Головна › Поради › Методи передачі інформації фізично. Лекції Комп'ютерні мережі. фізичний рівень. Зв'язок у мікрохвильовому діапазоні

Методи передачі інформації фізично. Лекції Комп'ютерні мережі. фізичний рівень. Зв'язок у мікрохвильовому діапазоні

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

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 модуляцієюабо аналоговою модуляцією,наголошуючи на тому факті, 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.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Не дивно, якщо згадати, що спектр ідеального імпульсу має нескінченну ширину. Застосування синусоїди призводить до спектру набагато меншої ширини за тієї ж швидкості передачі інформації. Однак для реалізації синусоїдальної 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.Терміни «модуляція» та «кодування» часто використовують як синоніми.

2.2.1. Аналогова модуляція

Аналогова модуляція застосовується для 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. Хоча людський голос має набагато ширший спектр - приблизно від 100 Гц до 10 кГц, -для прийнятної якості передачі мовлення діапазон 3100 Гц є хорошим рішенням. Суворе обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів телефонних мереж.

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 133

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. Основні способи аналогової модуляції показано на рис. 2.13. На діаграмі (рис. 2.13, а)показано послідовність біт вихідної інформації, представлена потенціалами високого рівня для логічної одиниці та 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, 6) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а 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 (рис. 2.13, в) значення 0 та 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - fo та fi. 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 фазової модуляції(рис. 2.13, г) значення даних 0 і 1 відповідають сигнали 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.

Розділ 2 . Основи передачі дискретних даних

Спектр модульованого сигналу

Спектр результуючого модульованого сигналу залежить від типу модуляції та швидкості модуляції, тобто бажаної швидкості передачі біт вихідної інформації.

Розглянемо спочатку спектр сигналу за потенційного кодування. Нехай логічна одиниця кодується позитивним потенціалом, а логічний нуль – негативним потенціалом такої самої величини. Для спрощення обчислень припустимо, що передається інформація, що складається з нескінченної послідовності одиниць і нулів, що чергуються, як це і показано на рис. 2.13, а.Зауважимо, що у разі величини бод і біт за секунду збігаються.

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 fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., де fo = N/2. Амплітуди цих гармонік зменшуються досить повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1/5,1/7,... від амплітуди гармоніки fo (рис. 2.14, а).В результаті спектр потенційного коду вимагає якісної передачі широку смугу пропускання. Крім того, потрібно врахувати, що спектр сигналу постійно змінюється в залежності від того, які дані передаються по лінії зв'язку. Наприклад, передача довгої послідовності нулів або одиниць зсуває спектр убік низьких частот, а в крайньому випадку, коли дані складаються тільки з одиниць (або тільки з нулів), спектр складається з гармоніки нульової частоти. При передачі одиниць і нулів, що чергуються, постійна складова відсутня. Тому спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 Гц, приблизно до 7fo (гармоніками з частотами вище 7fo 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, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц. В результаті, потенційні коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються.

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 135

При амплітудній модуляції спектр складається з синусоїди несучої частоти f c і двох бічних гармонік: (f c + 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. 2.14, 6). Частота f m визначає пропускну здатність лінії при даному способікодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектра сигналу буде також невеликою (рівною 2f m ), тому сигнали не спотворюватимуться 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.

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.

Для підвищення швидкості передачі використовують комбіновані методи модуляції. Найбільш поширеними є методи квадратурної амплітудної модуляції (QUAdrature Amplitude Modulation, QAM).Ці методи засновані на поєднанні фазової модуляції з 8 значеннями величин зсуву фази та амплітудної модуляції з 4 рівнями амплітуди. Однак із можливих 32 комбінацій сигналу використовуються далеко не всі. Наприклад, у кодах Трелісадопустимі лише 6, 7 або 8 комбінацій для представлення вихідних даних, а інші комбінації є забороненими. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, що є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах, особливо комутованих, дуже значні за амплітудою і тривалі за часом.

2.2.2. Цифрове кодування

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди.

У потенційних кодах уявлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напрямку.

Вимоги до методів цифрового кодування

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.

136 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

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 до спектру сигналу висувається вимога відсутності постійної складової, тобто наявності постійного струмуміж передавачем та приймачем. Зокрема, застосування різних трансформаторних схем. гальванічної розв'язкиперешкоджає 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. 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. на невеликих відстаняхдобре працює схема, заснована на окремій тактуючій лінії зв'язку (рис. 2.15), так що інформація знімається з лінії даних тільки в момент приходу тактового імпульсу. У мережах використання цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність показників провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості поширення сигналу може призвести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або повторно лічений. Іншою причиною, через яку в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, є економія провідників у дорогих кабелях.

Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються,сигнали яких несуть для передавача вказівки у тому, у який час потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (чи кількох біт, якщо код орієнтований більш як два стани сигналу). 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.

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 фізично економить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт 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.

______________________________2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні _______137

Потенційний код без повернення до нуля

На рис. 2.16 а показаний вже згаданий раніше метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення на нуль (Non Return to Zero, NRZ).Остання назва відображає те, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). 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 вкотре 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, не забезпечую-

138 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

щі 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 у досить низькій частоті основної гармоніки fo, яка дорівнює N/2 Гц, як це було показано в попередньому розділі. В інших методів кодування, наприклад, манчестерського, основна гармоніка має більш високу частоту.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI).У цьому методі (рис. 2.16, 6) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий та 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 вимагає подальшого покращення, хоча завдання спрощується – залишилося впоратися лише з послідовностями нулів.

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 fo 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. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з кількома станами сигналу порівняно з кодами, які розрізняють лише два стани.

Потенційний код із інверсією при одиниці

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

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 139

(No Return to Zero with ones Inverted, NRZI).Цей код зручний у тих випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу - світло і темрява. Для поліпшення потенційних кодів, подібних до AMI і NRZI, використовуються два методи. Перший метод заснований на додаванні вихідний код надлишкових біт, що містять логічні одиниці. Очевидно, що в цьому випадку довгі послідовності нулів перериваються і код стає самосинхронізується для будь-яких даних. Зникає також постійна складова, отже, ще більше звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну здатність лінії, так як надлишкові одиниці користувальницької інформації не несуть. Інший метод заснований на попередньому «перемішуванні» вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць та нулів на лінії ставала близькою. Пристрої або блоки, що виконують таку операцію, називаються скремблерами(scramble - звалище, безладне складання). При скремблуванні використовується відомий алгоритм, тому приймач, отримавши двійкові дані, передає їх на дескремблер,який відновлює вихідну послідовність біт. Надлишкові біти при цьому по лінії не передаються. Обидва методи ставляться до логічного, а чи не фізичного кодування, оскільки форму сигналів лінії не визначають. Більш детально вони вивчаються у наступному розділі.

Біполярний імпульсний код

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. 2.16, в).Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючі властивості, 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.

Манчестерський код

У локальних мережахдонедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код(Рис. 2.16, 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

140 Глава 2 Основи передачі дискретних даних _____________________________________________

самосинхронізуючими властивостями. 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.

Потенційний код 2B1Q

На рис. 2.16, дпоказаний потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2В1Qназва якого відбиває його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5 В, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833 В, парі І - потенціал +0,833 В, а парі 10 - потенціал +2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи боротьби 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.

2.2.3. Логічне кодування

Логічне кодування використовується для покращення потенційних кодів типу AMI, NRZI або 2Q1B. Логічне кодування повинно замінювати довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Як зазначалося вище, для логічного кодування характерні два методи - надлишкові коди і скремблювання.

Надлишкові коди

Надлишкові кодизасновані на розбиття вихідної послідовності бітів на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більше біт, ніж вихідний. Наприклад, логічний код 4В/5В, що використовується в технологіях FDDI і Fast Ethernet, замінює вихідні символи довжиною 4 біти на символи довжиною 5 біт. Так як результуючі символи містять надлишкові біти, то загальна кількість бітових комбінацій у них більша, ніж у вихідних. Так, у коді 4В/5В результуючі символи можуть містити 32 бітові комбінації, у той час як вихідні символи - лише 16. Тому в результуючому коді можна відібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а решту вважати забороненими кодами (code violation).Крім усунення постійної складової та надання коду властивості самосинхронізації, надлишкові коди дозволяють

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 141

приймачеві розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, отже, лінії сталося спотворення сигналу.

Відповідність вихідних та результуючих кодів 4В/5В представлена нижче.

Код 4В/5В потім передається по лінії за допомогою фізичного кодування одним з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів. Символи коду 4В/5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їх поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів поспіль.

Літера У назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани - від англійської binary - двійковий. Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, код 8В/6Т для кодування 8 біт вихідної інформації використовується код з б сигналів, кожен з яких має три стани. Надмірність коду 8В/6Т вище, ніж коду 4В/5В, так як на 256 вихідних кодів припадає 36 = 729 результуючих символів.

Використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому цей підхід не ускладнює мережеві адаптери та інтерфейсні блоки комутаторів та маршрутизаторів.

Для забезпечення заданої пропускної спроможності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною частотою тактовою. Так, передачі кодів 4В/5В зі швидкістю 100 Мб/с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125 МГц. При цьому спектр сигналу лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надлишковий код. Проте спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача та передавача на підвищеній тактовій частоті.

Скремблювання

Перемішування даних скремблером перед передачею в лінію з допомогою потенційного коду є іншим способом логічного кодування.

Методи скремблювання полягають у побитном обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного кодута отриманих у попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад, скремблер може реалізовувати таке співвідношення:

Bi - Ai 8 Bi-з ф Bi. 5 ,

де bi - двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-му такті роботи скремблера, ai - двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-му такті на

142 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

вхід скремблера, В^з і B t.5 - двійкові цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і 5 тактів раніше поточного такту, 0 - операція виключає АБО (додавання за модулем 2).

Наприклад, для вихідної послідовності 110110000001 скремблер дасть наступний результуючий код:

bi = ai - 1 (перші три цифри результуючого коду збігатимуться з вихідним, оскільки ще немає потрібних попередніх цифр)

Таким чином, на виході скремблера з'явиться послідовність 110001101111, в якій немає послідовності шести нулів, що була присутня у вихідному коді.

Після отримання результуючої послідовності приймач передає її дескремблеру, який відновлює вихідну послідовність на підставі зворотного співвідношення:

Різні алгоритми скремблювання відрізняються кількістю доданків, що дають цифру результуючого коду, та зсувом між доданками. Так, у мережах ISDNпри передачі даних від мережі до абонента використовується перетворення зі зсувами 5 і 23 позиції, а при передачі даних від абонента в мережу - зі зсувами 18 і 23 позиції.

Існують і більше прості методиборотьби з послідовностями одиниць, що також відносяться до класу скремблювання.

Для покращення коду Bipolar AMI використовуються два методи, що базуються на штучному спотворенні послідовності нулів забороненими символами.

На рис. 2.17 показано використання методу B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) та методу HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для коригування коду AMI. Вихідний код складається з двох довгих послідовностей нулів: у першому випадку - з 8, а в другому - з 5.

Код B8ZS виправляє лише послідовності, що складаються з 8 нулів. Для цього він після перших трьох нулів замість п'яти нулів, що залишилися, вставляє п'ять цифр: V-1*-0-V-1*. V тут означає сигнал одиниці, забороненої для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1* - сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки зазначає той

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 143

факт, що у вихідному коді у цьому такті була не одиниця, а нуль. В результаті на 8 тактах приймач спостерігає 2 спотворення - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії або інші збої передачі. Тому приймач вважає такі порушення кодуванням 8 послідовних нулів та після прийому замінює їх на вихідні 8 нулів. Код B8ZS побудований так, що його постійна складова дорівнює нулю за будь-яких послідовностей двійкових цифр.

Код HDB3 виправляє будь-які чотири поспіль йдуть нуля у вихідній послідовності. Правила формування коду HDB3 складніші, ніж коду B8ZS. 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 код містив непарне число одиниць, використовується послідовність OOOV, а якщо число одиниць було парним - послідовність 1*OOV.

Покращені потенційні коди мають досить вузьку смугу пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в даних, що передаються. На рис. 2.18 наведено спектри сигналів різних кодів, отримані при передачі довільних даних, у яких різні поєднання нулів та одиниць у вихідному коді рівноймовірні. При побудові графіків спектр усереднювався за можливими наборами вихідних послідовностей. Природно, що результуючі коди можуть мати й інший розподіл нулів та одиниць. З рис. 2.18 видно, що потенційний код NRZ має гарний спектр з одним недоліком - у нього є постійна складова. Коди, отримані з потенційного шляхом логічного кодування, мають більш вузький спектр, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті (на малюнку спектр коду 4В/5В повинен був приблизно збігатися з кодом B8ZS, але він зрушений

144 Глава2 Основи передачі дискретних даних

область більш високих частот, так як його тактова частота підвищена на 1/4 в порівнянні з іншими кодами). Цим пояснюється застосування потенційних надлишкових та скрембованих кодів у сучасних технологіях, подібних до FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN і т. п. замість манчестерського і біполярного імпульсного кодування.

2.2.4. Дискретна модуляція аналогових сигналів

Однією з основних тенденцій розвитку мережевих технологій є передача в одній мережі дискретних і аналогових за своєю природою даних. Джерелами дискретних даних є комп'ютери та інші обчислювальні пристрої, а джерелами аналогових даних є такі пристрої, як телефони, відеокамери, аудіо- та відеовідтворююча апаратура. На ранніх етапах вирішення цієї проблеми у територіальних мережах всі типи даних передавалися в аналоговій формі, при цьому дискретні за своїм характером комп'ютерні дані перетворювалися на аналогову форму за допомогою модемів.

Однак у міру розвитку техніки знімання та передачі аналогових даних з'ясувалося, що передача їх в аналоговій формі не дозволяє покращити якість прийнятих на іншому кінці лінії даних, якщо вони суттєво спотворилися під час передачі. Сам аналоговий сигнал не дає жодних вказівок ні про те, що відбулося спотворення, ні про те, як його виправити, оскільки форма сигналу може бути будь-якою, у тому числі й такою, яку зафіксував приймач. Поліпшення якості ліній, особливо територіальних, вимагає величезних зусиль і капіталовкладень. Тому на зміну аналогової техніки запису і передачі звуку і зображення прийшла цифрова техніка. Ця техніка використовує так звану дискретну модуляцію вихідних безперервних аналогових процесів у часі.

Дискретні методи модуляції засновані на дискретизації безперервних процесів як у амплітуді, і за часом (рис. 2.19). Розглянемо принципи іскретної модуляції з прикладу імпульсно-кодової модуляції, ІКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ),яка широко застосовується у цифровій телефонії.

Амплітуда вихідної безперервної функції вимірюється із заданим періодом - за рахунок цього відбувається дискретизація за часом. Потім кожен вимір представляється як двійкового числа певної розрядності, що означає дискретизацію за значеннями функції - безперервна безліч можливих значень амплітуди замінюється дискретним безліччю її значень. Пристрій, який виконує подібну функцію, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП).Після цього виміри передаються каналами зв'язку у вигляді послідовності одиниць і нулів. При цьому застосовуються ті ж методи кодування, що і у разі передачі дискретної інформації, тобто, наприклад, методи, засновані на коді B8ZS або 2В1Q.

На приймальній стороні лінії коди перетворюються на вихідну послідовність біт, а спеціальна апаратура, звана цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП),виробляє демодуляцію оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлюючи вихідну безперервну функцію часу.

Дискретна модуляція заснована на теорії відображення Найквіста – Котель-нікова.Відповідно до цієї теорії, аналогова безперервна функція, передана у вигляді послідовності її дискретних за часом значень, може бути точно відновлена, якщо частота дискретизації була в два або більше разів вище, ніж частота найвищої гармоніки спектра вихідної функції.

Якщо ця умова не дотримується, то відновлена функція істотно відрізнятиметься від вихідної.

Перевагою цифрових методів запису, відтворення та передачі аналогової інформації є можливість контролю достовірності зчитаних з носія або отриманих по лінії зв'язку даних. Для цього можна застосовувати ті ж методи, що застосовуються для комп'ютерних даних (і розглядаються докладніше), - обчислення контрольної суми, повторна передача спотворених кадрів, застосування кодів, що самокоректуються.

Для якісної передачі голосу у методі ІКМ використовується частота квантування амплітуди звукових коливань 8000 Гц. Це з тим, що у аналогової телефонії передачі голосу було обрано діапазон від 300 до 3400 Гц, який досить якісно передає всі основні гармоніки співрозмовників. Відповідно до теорема Найквіста - Котельтковадля якісної передачі голосу

146 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

досить вибрати частоту дискретизації, вдвічі перевищує найвищу гармоніку безперервного сигналу, тобто 2 x 3400 = 6800 Гц. Вибрана частота дискретизації 8000 Гц забезпечує деякий запас якості. У методі ІКМ зазвичай використовується 7 або 8 біт коду для представлення амплітуди одного вимірювання. Відповідно, це дає 127 або 256 градацій звукового сигналу, що виявляється цілком достатнім для якісної передачі голосу. При використанні методу ІКМ для передачі одного голосового каналу необхідна пропускна здатність 56 або 64 Кбіт/с залежно від того, якою кількістю біт представляється кожен вимір. Якщо для цих цілей використовується

7 біт, то при частоті передачі вимірів 8000 Гц отримуємо:

8000 х 7 = 56000 біт/с чи 56 Кбіт/с; а для випадку 8-ми біт:

8000 х 8 – 64000 біт/с або 64 Кбіт/с.

Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт/с, який також називається елементарний канал цифрових телефонних мереж.

Передача безперервного сигналу дискретному вигляді вимагає від мереж жорсткого дотримання часового інтервалу в 125 мкс (відповідного частоті дискретизації 8000 Гц) між сусідніми вимірами, тобто вимагає синхронної передачі даних між вузлами мережі. При недотриманні синхронності вимірів вихідний сигнал відновлюється неправильно, що призводить до спотворення голосу, зображення або іншої мультимедійної інформації, що передається по цифрових мережах. Так, спотворення синхронізації в 10 мс може призвести до ефекту «відлуння», а зрушення між вимірами в 200 мс призводять до втрати розпізнаваності слів, що вимовляються. У той же час втрата одного виміру при дотриманні синхронності між іншими вимірами практично не позначається на звуку, що відтворюється. Це відбувається за рахунок пристроїв, що згладжують, в цифро-аналогових перетворювачах, які засновані на властивості інерційності будь-якого фізичного сигналу - амплітуда звукових коливань не може миттєво змінитися на велику величину.

На якість сигналу після ЦАП впливає як синхронність надходження з його вхід вимірів, а й похибка дискретизації амплітуд цих вимірів.

8 теоремі Найквіста - Котельникова передбачається, що амплітуди функції вимірюються точно, водночас використання їхнього зберігання двійкових чисел з обмеженою розрядністю дещо спотворює ці амплітуди. Відповідно спотворюється відновлений безперервний сигнал, що називається шумом дискретизації (за амплітудою).

Існують і інші методи дискретної модуляції, що дозволяють представити виміри голосу більш компактної формі, наприклад у вигляді послідовності 4-бітних або 2-бітних чисел. При цьому один голосовий канал вимагає меншої пропускної здатності, наприклад, 32 Кбіт/с, 16 Кбіт/с або ще менше. З 1985 застосовується стандарт CCITT кодування голосу, званий Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коди ADPCM засновані на знаходженні різниць між послідовними вимірами голосу, які потім передаються по мережі. У коді ADPCM для зберігання однієї різниці використовуються 4 біти і голос передається зі швидкістю 32 Кбіт/с. Більше сучасний метод, Linear Predictive Coding (LPC), робить виміри вихідної функції більш рідко, але використовує методи прогнозування напряму зміни амплітуди сигналу. За допомогою цього можна знизити швидкість передачі голосу до 9600 біт/с.

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 147

Представлені в цифровій формі безперервні дані можна легко передати через комп'ютерну мережу. Для цього достатньо помістити кілька вимірів у кадр якоїсь стандартної мережевої технології, забезпечити кадр правильною адресою призначення та відправити адресату. Адресат повинен витягти з кадру виміри та подати їх із частотою квантування (для голосу - із частотою 8000 Гц) на цифро-аналоговий перетворювач. У міру надходження наступних кадрів із вимірами голосу операція має повторитися. Якщо кадри будуть прибувати досить синхронно, то якість голосу може бути досить високою. Однак, як ми вже знаємо, кадри в комп'ютерних мережах можуть затримуватися як у кінцевих вузлах (при очікуванні доступу до середовища, що розділяється), так і в проміжних комунікаційних пристроях - мостах, комутаторах і маршрутизаторах. Тому якість голосу при передачі у цифровій формі через комп'ютерні мережізазвичай буває невисоким. Для якісної передачі оцифрованих безперервних сигналів - голоси, зображення - сьогодні використовують спеціальні цифрові мережі, такі як ISDN, ATM, та мережі цифрового телебачення. Проте для передачі внутрішньокорпоративних телефонних розмовСьогодні характерні мережі frame relay, затримки передачі кадрів яких укладаються у допустимі межі.

2.2.5. Асинхронна та синхронна передачі

При обміні даними фізично одиницею інформації є біт, тому кошти фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем.

Канальний рівень оперує кадрами даних та забезпечує синхронізацію між приймачем та передавачем на рівні кадрів. До обов'язків приймача входить розпізнавання початку першого байта кадру, розпізнавання меж полів кадру та розпізнавання ознаки закінчення кадру.

Зазвичай достатньо забезпечити синхронізацію на зазначених двох рівнях - бітовому та кадровому, щоб передавач і приймач змогли забезпечити стійкий обмін інформацією. Однак при поганій якостілінії зв'язку (зазвичай це відноситься до телефонних комутованих каналів) для здешевлення апаратури та підвищення надійності передачі вводять додаткові засоби синхронізації на рівні байт.

Такий режим роботи називається асинхроннимабо старт-стопним.Іншою причиною використання такого режиму роботи є наявність пристроїв, що генерують байти даних у випадкові моменти часу. Так працює клавіатура дисплея чи іншого термінального пристрою, з якого людина вводить дані обробки їх комп'ютером.

В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами "старт" і "стоп" (рис. 2.20, а).Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про надходження даних і, по-друге, щоб дати приймачеві достатньо часу для виконання деяких функцій, пов'язаних із синхронізацією, до надходження наступного байта. Сигнал «старт» має тривалість в один тактовий інтервал, а сигнал «стоп» може тривати один, півтора або два такти, тому кажуть, що використовується один, півтора або два біти як стоповий сигнал, хоча біти ці сигнали не представляють.

Асинхронним описаний режим називається тому, що кожен байт може бути дещо зміщений у часі щодо побитових тактів попереднього

148 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

байт. Така асинхронність передачі байт не впливає на коректність даних, оскільки на початку кожного байта відбувається додаткова синхронізація приймача з джерелом за рахунок бітів «старт». Більше «вільні» тимчасові допуски визначають низьку вартість обладнання асинхронної системи.

При синхронному режимі передачі старт-стопні біти між кожною парою байт відсутні. Ці дані збираються в кадр, який передує байтами синхронізації (рис. 2.20, б).Байт синхронізації - це байт, що містить заздалегідь відомий код, наприклад 0111110, який сповіщає приймач про надходження кадру даних. При отриманні приймач повинен увійти в байтовий синхронізм з передавачем, тобто правильно розуміти початок чергового байта кадру. Іноді застосовується кілька синхробайт для більш надійної синхронізації приймача і передавача. Так як при передачі довгого кадру у приймача можуть з'явитися проблеми з синхронізацією біт, то в цьому випадку використовуються коди, що самосинхронізуються.

» При передачі дискретних даних по вузькосмуговому каналу тональної частоти, що використовується в телефонії, найбільш відповідними виявляються способи аналогової модуляції, при яких синусоїда, що несе, модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр. Ця операція здійснюється спеціальними пристроями – модемами.

* Для низькошвидкісної передачі даних застосовується зміна частоти несучої синусоїди. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4 рівні амплітуди несучої синусоїди та 8 рівнів фази. Не всі з 32 можливих поєднань методу QAM використовуються для передачі даних, заборонені поєднання дозволяють розпізнавати спотворені дані фізично.

* На широкосмугових каналах зв'язку застосовуються потенційні та імпульсні методи кодування, в яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу або його фронту.

* При використанні потенційних кодів особливого значення набуває завдання синхронізації приймача з передавачем, так як при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць сигнал на вході приймача не змінюється і приймачеві складно визначити момент знімання чергового біта даних.

___________________________________________2.3. Методи передачі донних канального рівня _______149

* Найбільш простим потенційним кодом є код без повернення до нуля (NRZ), однак він не є самосинхронізуючим і створює постійну складову.

» Найбільш популярним імпульсним кодом є манчестерський код, в якому інформацію несе напрямок перепаду сигналу в середині кожного такту. Манчестерський код застосовується в технологіях Ethernet та Token Ring.

» Для покращення властивостей потенційного коду NRZ використовуються методи логічного кодування, що виключають довгі послідовності нулів. Ці методи засновані:

на введенні надлишкових біт у вихідні дані (коди типу 4В/5В);

Скремблювання вихідних даних (коди типу 2B1Q).

» Покращені потенційні коди мають вужчий спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Фізичнийрівень займається реальною передачею необроблених бітів по

канал зв'язку.

Пересилання даних у обчислювальних мережах від одного комп'ютера до іншого здійснюється послідовно, біт за бітом. Фізично біти даних передаються каналами передачі у вигляді аналогових чи цифрових сигналів.

Сукупність засобів (ліній зв'язку, апаратури передачі та прийому даних), що служить для передачі даних у обчислювальних мережах, називається каналом передачі даних. Залежно від форми інформації, що передається, передачі даних можна розділити на аналогові (безперервні) і цифрові (дискретні).

Так як апаратура передачі та прийому даних працює з даними в дискретному вигляді (тобто одиницям і нулям даних відповідають дискретні електричні сигнали), то при їх передачі через аналоговий канал потрібно перетворення дискретних даних в аналогові (модуляція).

При прийомі таких аналогових даних потрібне зворотне перетворення – демодуляція. Модуляція/демодуляція – процеси перетворення цифрової інформаціїв аналогові сигнали та навпаки. При модуляції інформація представляється синусоїдальним сигналом частоти, яку добре передає канал передачі даних.

До способів модуляції відносяться:

· Амплітудна модуляція;

· Частотна модуляція;

· Фазова модуляція.

При передачі дискретних сигналів через цифровий канал передачі використовується кодування:

· Потенційне;

· Імпульсне.

Таким чином, потенційне або імпульсне кодування застосовується на каналах високої якості, а модуляція на основі синусоїдальних сигналів краще в тих випадках, коли канал вносить сильні спотворення передаються сигнали.

Зазвичай модуляція використовується в глобальних мережахпри передачі даних через аналогові телефонні канали зв'язку, розроблені для передачі голосу в аналоговій формі і тому погано підходять для безпосередньої передачі імпульсів.

Залежно від способів синхронізації канали передачі даних обчислювальних мережможна розділити на синхронні та асинхронні. Синхронізація необхідна для того, щоб передавальний вузол даних міг передати якийсь сигнал приймаючому вузлу, щоб приймаючий вузол знав, коли почати прийом даних, що надходять.

Синхронна передача даних вимагає додаткової лінії зв'язку передачі синхронізуючих імпульсів. Передача бітів передавальної станцією та їх прийом приймаючої станцією здійснюється у моменти появи синхроімпульсів.

Під час асинхронної передачі даних додаткової лінії зв'язку не потрібно. І тут передача даних здійснюється блоками фіксованої довжини (байтами). Синхронізація здійснюється додатковими бітами (старт-бітами і стоп-бітами), які передаються перед байтом і після нього.

При обміні даними між вузлами обчислювальних мереж використовуються три методи передачі:

симплексна (односпрямована) передача (телебачення, радіо);

напівдуплексна (прийом/передача інформації здійснюється по черзі);

дуплексна (двонаправлена), кожен вузол одночасно передає та приймає дані (наприклад, переговори по телефону).

	\|	наступна лекція ==>

При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування -на основісинусоїдального несучого сигналу та на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцієюабо аналоговою модуляцією,наголошуючи на тому факті, 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.

В даний час все частіше дані, що спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, -передаються каналами зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес представлення аналогової інформації у дискретній формі називається дискретною модуляцією.Терміни «модуляція» та «кодування» часто використовують як синоніми.

При цифрове кодуваннядискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. У потенційних кодах уявлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формують закінчені імпульси, 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 декількох цілей: мав при одній і тій же бітовій швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу; забезпечував синхронізацію між передавачем та приймачем;

Мав здатність розпізнавати помилки; мав низьку вартість реалізації.

У мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються,сигнали яких несуть для передавача вказівки у тому, у який час потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (чи кількох біт, якщо код орієнтований більш як два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу -так званий фронт - може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем. 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 фізично економить час, оскільки приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпо- . знання помилкових біт всередині кадру.

Потенційний код без повернення до нуля, метод потенційного кодування, який також називається кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає те, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). Метод NRZпростий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціалів), 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 вкотре 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.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією. Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий та 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. Так, порушення суворого чергування полярності сигналів говорить про хибний імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation). У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з кількома станами сигналу порівняно з кодами, які розрізняють лише два стани.

Потенційний код із інверсією при одиниці. 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 (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Цей код зручний у тих випадках, коли використання третього рівня сигналу вельми небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу -світло і темрява.

Біполярний імпульсний кодКрім 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-інший . Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючі властивості, 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 NГц, 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.

Манчестерський кодУ локальних мережах донедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський кодВін застосовується в технологіях Ethernet і TokenRing. 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 властивості, що самосинхронізують. Смуга пропускання манчестерського коду вже, ніж у імпульсного біполярного. 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 передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському -два.

Потенційний код 2В 1Q. Потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2 В 1Q, назва якого відбиває його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00відповідає потенціал -2,5В, парі біт 01відповідає потенціал-0,833В, парі 11-потенціал +0,833В, а парі 10-потенціал +2,5В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи боротьби 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 2В 1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі 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.

Логічне кодуванняЛогічне кодування використовується для покращення потенційних кодів типу AMI, NRZI або 2Q.1B. Логічне кодування повинно замінювати довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Як зазначалося вище, для логічного кодування характерні два методи -. надлишкові коди та скремблювання.

Для забезпечення заданої пропускної спроможності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною частотою тактовою. Так, передачі кодів 4В/5В зі швидкістю 100Мб/с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125МГц. При цьому спектр сигналу лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надлишковий код. Проте спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача та передавача на підвищеній тактовій частоті.

Скремблювання. Перемішування даних скремблером перед передачею в лінію з допомогою потенційного коду є іншим способом логічного кодування. Методи скремблювання полягають у побитном обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду та отриманих у попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад, скремблер може реалізовувати таке співвідношення:

Асинхронна та синхронна передачі

При обміні даними фізично одиницею інформації є біт, тому кошти фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем. Зазвичай достатньо забезпечити синхронізацію на зазначених двох рівнях - бітовому та кадровому, щоб передавач і приймач змогли забезпечити стійкий обмін інформацією. Однак при поганій якості лінії зв'язку (зазвичай це відноситься до телефонних комутованих каналів) для здешевлення апаратури та підвищення надійності передачі вводять додаткові засоби синхронізації на рівні байт.

Такий режим роботи називається асинхроннимабо старт-стопним.В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами "старт" та "стоп". Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про надходження даних і, по-друге, щоб дати приймачеві достатньо часу для виконання деяких функцій, пов'язаних із синхронізацією, до надходження наступного байта. Сигнал «старт» має тривалість в один тактовий інтервал, а сигнал «стоп» може тривати один, півтора або два такти, тому кажуть, що використовується один, півтора або два біти як стоповий сигнал, хоча біти ці сигнали не представляють.

При синхронному режимі передачі старт-стопні біти між кожною парою байт відсутні. Висновки

При передачі дискретних даних по вузькосмуговому каналу тональної частоти, що використовується в телефонії, найбільш відповідними виявляються способи аналогової модуляції, при яких синусоїда, що несе, модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр. Ця операція здійснюється спеціальними пристроями-модемами.

Для низькошвидкісної передачі даних застосовується зміна частоти синусоїди, що несе. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4рівня амплітуди несучої синусоїди та 8рівневої фази. Не всі з можливих поєднань методу QAM використовуються передачі даних, заборонені поєднання дозволяють розпізнавати спотворені дані фізично.

На широкосмугових каналах зв'язку застосовуються потенційні та імпульсні методи кодування, в яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу або йогофронту.

При використанні потенційних кодів особливого значення набуває завдання синхронізації приймача з передавачем, так як при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць сигнал на вході приймача не змінюється і складно визначити приймачу момент знімання чергового біта даних.

Найбільш простим потенційним кодом є код без повернення до нуля (NRZ), однак він не є самосинхронізується і створює постійну складову.

Найбільш популярним імпульсним кодом є манчестерський код, в якому інформацію несе напрямок перепаду сигналу в середині кожного такту. Манчестерський код застосовується в технологіях Ethernet і TokenRing.

Для покращення властивостей потенційного коду NRZ використовуються методи логічного кодування, що виключають довгі послідовності нулів. Ці методи засновані:

на введенні надлишкових біт у вихідні дані (коди типу 4В/5В);

Скремблювання вихідних даних (коди типу 2В 1Q).

Покращені потенційні коди мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

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 фізично економить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт 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.