Фізичні основи передачі. Методи передачі даних фізично. Фізичні основи передачі

7. ФІЗИЧНИЙ РІВЕНЬ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

7.2. Методи передачі дискретних даних

При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування - на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналоговою модуляцією , підкреслюючи те що, що кодування здійснюється з допомогою зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб називають цифровим кодуванням . Ці способи відрізняються шириною спектра результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Застосування синусоїди призводить до більш вузького спектра за тієї ж швидкості передачі інформації. Однак для реалізації модуляції потрібна складніша і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, що мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, - передаються по каналах зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес представлення аналогової інформації у дискретній формі називається дискретною модуляцією .

Аналогова модуляція застосовується передачі дискретних даних каналами з вузькою смугою частот – канал тональної частоти (суспільні телефонні мережі). Цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, таким чином його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц.

Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на стороні, що передає, і демодуляції на приймальній стороні, носить назву модем (модулятор-демодулятор).

Аналогова модуляція є у такий спосіб фізичного кодування, у якому інформація кодується зміною амплітуди, частоти чи фази синусоїдального сигналу несучої частоти(Рис. 27).

При амплітудної модуляції (Мал. 27, б) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низьку стійкість до перешкод, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазової модуляцією.

При частотної модуляції (Мал. 27, в) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - f 0 і f 1,. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем модемах і зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт / с .

При фазової модуляції (рис. 27, г) значення даних 0 і 1 відповідають сигналам однакової частоти, але з різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів або 0, 90, 180 і 270 градусів.

У швидкісних модемах часто використовуються комбіновані методи модуляції, як правило, амплітудна у поєднанні з фазовою.

Мал. 27. Різні типимодуляції

Спектр результуючого модульованого сигналу залежить від типу та швидкості модуляції.

Для потенційного кодування спектр безпосередньо виходить із формул Фур'є для періодичної функції. Якщо дискретні дані передаються з бітовою швидкістю N біт/с, спектр складається з постійної складової нульової частоти і нескінченного ряду гармонік з частотами f 0 , 3f 0 , 5f 0 , 7f 0 , ... , де f 0 = N/2. Амплітуди цих гармонік меншають досить повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1/5, 1/7, ... від амплітуди гармоніки f 0 (рис. 28, а). В результаті спектр потенційного коду вимагає якісної передачі широку смугу пропускання. Крім того, потрібно врахувати, що реально спектр сигналу змінюється в залежності від характеру даних. Тому спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 Гц, приблизно до 7f 0 (гармоніками з частотами вище 7f 0 можна знехтувати через їх малий вклад у результуючий сигнал). Для каналу тональної частоти верхня межа при потенційному кодуванні досягається швидкості передачі даних в 971 біт/с . В результаті, потенційні коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються.

При амплітудній модуляції спектр складається із синусоїди несучої частоти f зта двох бічних гармонік: (f с + f m) та ( f c – f m), де f m - Частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди (рис. 28, б). Частота f m визначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектра сигналу буде також невеликою (рівною 2f m ), тому сигнали не будуть спотворюватися лінією, якщо її смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2f m . Для каналу тональної частоти такий спосіб модуляції прийнятний при швидкості передачі не більше 3100/2=1550 біт/с. Якщо для подання даних використовуються 4 рівня амплітуди, то пропускна здатність каналу підвищується до 3100 біт/с .

Мал. 28. Спектри сигналів при потенційному кодуванні

та амплітудної модуляції

При фазової і частотної модуляції спектр сигналу виходить складнішим, ніж при амплітудної модуляції, так як бічних гармонік тут утворюється більше двох, але вони також симетрично розташовані щодо основної несучої частоти, а їх амплітуди швидко зменшуються. Тому ці види модуляції також добре підходять передачі даних каналом тональної частоти.

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. У потенційних кодах для представлення логічних одиниць та нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, а його перепади до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напрямку.

При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав кількох цілей:

· мав за однієї і тієї ж бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу;

· забезпечував синхронізацію між передавачем та приймачем;

· мав здатність розпізнавати помилки;

· мав низьку вартість реалізації.

Вужчий спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії домагатися більш високої швидкості передачі даних. Часто спектру сигналу пред'являється вимога відсутності постійної складової.

Синхронізація передавача та приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, у який час необхідно зчитувати нову інформацію з лінії зв'язку. Ця проблема в мережах вирішується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад, між блоками всередині комп'ютера або між комп'ютером і принтером. Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт). Будь-який різкий перепад сигналу - так званий фронт - може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем.

При використанні синусоїд як несучий сигнал результуючий код має властивість самосинхронізації, так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачеві визначити момент появи вхідного коду.

Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожен з популярних методів цифрового кодування, що розглядаються нижче, має свої переваги і свої недоліки в порівнянні з іншими.

На рис. 29 а показаний метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ) . Остання назва відображає та обставина, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту. Метод NRZ простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відмінні потенціали), але не має властивість самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць чи нулів сигнал лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно зчитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів ніколи не бувають цілком ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними та довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки цілий такт і, відповідно, зчитування некоректного значення біта.

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато каналів зв'язку, що не забезпечують прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ у мережах не використовується. Тим не менш, використовуються його різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової. Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, полягає в досить низькій частоті основної гармоніки f 0 яка дорівнює N/2 Гц. В інших методів кодування, наприклад, манчестерського, основна гармоніка має більш високу частоту.

Мал. 29. Способи дискретного кодування даних

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі (рис. 29 б) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий і позитивний. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої.

Код AMI частково ліквідує проблеми постійної складової та відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ. Це відбувається під час передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі та одиниці, що чергуються, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N/2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних) . Довгі послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульової амплітуди. Тому код AMI потребує подальшого покращення.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI призводить до вужчого спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до вищої пропускну здатністьлінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка f 0 має частоту N/4 Гц. Код AMI також надає деякі можливості розпізнавання помилкових сигналів. Так, порушення суворого чергування полярності сигналів говорить про хибний імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Такий сигнал називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на З дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з кількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють лише два стани.

Існує код, схожий на AMI, але з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, встановлений у попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Цей код зручний у тих випадках, коли використання третього рівня сигналу вельми небажано, наприклад, оптичних кабеляхде стійко розпізнаються два стани сигналу - світло і тінь.

Крім потенційних кодів у мережах використовуються і імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або його частиною - фронтом. Найбільш простим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код , В якому одиниця представлена ​​імпульсом однієї полярності, а нуль - іншою (рис. 29, в). Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючимивластивостями, але постійна складова може бути присутнім, наприклад, при передачі довгої послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширший, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду дорівнюватиме N Гц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI при передачі одиниць і нулів, що чергуються. Через занадто широкий спектр біполярний імпульсний код використовується рідко.

У локальних мережахдонедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код (Рис. 29, г). Він застосовується в технологіях Ethernet та Token Ring.

У манчестерському коді для кодування одиниць та нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт поділяється на частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються у середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого , а нуль зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно уявити кілька одиниць чи нулів поспіль. Так як сигнал змінюється, принаймні, один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код має гарні самосинхронізуючимивластивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вже, ніж у імпульсного біполярного. У нього також немає постійної складової, а основна гармоніка в гіршому випадку (при передачі послідовності одиниць або нулів) має частоту N Гц, а в кращому (при передачі одиниць і нулів, що чергуються) вона дорівнює N/2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. У середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у імпульсного біполярного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N/4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед імпульсним біполярним кодом. В останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському – два.

На рис. 29, д показаний потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2В1Q, назва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833, парі 11 - потенціал +0,833, а парі 10 - потенціал +2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу вдвічі, ніж у коду NRZ, оскільки за тієї ж бітової швидкості тривалість такту збільшується вдвічі. Таким чином, за допомогою коду 2В1Q можна по одній лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача має бути вищою, щоб чотири рівні чітко відрізнялися приймачем на тлі перешкод.

Сторінка 27 з 27 Фізичні основи передачі(Лінії зв'язку,)

Фізичні основи передачі

Будь-яка мережна технологія повинна забезпечити надійну та швидку передачу дискретних даних лініями зв'язку. І хоча між технологіями є великі відмінності, вони базуються на загальних засадах передачі дискретних даних. Ці принципи знаходять своє втілення в методах представлення двійкових одиниць та нулів за допомогою імпульсних або синусоїдальних сигналів у лініях зв'язку різної фізичної природи, методах виявлення та корекції помилок, методах компресії та методах комутації.

Лініїзв'язку

Первинні мережі, лінії та канали зв'язку

При описі технічної системи, яка передає інформацію між вузлами мережі, у літературі можна зустріти кілька назв: лінія зв'язку, складовий канал, канал, ланка.Часто ці терміни використовуються як синоніми, і в багатьох випадках це не викликає проблем. У той же час є й специфіка у їх вживанні.

Ланка(link) – це сегмент, що забезпечує передачу даних між двома сусідніми вузлами мережі. Тобто ланка не містить проміжних пристроїв комутації та мультиплексування.

Каналом(channel) найчастіше позначають частину пропускної спроможності ланки, що використовується незалежно при комутації. Наприклад, ланка первинної мережі може складатися з 30 каналів, кожен з яких має пропускну здатність 64 Кбіт/с.

Складовий канал(circuit) – це шлях між двома кінцевими вузлами мережі. Складовий канал утворюється окремими каналами проміжних ланок та внутрішніми сполуками в комутаторах. Часто епітет «складовий» опускається і термін «канал» використовується для позначення як складового каналу, так і між сусідніми вузлами, тобто в межах ланки.

Лінія звязкуможе використовуватися як синонім для будь-якого з трьох інших термінів.

На рис. показано два варіанти лінії зв'язку. В першому випадку ( а) лінія складається з сегмента кабелю довжиною кілька десятків метрів і є ланкою. У другому випадку (б) лінія зв'язку є складовим каналом, розгорнутим в мережі з комутацією каналів. Такою мережею може бути первинна мережаабо телефонну мережу.

Однак для комп'ютерної мережіця лінія є ланкою, оскільки з'єднує два сусідніх вузли, і вся комутаційна проміжна апаратура є прозорою для цих вузлів. Привід для взаємного нерозуміння на рівні термінів комп'ютерних фахівців та фахівців первинних мереж тут очевидний.

Первинні мережі спеціально створюються для того, щоб надавати послуги каналів передачі даних для комп'ютерних та телефонних мереж, про які в таких випадках говорять, що вони працюють «поверх» первинних мереж і є накладеними мережами.

Класифікація ліній зв'язку

Лінія звязку складається в загальному випадку з фізичного середовища, яким передаються електричні інформаційні сигнали, апаратури передачі даних і проміжної апаратури. Фізичне середовище передачі (фізичні носії інформації) може бути кабель, тобто набір проводів, ізоляційних і захисних оболонок і сполучних роз'ємів, і навіть земну атмосферу чи космічний простір, якими поширюються електромагнітні хвилі.

У першому випадку говорять про провідному середовищі,а в другому - про бездротовий.

У сучасних телекомунікаційних системах інформація передається за допомогою електричного струму або напруги, радіосигналів або світлових сигналів- всі ці фізичні процеси є коливання електромагнітного поля різної частоти.

Провідні (повітряні) лініїзв'язки є проводами без будь-яких ізолюючих або екрануючих обплетень, прокладені між стовпами і висять у повітрі. Ще нещодавно такі лінії зв'язку були основними передачі телефонних чи телеграфних сигналів. Сьогодні провідні лінії зв'язку швидко витісняються кабельними. Але де-не-де вони все ще збереглися і за відсутності інших можливостей продовжують використовуватися і для передачі комп'ютерних даних. Швидкісні якості та схибленість цих ліній залишають бажати багато кращого.

Кабельні лініїмають досить складну конструкцію. Кабель складається з провідників, укладених у кілька шарів ізоляції: електричної, електромагнітної, механічної та, можливо, кліматичної. Крім того, кабель може бути оснащений роз'ємами, що дозволяють швидко виконувати приєднання різного обладнання. У комп'ютерних (і телекомунікаційних) мережах застосовуються три основні типи кабелю: кабелі на основі скручених пар мідних проводів. неекранована кручена пара(Unshielded Twisted Pair, UTP) та екранована кручена пара(Shielded Twisted Pair, STP), коаксіальні кабеліз мідною жилою, волоконно-оптичні кабелі. Перші два типи кабелів називають також мідні кабелі.

Радіоканалиназемного та супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача та приймача радіохвиль. Існує велика різноманітність типів радіоканалів, що відрізняються як частотним діапазоном, що використовується, так і дальністю каналу. Діапазони широкомовного радіо(довгих, середніх та коротких хвиль), звані також АМ-діапазонами,або діапазонами амплітудної модуляції (Amplitude Modulation, AM) забезпечують далекий зв'язок, але при невисокій швидкості передачі даних. Більш швидкісними є канали, які використовують діапазони дуже високих частот(Very High Frequency, VHF), для яких застосовується частотна модуляція (Frequency Modulation, FM). Для передачі даних також використовуються діапазони ультрависоких частот(Ultra High Frequency, UHF), звані ще діапазонами мікрохвиль(понад 300 МГц). При частоті понад 30 МГц сигнали не відбиваються іоносферою Землі, й у стійкого зв'язку потрібна наявність прямий видимості між передавачем і приймачем. Тому такі частоти використовують або супутникові канали, або радіорелейні канали, або локальні або мобільні мережі, де ця умова виконується.

2 Функції фізичного рівня Подання бітів електричними/оптичними сигналами Кодування бітів Синхронізація бітів Передача/прийом бітів фізичними каналами зв'язку Узгодження з фізичним середовищем Швидкість передачі Дальність Рівні сигналів, роз'єми У всіх пристроях мережі Апаратна реалізація (мережні адаптери) Приклад: 10 3, 100 ом, 100м, 10Мбіт/c, код МII, RJ-45

5 Апаратура передачі даних Перетворювач Повідомлення - Ел. сигнал Кодер (стиснення, коригувальні коди) Модулятор Проміжна апаратура Поліпшення якості зв'язку - (Підсилювач) Створення складового каналу – (Коммутатор) Ущільнення каналу – (Мультиплексор) (В ЛВС ПА може бути відсутнім)

6 Основні характеристики ліній зв'язку Пропускна здатність (Протокол) Достовірність передачі даних (Протокол) Затримка поширення Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) Смуга пропускання Згасання Перешкодостійкість Перехресні наведення на ближньому кінці лінії Питома вартість

9 Згасання (Attenuation) А – одна точка на АЧХ A = log 10 Pout / Pin Bel A = 10 log 10 Pout / Pin deciBel (dB) A = 20 log 10 Uout / Uin deciBel (dB) q Example 1: Pin = 10 mW, Pout = 5 mW Attenuation = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Example 2: UTP cat 5 Attenuation >= -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Зазвичай А вказується для основної частоти сигналу = -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Зазвичай А вказується для основної частоти сигналу">

11 Перешкодостійкість Оптоволоконні лінії Кабельні лінії Дротові повітряні лінії Радіолінії (Екранування, скручування) Стійкість до зовнішніх перешкод Стійкість до внутрішніх перешкод Ослаблення перехресних наведень на ближньому кінці (NEXT) Ослаблення перехресних наведень на FT

12 Перехресні наведення на ближньому кінці (Near End Cross Talk loss – NEXT) Для багатопарних кабелів NEXT = 10 log Pвих/Pнав dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Достовірність передачі даних Bit Error Rate – BER Імовірність спотворення біта даних Причини: зовнішні та внутрішні перешкоди, вузька смуга пропускання Боротьба: підвищення перешкодозахищеності, зниження наведень NEXT, розширення смуги пропускання Віта пара BER ~ Оптоволоконний кабель BER ~ Без додатків кодів, протоколів із повторенням

16 Вита пара Twisted Pair (TP) екран з фольги плетений дротяний екран провід в ізоляції зовнішня оболонка UTP Unshielded Twisted Pair категорії 1, UTP кат пари в оболонці STP Shielded Twisted Pair Типи Type 1…9 У кожної пари свій екран Кожна пара - свій крок скрутки, свій колір Складність прокладки

18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (показник заломлення) n1 n2 n2 - (показник заломлення) n1 n2"> n2 - (показник заломлення) n1 n2"> n2 - (показник заломлення) n1 n2" title="18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (Показник заломлення) n1 n2"> title="18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (показник заломлення) n1 n2"> !}

22 Волоконно-оптичний кабель Multi Mode Fiber MMF50/125, 62,5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9,5/125 D = 250 мкм 1 ГГц – 100 км BaseLH5000км - 1 Гбіт/с (20

23 Джерела оптичного сигналу Канал: джерело - носій - приймач (детектор) Джерела Світлодіод (LED- Light Emitting Diod) нм некогерентне джерело - MMF Напівпровідниковий лазер когерентне джерело - SMF - Потужність = f (t o) Детектори Фотодіоди, pin-діоди, лавинні діоди

25 Структуровані кабельні системи - СКС Structured Cabling System - SCS Перші ЛОМ – різні кабеліта топології Уніфікація кабельної системи СКС – відкрита кабельна інфраструктура ЛОМ (підсистеми, компоненти, інтерфейси) - незалежність від мережевий технології- кабелі ЛОМ, TV, системи охорони тощо. - Універсальна кабельна проводка без прив'язки до конкретної мережевої технології -Конструктор

27 Стандарти СКС (основні) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США) CENELEC EN50173 Performance Requirements of Generic Cabling Schemes (Європа) ISO/IEC IS Information Technology - Generic cabling for customer premises . Топологія Допустимі відстані (довжина кабелів) Інтерфейс підключення користувачів. Кабелі та сполучна апаратура. Пропускна спроможність (Performance). Практика встановлення (Горизонтальна підсистема – UTP, зірка, 100 м...)

28 Бездротовий зв'язок Wireless Transmission Переваги: ​​зручність, недоступні райони, мобільність. швидке розгортання... Недоліки: високий рівень перешкод ( спеціальні засоби: коди, модуляція…), складність використання деяких діапазонів Лінія зв'язку: передавач - середовище - приймач Характеристики ЛЗ ~ F(Δf, fн);

34 2. Стільникова телефонія Розбиття території на стільники Повторне використання частот Мала потужність (габарити) У центрі – базова станція Європа – Global System for Mobile - GSM Бездротова телефонний зв'язок 1. Маломощна радіостанція – (трубка-база, 300м) DECT базової мережіна іншу – основа стільникового зв'язку

35 Супутниковий зв'язокВ основі – супутник (відбивач-підсилювач) Приймачі – транспондери Н~50 Мгц (1 супутник ~ 20 транспондерів) Діапазони частот: С. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 ГГц Up 5,925-6,425 ГГц Ku - Down 11,7-12,2 ГГц Up 14,0-14,5 ГГц Ka - Down 17,7-21,7 ГГц Up 27,5-30,5 ГГц

36 Супутниковий зв'язок. Типи супутників Супутниковий зв'язок: мікрохвилі – пряма видимість Геостаціонарні Велике покриття Нерухомість, Малий знос Супутник-повторювач, широкомовність, низька вартість, вартість не залежить від відстані, Миттєве встановлення зв'язку (Mil) Tз=300мс Низька захищеність, Спочатку VS Середньоорбітальні км Global Positioning System GPS - 24 супутники Низькоорбітальні км мале покриття мала затримка Доступ до Інтернету

40 Техніка розширення спектру Спеціальні методи модуляції та кодування для бездротового зв'язкуЗ (Біт/с) = Δ F (Гц) * log2 (1+Ps/P N) Зменшення потужності Перешкодостійкість Прихованість OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Застосовуються два основних типи фізичного кодування - на основі несучого синусоїдального сигналу (аналогова модуляція) і на основі послідовності прямокутних імпульсів (цифрове кодування).

Аналогова модуляція - для передачі дискретних даних каналом з вузькою смугою пропускання - телефонні мережі канал тональної частоти (смуга пропускання від 300 до 3400 Гц) Пристрій, що виконує модуляцію та демодуляцію - модем.

Методи аналогової модуляції

n амплітудна модуляція (низька завадостійкість, часто застосовується разом із фазовою модуляцією);

n частотна модуляція (складна технічна реалізація, що зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах).

n фазова модуляція.

Спектр модульованого сигналу

Потенційний код- якщо дискретні дані передаються зі швидкістю N біт за секунду, то спектр складається з постійної складової нульової частоти і нескінченного ряду гармонік із частотою f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., де f0 = N/2. Амплітуди цих гармонік зменшуються повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1/5, 1/7, ... від амплітуди f0. Спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 до приблизно 7f0. Для каналу тональної частоти верхня межа швидкості передачі досягається швидкості передачі даних 971 біт в секунду, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц. Тобто, на каналах тональної частоти потенційні коди не використовуються.

Амплітудна модуляція- спектр складається з синусоїди несучої частоти fc та двох бічних гармонік fc+fm та fc-fm, де fm - частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди. Частота fm визначає пропускну здатність лінії при даному способікодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектру згналу буде також невеликою (рівною 2fm), і сигнали не буде спотворюватися лінія, якщо смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2fm. Для каналу тональної частоти такий спосіб прийнятний при швидкості передачі не вище 3100 / 2 =1550 біт сек.

Фазова та частотна модуляція- Спектр більш складний, але симетричний, з великою кількістю гармонік, що швидко зменшуються. Ці методи підходять передачі по каналу тональної частоти.

Квадратурна амплітудна модуляція (Quadrate Amplitude Modulation) - фазова модуляція з 8 значенням зсуву фаз і амплітудна з 4 значеннями амплітуди. Використовуються не всі комбінації сигналу.

Цифрове кодування

Потенційні коди– для представлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формулюють закінчені імпульси, до уваги не беруться.

Імпульсні коди– становлять двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу – перепадом потенціалу певного напряму.

Вимоги до методу цифрового кодування:

Мав при одній і тій же бітовій швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу (вужчий спектр сигналу дозволяє на одній і тій же лінії домагатися більш високої швидкості передачі даних, пред'являється також вимога відсутності постійної складової, тобто наявності постійного струмуміж передавачем та приймачем);

Забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем (приймач повинен точно знати, в який момент часу зчитувати потрібну інформацію з лінії, в локальних системах - тактуючі лінії, в мережах - коди, що самосинхронізуються, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта);

Мав здатність розпізнавати помилки;

Мав низьку вартість реалізації.

Потенційний код без повернення до нуля. NRZ (Non Retrurn to Zero). Сигнал не повертається на нуль протягом такту.

Простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок завдяки двом сигналам, що різко розрізняються, але не володіє властивістю синхронізації. При передачі довгої послідовності нулів або одиниць сигнал на лінії не змінюється, тому приймач не може визначити коли черговий раз потрібно зчитувати дані. Ще один недолік – наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля під час передачі довгих послідовностей одиниць і нулів. У чистому вигляді код використовується рідко, використовуються модифікації. Привабливість низька частотаосновний гармоніки f0 = N/2.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), модифікація методу NRZ.

Для кодування нуля використовується нульовий потенціал, логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної наступної одиниці протилежний потенціалу попередньої. Частково ліквідує проблеми постійної складової та відсутності самосинхронізації. У разі передачі довгої послідовності одиниць – послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що й у коду NRZ, що передає послідовність імпульсів, що чергуються, тобто без постійної складової і основною гармонікою N/2. Загалом використання AMI призводить до вужчого спектру, ніж NRZ, отже, до вищої пропускної спроможності лінії. Наприклад, при передачі нуляї, що чергуються, і одиниць основна гармоніка f0 має частоту N/4. Є можливість розпізнавати помилкові передачі, але для забезпечення достовірності прийому необхідно підвищення потужності приблизно на 3 дБ, так як використовуються три рівні сигналу.

Потенційний код із інверсією при одиниці. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Код, схожий на AMI, з двома рівнями сигналу. При передачі нуля передається потенціал попереднього такту, а передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Код зручний у випадках, коли використання третього рівня не бажано (оптичний кабель).

Для покращення AMI, NRZI використовуються два методи. Перший – додавання до коду надлишкових одиниць. З'являється властивість самосинхронізації, зникає постійна складова та звужується спектр, але знижується корисна пропускна здатність.

Інший метод - "перемішування" вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць та нулів на лінії ставала близькою - скремблювання. Обидва методи – логічне кодування, оскільки форму сигналів лінії вони визначають.

Біполярний імпульсний код. Одиниця представлена ​​імпульсом однієї полярності, а нуль – іншою. Кожен імпульс триває половину такту.

Код має відмінні властивості самосинхронізації, але при передачі довгої послідовності нулів або одиниць може бути постійна складова. Спектр ширший, ніж у потенційних кодів.

Манчестерський код. Найпоширеніший код, що застосовується в мережах Ethernet, Token Ring.

Кожен такт поділяється на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що у середині такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити кілька одиниць або нулів поспіль. Код має відмінні властивості, що самосинхронізуються. Смуга пропускання вже, що у біполярного імпульсного, немає постійної складової, а основна гармоніка в найгіршому випадку має частоту N, а в кращому - N/2.

Потенційний код 2В1Q. Кожні два біти передаються за одні такт сигналом, що має чотири стани. 00 - -2,5, 01 - -0,833, 11 - +0,833, 10 - +2,5 У. Потрібні додаткові кошти боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт. При випадковому чергуванні біт спектр у два рази вже, ніж у NRZ, так як при тій же бітовій швидкості тривалість такту збільшується вдвічі, тобто можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі швидше, ніж за допомогою AMI, NRZI , але потрібна велика потужністьпередавача.

Логічне кодування

Покликане покращувати потенційні коди типу AMI, NRZI, 2B1Q, замінюючи довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Використовується два методи - надмірне кодування та скремблювання.

Надлишкові кодизасновані на розбиття вихідної послідовності біт на порції, які часто називають символами, після чого кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більшу кількість біт, ніж вихідний.

Код 4В/5В замінює послідовності з 4 біт послідовностями з 5 біт. Тоді замість 16 бітових комбінацій виходить 32. З них відбирається 16, які містять великої кількості нулів, інші вважаються забороненими кодами (code violation). Крім усунення постійної складової та надання коду властивості самосинхронізації, надлишкові коди дозволяють приймачеві розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, значить на лінії відбулося спотворення сигналу.

Цей код передається по лінії за допомогою фізичного кодування одним з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів. Код гарантує, що на лінії не зустрінеться більше трьох нулів поспіль. Існують інші коди, наприклад, 8В/6Т.

Для забезпечення заданої пропускної спроможності передавач повинен працювати з підвищеною тактовою частотою (100 Мб/с – 125 Мгц). Спектр сигналу, що розширюється в порівнянні з початковим, але залишається вже спектра манчестерського коду.

Скремблювання – перемішування даних скремблером перед передачею з лінії.

Методи скремблювання полягають у побітному обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду та отриманих у попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад,

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

де B i – двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-му такті роботи скремблера, A i – двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-му такті на вхід скремблера, B i -3 та B i -5 – двійкові цифри результуючого коду отримані на попередніх тактах роботи.

Для послідовності 110110000001 скремблер дасть 110001101111, тобто послідовності з шести нулів поспіль не буде.

Після отримання результуючої послідовності приймач передасть її дескремблеру, який застосує зворотне перетворення

З i = В i xor B i-3 xor B i-5 ,

Різні системи скремблювання відрізняються кількістю доданків та зсувом між ними.

Існують більше прості методиборотьби з послідовностями нулів чи одиниць, які теж відносять до методів скремблювання.

Для покращення Bipolar AMI використовуються:

B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) – виправляє лише послідовності, що складаються з 8 нулів.

Для цього він після трьох перших нулів замість п'яти, що залишилися, вставляє п'ять сигналів V-1*-0-V-1*, де V позначає сигнал одиниці, заборонений для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1* - сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки зазначає те що, що у вихідному коді у тому такті була одиниця, а нуль. У результаті на 8 тактах приймача спостерігає 2 спотворення - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії. Тому приймач вважає такі порушення кодуванням 8 послідовних нулів. У цьому коді постійна складова дорівнює нулю за будь-яких послідовностей двійкових цифр.

Код HDB3 виправляє будь-які чотири поспіль йдуть нуля у вихідній послідовності. Кожні чотири нулі замінюються чотирма сигналами, в яких є один сигнал V. Для придушення постійної складової полярність V сигналу чергується при послідовних замінах. Крім того, для заміни використовуються два зразки чотиритактових кодів. Якщо перед заміною вихідний кодмістив непарне число одиниць, використовується послідовність 000V, і якщо число одиниць було парним – послідовність 1*00V.

Покращені потенційні коди мають досить вузьку смугу пропускання для будь-яких послідовностей нулів і одиниць, які зустрічаються в даних, що передаються.

При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування - на основі синусоїдального несучого сигналу та на основі послідовності прямокутних імпульсів.Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналогової модуляції, підкреслюючи той факт, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб зазвичай називають цифровим кодуванням. Ці способи відрізняються шириною спектра результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної реалізації.
Аналогова модуляціязастосовується передачі дискретних даних каналами з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти, наданий у розпорядження користувачам громадських телефонних мереж. Типова амплітудно-частотна характеристика каналу тональної частоти представлена ​​на рис. 2.12. Цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, таким чином його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц. Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на стороні, що передає, і демодуляції на приймальній стороні, носить назву модем (модулятор - демодулятор).
Методи аналогової модуляції
Аналогова модуляція є у такий спосіб фізичного кодування, у якому інформація кодується зміною амплітуди, частоти чи фази синусоїдального сигналу несучої частоти.
На діаграмі (рис. 2.13 а) показана послідовність біт вихідної інформації, представлена ​​потенціалами високого рівня для логічної одиниці і потенціалом нульового рівня для логічного нуля. Такий спосіб кодування називається потенційним кодом, який часто використовується для передачі даних між блоками комп'ютера.
При амплітудної модуляції (рис. 2,13 б) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низьку стійкість до перешкод, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазової модуляцією.
При частотній модуляції (рис. 2.13 в) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - f0 і f1. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем в модемах і зазвичай застосовується в модемах низькошвидкісних, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с.
При фазовій модуляції значення даних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, ніс різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів або 0,90,180 і 270 градусів.
У швидкісних модемах часто використовуються комбіновані методи модуляції, як правило, амплітудна у поєднанні з фазовою.
При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав кількох цілей:
· Мав при одній і тій же бітовій швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу;
· Забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем;
· Мав здатність розпізнавати помилки;
· Мав низьку вартість реалізації.
Вужчий спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії (з однією і тією ж смугою пропускання) домагатися більш високої швидкості передачі даних. Крім того, часто спектру сигналу пред'являється вимога відсутності постійної складової, тобто наявності постійного струму між передавачем і приймачем. Зокрема застосування різних трансформаторних схем гальванічної розв'язки перешкоджає проходженню постійного струму.
Синхронізація передавача та приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, у який час необхідно зчитувати нову інформацію з лінії зв'язку.
Розпізнавання та корекцію спотворених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть він протоколи, що лежать вище: канальний, мережевий, транспортний чи прикладної. З іншого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівніекономить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових бітів усередині кадру.
Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожен з популярних методів цифрового кодування, що розглядаються нижче, має свої переваги і свої недоліки в порівнянні з іншими.