d visar en potentiell kod med fyra signalnivåer för kodning av data. Detta är en 2B1Q-kod, vars namn återspeglar dess väsen - varannan bit (2B) sänds i en klockcykel av en signal med fyra tillstånd (1Q). Bitpar 00 motsvarar en potential på -2,5 V, bitpar 01 motsvarar en potential på -0,833 V, par 11 motsvarar en potential på +0,833 V och par 10 motsvarar en potential på +2,5 V. Med denna kodning metod krävs ytterligare åtgärder för att bekämpa långa sekvenser av identiska bitpar, eftersom i detta fall signalen förvandlas till en konstant komponent. Med slumpmässig interfoliering av bitar är signalspektrumet dubbelt så smalt som det för NRZ-koden, eftersom klocklängden fördubblas med samma bithastighet. Med hjälp av 2B1Q-koden kan du alltså överföra data över samma linje dubbelt så snabbt som att använda AMI- eller NRZI-koden. Men för att implementera det måste sändareffekten vara högre så att de fyra nivåerna tydligt urskiljs av mottagaren mot bakgrund av störningar.

Sida 27 från 27 Fysisk grund för dataöverföring(Kommunikationslinjer,)

Fysisk grund för dataöverföring

All nätverksteknik måste säkerställa tillförlitlig och snabb överföring av diskreta data över kommunikationslinjer. Även om det finns stora skillnader mellan teknologier, är de baserade på gemensamma principer för diskret dataöverföring. Dessa principer är förkroppsligade i metoder för att representera binära ettor och nollor med användning av pulsade eller sinusformade signaler i kommunikationslinjer av olika fysisk natur, feldetektering och korrigeringsmetoder, komprimeringsmetoder och omkopplingsmetoder.

Raderkommunikation

Primära nätverk, linjer och kommunikationskanaler

När man beskriver tekniskt system, som överför information mellan nätverksnoder, finns flera namn i litteraturen: kommunikationslinje, sammansatt kanal, kanal, länk. Ofta används dessa termer omväxlande, och i många fall orsakar detta inga problem. Samtidigt finns det detaljer i deras användning.

Länk(länk) är ett segment som tillhandahåller dataöverföring mellan två angränsande nätverksnoder. Det vill säga att länken inte innehåller mellanliggande omkopplings- och multiplexeringsenheter.

Kanal(kanal) betecknar oftast den del av länkbandbredden som används oberoende under byte. Till exempel kan en primär nätverkslänk bestå av 30 kanaler, som var och en har en kapacitet på 64 Kbps.

Sammansatt kanal(krets) är en väg mellan två ändnoder i ett nätverk. En sammansatt kanal bildas av individuella mellanlänkar och interna anslutningar i switchar. Ofta utelämnas epitetet "komposit" och termen "kanal" används för att hänvisa till både en sammansatt kanal och en kanal mellan angränsande noder, det vill säga inom en länk.

Kommunikationslinje kan användas som en synonym för någon av de andra tre termerna.

I fig. två kommunikationslinjealternativ visas. I det första fallet ( A) linjen består av ett flera tiotal meter långt kabelsegment och är en länk. I det andra fallet (b) är kommunikationslinjen en sammansatt kanal som används i ett kretskoplat nätverk. Ett sådant nätverk kan vara primära nätverk eller telefonnät.

Dock för datornätverk denna linje representerar en länk, eftersom den förbinder två intilliggande noder, och all växlingsmellanutrustning är transparent för dessa noder. Orsaken till ömsesidiga missförstånd på termnivå mellan dataspecialister och primära nätverksspecialister är uppenbar här.

Primära nätverk skapas specifikt för att tillhandahålla dataöverföringskanaltjänster för dator- och telefonnät, som i sådana fall sägs fungera "ovanpå" primära nätverk och är överläggsnätverk.

Klassificering av kommunikationslinjer

Kommunikationslinje består i allmänhet av ett fysiskt medium genom vilket elektriska informationssignaler, dataöverföringsutrustning och mellanutrustning sänds. Det fysiska mediet för dataöverföring (fysiskt lagringsmedium) kan vara en kabel, det vill säga en uppsättning ledningar, isolerande och skyddande höljen och anslutningskontakter, såväl som jordens atmosfär eller yttre rymden genom vilken elektromagnetiska vågor utbreder sig.

I det första fallet talar vi om trådbunden miljö, och i den andra - ca trådlös.

I moderna telekommunikationssystem överförs information med hjälp av elektrisk ström eller spänning, radiosignaler eller ljussignaler- alla dessa fysiska processer representerar svängningar av det elektromagnetiska fältet av olika frekvenser.

Trådbundna (luftledningar). anslutningar är ledningar utan isolerande eller skärmande flätning, läggs mellan stolpar och hänger i luften. Även på senare tid var sådana kommunikationslinjer de viktigaste för att överföra telefon- eller telegrafsignaler. Idag ersätts trådbundna kommunikationslinjer snabbt av kabellinjer. Men på vissa ställen finns de fortfarande bevarade och, i avsaknad av andra möjligheter, fortsätter de att användas för överföring av datordata. Hastigheten och bullerimmuniteten hos dessa linjer lämnar mycket övrigt att önska.

Kabelledningar har en ganska komplex design. Kabeln består av ledare inneslutna i flera lager av isolering: elektriska, elektromagnetiska, mekaniska och, möjligen, klimatiska. Dessutom kan kabeln utrustas med kontakter som gör att du snabbt kan ansluta olika utrustningar till den. Det finns tre huvudtyper av kablar som används i dator- (och telekommunikations-) nätverk: kablar baserade på tvinnade par av koppartrådar - Oskyddat tvinnat par(Oskärmat Twisted Pair, UTP) och skärmat tvinnat par(Shielded Twisted Pair, STP), koaxialkablar med kopparkärna, fiberoptiska kablar. De två första typerna av kablar kallas också koppar kablar.

Radiokanaler Markbunden och satellitkommunikation bildas med hjälp av en radiovågssändare och mottagare. Det finns en mängd olika typer av radiokanaler, som skiljer sig både i det använda frekvensområdet och i kanalområdet. Sänder radioband(långa, medel- och korta vågor), även kallad AM-band, eller amplitudmodulationsområden (Amplitude Modulation, AM), ger långdistanskommunikation, men med en låg dataöverföringshastighet. De snabbaste kanalerna är de som använder mycket höga frekvensområden(Very High Frequency, VHF), för vilken frekvensmodulering (FM) används. Används även för dataöverföring ultrahöga frekvensområden(Ultra High Frequency, UHF), även kallad mikrovågsband(över 300 MHz). Vid frekvenser över 30 MHz reflekteras inte längre signaler av jordens jonosfär och stabil kommunikation kräver direkt synlighet mellan sändaren och mottagaren. Därför används sådana frekvenser antingen av satellitkanaler, eller radioreläkanaler, eller lokala eller mobila nätverk, där detta villkor är uppfyllt.

2 Det fysiska lagrets funktioner Representation av bitar av elektriska/optiska signaler Kodning av bitar Synkronisering av bitar Överföring/mottagning av bitar över fysiska kommunikationskanaler Samordning med den fysiska miljön Överföringshastighet Räckvidd Signalnivåer, kontakter I alla nätverksenheter Hårdvaruimplementering (nätverksadaptrar ) Exempel: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohm, 100m, 10Mbit/s, MII-kod, RJ-45

5 Dataöverföringsutrustning Omvandlare Meddelande - El. signal Encoder (komprimering, korrigeringskoder) Modulator Mellanutrustning Förbättra kommunikationskvalitet - (Förstärkare) Skapa en sammansatt kanal - (Switch) Kanalmultiplexering - (Multiplexer) (PA kan saknas i ett LAN)

6 Huvudkarakteristika för kommunikationslinjer Genomströmning (protokoll) Tillförlitlighet för dataöverföring (protokoll) Utbredningsfördröjning Amplitud-frekvenssvar (AFC) Bandbreddsdämpning Brusimmunitet Överhörning vid den närmaste änden av linjen Enhetskostnad

9 Dämpning A – en punkt på frekvensgången A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Exempel 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Dämpning = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Exempel 2: UTP cat 5 Dämpning >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Typiskt A anges för signalens grundfrekvens = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Vanligtvis indikeras A för huvudsignalens frekvens">

11 Brusimmunitet Fiberoptiska ledningar Kabelledningar Trådbundna luftledningar Radioledningar (Skärmning, vridning) Immunitet mot externa störningar Immunitet mot inre störningar Nära överhörningsdämpning (NEXT) Fjärröverhörningsdämpning (FEXT) (FEXT - Två par i en riktning )

12 Near End Cross Talk loss – NÄSTA För kablar med flera par NÄSTA = 10 log Pout/Pin dB NÄSTA = NÄSTA (L) UTP 5: NÄSTA

13 Tillförlitlighet för dataöverföring Bit Error Rate – BER Sannolikhet för databit korruption Orsaker: extern och intern störning, smal bandbredd Kamp: ökad brusimmunitet, minska NEXT-störningar, utöka bandbredd Twisted pair BER ~ Fiberoptisk kabel BER ~ Inga ytterligare skyddsmedel :: korrigerande koder, protokoll med upprepning

16 Twisted Pair Twisted Pair (TP) folieskärm flätad trådskärm isolerad tråd yttermantel UTP Oskärmad Twisted Pair kategori 1, UTP kattpar i slida STP Shielded Twisted Pair Typer Typ 1…9 Varje par har sin egen skärm Varje par har sitt eget steg vridningar, din egen färg Brusimmunitet Kostnad Läggningskomplexitet

18 Fiberoptik Total intern reflektion av en stråle vid gränssnittet mellan två media n1 > n2 - (brytningsindex) n1 n2 n2 - (brytningsindex) n1 n2"> n2 - (brytningsindex) n1 n2"> n2 - (brytningsindex) n1 n2" title="18 Fiberoptik Total intern reflektion av en stråle vid gränsen mellan två media n1 > n2 - (brytningsindex) n1 n2"> title="18 Fiberoptik Total intern reflektion av en stråle vid gränssnittet mellan två media n1 > n2 - (brytningsindex) n1 n2"> !}

22 Fiberoptisk 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 Optiska signalkällor Kanal: källa - bärare - mottagare (detektor) Källor LED (Light Emitting Diode) nm inkoherent källa - MMF Halvledarlaser koherent källa - SMF - Effekt = f (t o) Detektorer Fotodioder, stiftdioder, lavindioder

25 strukturerat kabelsystem - SCS First LAN - olika kablar och topologier Enhet av SCS-kabelsystemet - öppen LAN-kabelinfrastruktur (undersystem, komponenter, gränssnitt) - oberoende av nätverksteknik- LAN-kablar, TV, säkerhetssystem m.m. - Universalkablar utan hänvisning till en specifik nätverksteknik - Konstruktör

27 SCS-standarder (grundläggande) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (USA) CENELEC EN50173 Prestandakrav för Generic Cabling Schemes (Europa) ISO/IEC IS Informationsteknologi - Generisk kabeldragning för kundens lokaler kablage För varje delsystem: Dataöverföringsmedium . Topologi Tillåtna avstånd (kabellängder) Användaranslutning. Kablar och anslutningsutrustning. Genomströmning (Prestanda). Installationspraxis (horisontellt delsystem - UTP, stjärna, 100 m...)

28 Trådlös kommunikation Fördelar med trådlös överföring: bekvämlighet, otillgängliga områden, rörlighet. snabb implementering... Nackdelar: hög nivå av störningar ( särskilda medel: koder, modulering...), komplexiteten att använda vissa intervall Kommunikationslinje: sändare - medium - mottagare LAN-egenskaper ~ F(Δf, fн);

34 2. Mobiltelefoni Dela upp territoriet i celler Återanvändning av frekvenser Låg effekt (dimensioner) I centrum - basstation Europa - Global System for Mobile - GSM Wireless telefonkommunikation 1. Lågeffektradiostation - (handenhetsbas, 300 m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming - byter från en kärnnätverk till den andra - basen cellulär kommunikation

35 Satellitanslutning Baserat på en satellit (reflektor-förstärkare) Transceivrar - transpondrar H~50 MHz (1 satellit ~ 20 transpondrar) Frekvensområden: C. Ku, Ka C - Ner 3,7 - 4,2 GHz Upp 5,925-6,425 GHz Ku - Ner 11,7- 12,2 GHz upp 14,0-14,5 GHz Ka - ner 17,7-21,7 GHz upp 27,5-30,5 GHz

36 Satellitkommunikation. Typer av satelliter Satellitkommunikation: mikrovågsugn - siktlinje Geostationär Stor täckning Fast, Lågt slitage Repeatersatellit, sändning, låg kostnad, kostnaden beror inte på avstånd, Omedelbar anslutningsetablering (Mil) Tz=300ms Låg säkerhet, initialt stor antenn (men VSAT) Mid-orbit km Global Positioning System GPS - 24 satelliter Låg-orbit km låg täckning låg latens Internetåtkomst

40 Spread Spectrum Techniques Speciella modulerings- och kodningstekniker för trådlös kommunikation C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Effektreducering Brusimmunitet Stealth OFDM, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Två huvudtyper av fysisk kodning används - baserad på en sinusformad bärvågssignal (analog modulering) och baserad på en sekvens av rektangulära pulser (digital kodning).

Analog modulering - för att överföra diskret data över en kanal med en smal bandbredd - telefonnätens röstfrekvenskanal (bandbredd från 300 till 3400 Hz) En enhet som utför modulering och demodulering - ett modem.

Analoga moduleringsmetoder

n amplitudmodulering (låg brusimmunitet, används ofta i samband med fasmodulering);

n frekvensmodulering (komplex teknisk implementering, vanligtvis används i låghastighetsmodem).

n fasmodulering.

Modulerat signalspektrum

Potentiell kod- om diskret data sänds med en hastighet av N bitar per sekund, så består spektrumet av en konstant komponent med nollfrekvens och en oändlig serie övertoner med frekvenserna f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., där f0 = N /2. Amplituden för dessa övertoner minskar långsamt - med koefficienter på 1/3, 1/5, 1/7, ... från amplituden f0. Spektrum av den resulterande potentialkodsignalen vid sändning av godtyckliga data upptar ett band från ett visst värde nära O till ungefär 7f0. För en röstfrekvenskanal uppnås den övre gränsen för överföringshastigheten för en dataöverföringshastighet på 971 bitar per sekund, och den undre gränsen är oacceptabel för vilken hastighet som helst, eftersom kanalbandbredden börjar vid 300 Hz. Det vill säga att potentiella koder inte används på röstfrekvenskanaler.

Amplitudmodulering- Spektrumet består av en sinusform av bärfrekvensen fc och två sidoövertoner fc+fm och fc-fm, där fm är ändringsfrekvensen för sinusoidens informationsparameter, som sammanfaller med dataöverföringshastigheten vid användning av två amplituder nivåer. FM-frekvensen bestämmer linjekapaciteten vid den här metoden kodning. Med en liten moduleringsfrekvens kommer signalspektrumbredden också att vara liten (lika med 2fm), och signalerna kommer inte att förvrängas av linjen om bandbredden är större än eller lika med 2fm. För en röstfrekvenskanal är denna metod acceptabel vid en dataöverföringshastighet som inte är högre än 3100 / 2 = 1550 bitar per sekund.

Fas- och frekvensmodulering- Spektrumet är mer komplext, men symmetriskt, med ett stort antal snabbt avtagande övertoner. Dessa metoder är lämpliga för överföring över en röstfrekvenskanal.

Quadrate Amplitude Modulation - fasmodulering med 8 fasskiftvärden och amplitudmodulering med 4 amplitudvärden. Inte alla 32 signalkombinationer används.

Digital kodning

Potentiella koder– för att representera logiska ettor och nollor används endast värdet på signalpotentialen, och dess fall, som formulerar avslutade pulser, tas inte med i beräkningen.

Pulskoder– representerar binära data antingen som pulser med en viss polaritet eller som en del av en puls - som en potentialskillnad i en viss riktning.

Krav för den digitala kodningsmetoden:

Vid samma bithastighet hade den den minsta spektrumbredden av den resulterande signalen (ett smalare signalspektrum gör det möjligt att uppnå en högre dataöverföringshastighet på samma linje; det finns också ett krav på frånvaron av en konstant komponent, att är närvaron likström mellan sändare och mottagare);

Tillhandahåller synkronisering mellan sändaren och mottagaren (mottagaren måste veta exakt vid vilken tidpunkt för att läsa den nödvändiga informationen från linjen, i lokala system - klocklinjer, i nätverk - självsynkroniserande koder, vars signaler bär instruktioner för sändaren om vid vilken tidpunkt det är nödvändigt att utföra igenkänning av nästa bit);

Hade förmågan att känna igen misstag;

Det hade en låg kostnad för genomförandet.

Potentiell kod utan att återgå till noll. NRZ (Non Return to Zero). Signalen återgår inte till noll under klockcykeln.

Det är lätt att implementera, har bra feligenkänning på grund av två skarpt olika signaler, men har inte egenskapen att synkronisera. Vid sändning av en lång sekvens av nollor eller ettor ändras inte signalen på linjen, så mottagaren kan inte avgöra när datan behöver läsas igen. En annan nackdel är närvaron av en lågfrekvent komponent, som närmar sig noll när man sänder långa sekvenser av ettor och nollor. Koden används sällan i sin rena form, modifieringar används. Attraktionskraft – låg frekvens grundläggande överton f0 = N /2.

Bipolär kodningsmetod med alternativ inversion. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifiering av NRZ-metoden.

För att koda noll används en nollpotential, en logisk enhet kodas antingen med en positiv potential eller med en negativ, där potentialen för varje efterföljande enhet är motsatt potentialen för den föregående. Eliminerar delvis problemen med konstant komponent och brist på självsynkronisering. I fallet med sändning av en lång sekvens av enheter, en sekvens av multipolära pulser med samma spektrum som NRZ-koden sänder en sekvens av alternerande pulser, det vill säga utan en konstant komponent och en grundläggande överton N/2. Generellt sett resulterar användningen av AMI i ett smalare spektrum än NRZ och därför högre länkkapacitet. Till exempel, när man sänder alternerande nollor och ettor, har grundövertonen f0 en frekvens på N/4. Det är möjligt att känna igen felaktiga sändningar, men för att säkerställa tillförlitlig mottagning är det nödvändigt att öka effekten med cirka 3 dB, eftersom signalnivåjusteringar används.

Potentiell kod med inversion på ett. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) AMI-liknande kod med två signalnivåer. Vid sändning av en nolla sänds potentialen för den föregående cykeln, och vid sändning av en etta inverteras potentialen till det motsatta. Koden är praktisk i fall där användningen av den tredje nivån inte är önskvärd (optisk kabel).

Två metoder används för att förbättra AMI, NRZI. Den första är att lägga till redundanta enheter till koden. Egenskapen för självsynkronisering visas, den konstanta komponenten försvinner och spektrumet smalnar av, men den användbara genomströmningen minskar.

En annan metod är att "blanda" den initiala informationen så att sannolikheten för utseendet av ettor och nollor på linjen blir nära - kryptering. Båda metoderna är logisk kodning, eftersom de inte bestämmer formen på signalerna på linjen.

Bipolär pulskod. En representeras av en puls med en polaritet och noll av en annan. Varje puls varar ett halvt slag.

Koden har utmärkta självsynkroniserande egenskaper, men när man sänder en lång sekvens av nollor eller ettor kan det finnas en konstant komponent. Spektrumet är bredare än potentiella koder.

Manchester kod. Den vanligaste koden som används i Ethernet-nätverk, Token Ring.

Varje åtgärd är uppdelad i två delar. Information kodas av potentiella fall som inträffar i mitten av en klockcykel. En etta kodas av ett fall från en låg signalnivå till en hög, och en nolla kodas av ett omvänt fall. I början av varje klockcykel kan ett servicesignalfall inträffa om flera ettor eller nollor behöver representeras i rad. Koden har utmärkta självsynkroniserande egenskaper. Bandbredden är smalare än för en bipolär puls, det finns ingen konstant komponent, och den grundläggande övertonen har i värsta fall en frekvens på N, och i bästa fall - N/2.

Potentiell kod 2B1Q. Varannan bit sänds i en klockcykel av en fyrtillståndssignal. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Ytterligare medel krävs för att hantera långa sekvenser av identiska bitpar. Med slumpmässig alternering av bitar är spektrumet dubbelt så smalt som det för NRZ, eftersom klocklängden fördubblas med samma bithastighet, det vill säga det är möjligt att överföra data över samma linje dubbelt så snabbt som att använda AMI, NRZI , men behövs hög kraft sändare.

Logisk kodning

Designad för att förbättra potentiella koder som AMI, NRZI, 2B1Q, ersätter långa sekvenser av bitar som leder till en konstant potential med varvat. Två metoder används - redundant kodning och förvrängning.

Redundanta koder bygger på att dela upp den ursprungliga bitsekvensen i delar, som ofta kallas symboler, varefter varje originalsymbol ersätts av en ny som har fler bitar än originalet.

4B/5B-koden ersätter sekvenser på 4 bitar med sekvenser på 5 bitar. Då får du istället för 16 bitars kombinationer 32. Av dessa väljs 16 ut som inte innehåller ett stort antal nollor, resten betraktas som kodöverträdelser. Förutom att eliminera DC-komponenten och göra koden självsynkroniserande, tillåter redundanta koder mottagaren att känna igen skadade bitar. Om mottagaren tar emot förbjudna koder betyder det att signalen har förvrängts på linjen.

Denna kod sänds över linjen med användning av fysisk kodning med användning av en potentiell kodningsmetod som endast är känslig för långa sekvenser av nollor. Koden garanterar att det inte blir fler än tre nollor i rad på raden. Det finns andra koder, som 8B/6T.

För att säkerställa den specificerade genomströmningen måste sändaren arbeta med en högre klockfrekvens (för 100 Mb/s - 125 MHz). Signalspektrumet expanderar jämfört med det ursprungliga, men förblir smalare än Manchester-kodspektrumet.

Scrambling - blanda data med en scrambler innan överföring från linjen.

Förvrängningsmetoder involverar bit-för-bit-beräkning av resultatkoden baserat på bitarna i källkoden och bitarna av resultatkoden som erhållits i tidigare klockcykler. Till exempel,

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

där Bi är den binära siffran för den resulterande koden som erhålls vid den i:te klockcykeln av förvrängaren, Ai är den binära siffran för källkoden som tas emot vid den i:te klockcykeln vid ingången till förvrängaren, Bi -3 och B i -5 är de binära siffrorna i den resulterande koden, erhållna i tidigare arbetscykler.

För sekvensen 110110000001 kommer förvrängaren att ge 110001101111, det vill säga det kommer inte att finnas någon sekvens med sex på varandra följande nollor.

Efter att ha tagit emot den resulterande sekvensen kommer mottagaren att sända den till avkodaren, som kommer att tillämpa den inversa transformationen

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

Olika förvrängningssystem skiljer sig åt i antal termer och skiftningen mellan dem.

Det finns fler enkla metoder bekämpa sekvenser av nollor eller ettor, som också klassificeras som förvrängningsmetoder.

För att förbättra bipolär AMI används följande:

B8ZS (Bipolär med 8-nollsubstitution) – korrigerar endast sekvenser som består av 8 nollor.

För att göra detta, efter de första tre nollorna, istället för de återstående fem, infogar han fem signaler V-1*-0-V-1*, där V betecknar en ensignal som är förbjuden för en given polaritetscykel, det vill säga, en signal som inte ändrar polariteten för den föregående, 1* - enhetssignalen har rätt polaritet, och asterisktecknet markerar det faktum att det i källkoden inte fanns en enhet i denna klockcykel, utan en nolla . Som ett resultat, vid 8 klockcykler, observerar mottagaren 2 distorsioner - det är mycket osannolikt att detta hände på grund av brus på linjen. Därför anser mottagaren att sådana överträdelser är en kodning av 8 på varandra följande nollor. I den här koden är den konstanta komponenten noll för vilken sekvens av binära siffror som helst.

HDB3-koden korrigerar alla fyra på varandra följande nollor i den ursprungliga sekvensen. Var fjärde nolla ersätts av fyra signaler, i vilka det finns en V-signal. För att undertrycka DC-komponenten växlas V-signalens polaritet i successiva byten. Dessutom används två mönster av fyrtaktskoder för ersättning. Om innan du byter ut källa innehöll ett udda antal enheter, då används sekvensen 000V, och om antalet enheter var jämnt används sekvensen 1*00V.

Förbättrade potentiella koder har en ganska smal bandbredd för alla sekvenser av nollor och ettor som förekommer i den överförda datan.

Vid överföring av diskret data över kommunikationskanaler används två huvudtyper av fysisk kodning - baserat på sinusformad bärarsignal och baserat på en sekvens av rektangulära pulser. Den första metoden kallas ofta också för modulering eller analog modulering, vilket betonar det faktum att kodning utförs genom att parametrarna för den analoga signalen ändras. Den andra metoden brukar kallas digital kodning. Dessa metoder skiljer sig åt i bredden på spektrumet för den resulterande signalen och komplexiteten hos den utrustning som krävs för deras implementering.
Analog modulering används för att överföra diskreta data över kanaler med ett smalt frekvensband, en typisk representant för vilket är röstfrekvenskanalen som tillhandahålls till användare av allmänna telefonnät. Ett typiskt amplitud-frekvenssvar för en röstfrekvenskanal visas i fig. 2.12. Denna kanal sänder frekvenser i området från 300 till 3400 Hz, så dess bandbredd är 3100 Hz. En enhet som utför funktionerna bärvågssinusmodulering på sändningssidan och demodulering på mottagningssidan kallas modem (modulator - demodulator).
Analoga moduleringsmetoder
Analog modulering är en fysisk kodningsmetod där information kodas genom att amplituden, frekvensen eller fasen för en sinusformad bärvågssignal ändras.
Diagrammet (fig. 2.13, a) visar en sekvens av bitar av den ursprungliga informationen, representerade av högnivåpotentialer för en logisk enhet och en nollnivåpotential för logisk noll. Denna kodningsmetod kallas potentiell kod, som ofta används vid överföring av data mellan datorblock.
Med amplitudmodulering (fig. 2.13, b) väljs en nivå av amplituden för bärvågsfrekvensen sinusoid för en logisk enhet och en annan för logisk noll. Denna metod används sällan i sin rena form i praktiken på grund av låg brusimmunitet, men används ofta i kombination med en annan typ av modulering - fasmodulering.
Med frekvensmodulering (fig. 2.13, c) sänds värdena 0 och 1 av källdata av sinusoider med olika frekvenser - f0 och f1. Denna moduleringsmetod kräver inga komplexa kretsar i modem och används vanligtvis i låghastighetsmodem som arbetar med 300 eller 1200 bps.
Med fasmodulering motsvarar datavärdena 0 och 1 signaler med samma frekvens, men med olika faser, till exempel 0 och 180 grader eller 0,90,180 och 270 grader.
Höghastighetsmodem använder ofta kombinerade moduleringsmetoder, vanligtvis amplitud kombinerad med fas.
När du använder rektangulära pulser för att överföra diskret information är det nödvändigt att välja en kodningsmetod som samtidigt uppnår flera mål:
· hade den minsta spektrumbredden av den resulterande signalen vid samma bithastighet;
· säkerställd synkronisering mellan sändaren och mottagaren;
· hade förmågan att känna igen misstag;
· hade en låg försäljningskostnad.
Ett smalare spektrum av signaler gör att en och samma linje (med samma bandbredd) kan uppnå en högre dataöverföringshastighet. Dessutom krävs ofta att signalspektrumet inte har någon DC-komponent, det vill säga närvaron av en DC-ström mellan sändaren och mottagaren. I synnerhet förhindrar användningen av olika galvaniska isoleringskretsar för transformatorer passage av likström.
Synkronisering av sändare och mottagare är nödvändig så att mottagaren vet exakt vid vilken tidpunkt det är nödvändigt att läsa ny information från kommunikationslinjen.
Igenkänning och korrigering av förvrängda data är svårt att utföra med hjälp av det fysiska lagret, så oftast utförs detta arbete av protokollen som ligger ovan: kanal, nätverk, transport eller applikation. Å andra sidan, feligenkänning på fysisk nivå sparar tid, eftersom mottagaren inte väntar på att ramen ska placeras helt i bufferten, utan kasserar den omedelbart när den känner igen felaktiga bitar inom ramen.
Kraven för kodningsmetoder är ömsesidigt motstridiga, därför har var och en av de populära digitala kodningsmetoderna som diskuteras nedan sina egna fördelar och nackdelar jämfört med andra.