Передаваемая по линии связи информация обычно подвергается специальному кодированию, которое способствует повышению надежности передачи. При этом неизбежны дополнительные аппаратурные затраты на кодирование и декодирование, и увеличивается стоимость адаптеров сети.

Кодирование передаваемой по сети информации имеет отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. На­пример, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависит также сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации.

Для передачи дискретных данных по каналам связи применяется два способа физического кодирования исходных дискретных данных - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называют аналоговой модуляцией, т.к. кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала (амплитуды, фазы, частоты). Второй способ называютцифровым кодированием . В настоящее время данные, имеющие аналоговую форму (речь, телевизионное изображение) передаются по каналам связи в дискретном виде. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называютдискретной модуляцией.

5.1Аналоговая модуляция

Представление дискретных данных в виде синусоидального сигнала называется аналоговой модуляцией . Аналоговая модуляция позволяет представить информацию, как синусоидальный сигнал с разными уровнями амплитуды, или фазы, или частоты. Можно использовать также комбинации изменяющихся параметров - амплитуда и частота, амплитуда-фаза. Например, если сформировать синусоидальный сигнал с четырьмя уровнями амплитуды и четырьмя уровнями частоты, это даст 16 состояний информационного параметра, и значит 4 бита информации за одно его изменение.

Различают три основных способа аналоговой модуляции:

амплитудная,

частотная,

Амплитудная модуляция.(АМ) При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля – другой (см. рис. 5.1). Частота сигнала остается постоянной. Этот способ редко используются в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

Рис. 5.1 Различные типы модуляции

Частотная модуляция. ( ЧМ ) При частотной модуляции значения логического 0 и логической 1 исходных данных передают синусоидами с различной частотой – f 1 и f 2 (см. рис. 5.1). Амплитуда сигнала остается постоянной. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах.

Фазовая модуляция. (ФМ) При фазовой модуляции значениям логических 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой (перевернутые), например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов. Результирующий сигнал похож на последовательность перевернутых синусоид(см. рис. 5.1). Амплитуда и частота сигнала остаются постоянными.

Для увеличения скорости передачи (повышения количества бит за один такт информационного параметра) используются комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенны методы квадратурной амплитудной модуляции (Q uadrature Amplitude Modulation , QAM) . Эти методы используют такое сочетание - фазовая модуляция с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудная модуляция с 4 уровнями амплитуды. При таком способе возможно 32 комбинаций сигнала. И хоть используются далеко не все, но все равно скорость существенно повышается, а за счет избыточности можно контролировать ошибки при передаче данных. Например, в некоторых кодах допустимы всего 6,7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

Определим на каких линиях может работать аналоговая модуляция, и в какой степени этот метод удовлетворяет пропускную способность той или иной используемой линии передачи для чего рассмотрим спектр результирующих сигналов. Например, возьмем способ амплитудной модуляции. Спектр результирующего сигнала при амплитудной модуляции будет состоять из синусоиды несущей частоты f с и двух боковых гармоник:

(f с - f m ) и (f с + f m ), гдеf m - частота модуляции (изменения информационного параметра синусоиды), которая будет совпадать со скоростью передачи данных, если использовать два уровня амплитуды.

Рис. 5.2 Спектр сигнала при амплитудной модуляции

Частота f m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной2f m см. рис.5.2), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна2f m .

Таким образом, при амплитудной модуляции результирующий сигнал имеет узкий спектр.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по линиям с узкими полосами пропускания. Типичным представителем таких линий является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей.

Из типичной амплитудно-частотной характеристики канала тональной частоты видно, что этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, и таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3 АЧХ канала тональной частоты

Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, - для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Таким образом, для канала тональной частоты амплитудная модуляция обеспечивает скорость передачи данных не более чем 3100/2=1550бит/с. Если использовать несколько уровней информационного параметра (4 уровня амплитуды), то пропускная способность канала тональной частоты повышается в два раза.

Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче инфор­мации по каналу с узкой полосой пропускания, например по телефонным линиям в глобальных сетях. В локальных сетях оно применяется редко из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодиру­ющего оборудования.

В настоящее время практически все оборудование, которое работает с аналоговыми сигналами, разрабатывается на базе дорогостоящих микросхем DSP (Digital Signal Procerssor) . При этом после модуляции и передачи сигнала нужно проводить демодуляцию при приеме, а это опять дорогостоящее оборудование. Для выполнения функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, используется специальное устройство, которое так и называетсямодем (модулятор-демодулятор) . Модем на 56000 бит/с стоит 100$, а сетевая карта на 100 Мбит/с стоит 10$.

В заключении приведем достоинства и недостатки аналоговой модуляции.

Аналоговая модуляция имеет много различных информационных параметров: амплитуда, фаза, частота. Каждый из этих параметров может принимать несколько состояний за одно изменение несущего сигнала. И, следовательно, результирующий сигнал может передавать большое количество бит за секунду.

Аналоговая модуляция обеспечивает результирующий сигнал с узким спектром, и поэтому она хороша там, где нужно работать на плохих линиях (с узкой полосой пропускания), она способна там обеспечивать высокою скоростью передачи. Аналоговая модуляция способна работать и на хороших линиях, здесь особенно важно еще одно достоинство аналоговой модуляции - возможность сдвигать спектр в нужную область, в зависимости от полосы пропускания используемой линии.

Аналоговая модуляция сложно реализуется и оборудование, которое занимается этим очень дорогостоящее.

Аналоговая модуляция применяется там, где без нее нельзя обойтись, но в локальных сетях используют другие методы кодирования, для реализации которых нужно простое и дешевое оборудование. Поэтому, чаще всего в локальных сетях при передаче данных в линиях связи используется второй метод физического кодирования - цифровое кодирование

5. 2.Цифровое кодирование

Цифровое кодирование - представление информации прямоугольными импульсами. Для цифрового кодирования используютпотенциальные иимпульсные коды.

Потенциальные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используются только значение потенциала сигнала в период такта, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Важно только какое значение в период такта имеет результирующий сигнал.

Импульсные коды. Импульсные коды представляют логический ноль и логическую единицу либо импульсами определенной полярности, или частью импульса - перепадом потенциала определенного направления. В значение импульсного кода включается весь импульс вместе с его перепадами.

Определим требования к цифровому кодированию. Например, нам необходимо произвести передачу дискретных данных (последовательность логических нулей и единиц) с выхода одного компьютера - источника - ко входу другого компьютера - приемника по линии связи.

1. Для передачи данных мы имеем линии связи, которые не пропускают все частоты, они имеют определенные пропускные способности в зависимости от своего типа. Поэтому при кодировании данных нужно учитывать, чтобы в закодированные данные "пропускались" линией связи.

2. Последовательности дискретных данных необходимо закодировать в виде цифровых импульсов определенной частоты. При этом, конечно лучше всего добиться:

а) чтобы частоты закодированных сигналов были низкими, чтобы обеспечивать в общем случае соответствие полосам пропускания линий связи.

б) чтобы закодированные сигналы обеспечивали высокую скорость передачи.

Таким образом, хороший код должен иметь меньше Герц и больше бит за секунду.

3. Данные, которые необходимо передавать - это непредсказуемо изменяющиеся последовательности логических нулей и единиц.

Пусть мы определенным способом закодируем эти данные цифровыми импульсами, то как нам определить какая частота у результирующего сигнала? Для того, чтобы определить нам максимальную частоту цифрового кода достаточно рассмотреть результирующий сигнал при кодировании частных последовательностей таких как:

последовательность логических нулей

последовательность логических единиц

чередующаяся последовательность логических нулей и единиц

Дальше необходимо разложить сигнал методом Фурье, найти спектр, определить частоты каждой гармоники и найти суммарную частоту сигнала при этом важно, чтобы основной спектр сигнала попадал в полосу пропускания линии связи. Чтобы не проделывать все эти вычисления достаточно попытаться определить основную гармонику спектра сигнала, для этого необходимо по форме сигнала угадать первую синусоиду, которая повторяет его контур его формы, затем найти период этой синусоиды. Период - это расстояние между двумя изменениями сигнала . Затем можно определить и частоту основной гармоники спектра сигнала какF = 1/T , гдеF - частота,Т - период сигнала. Для удобства дальнейших расчетов примем, что битовая скорость изменения сигнала равнаN .

Такие расчеты можно провести для каждого метода цифрового кодирования, чтобы определить частоту результирующего сигнала. Результирующий сигнал в цифровом кодировании - это определенная последовательность прямоугольных импульсов. Чтобы представить последовательность прямоугольных импульсов в виде суммы синусоид для нахождения спектра, необходимо большое количество таких синусоид. Спектр последовательности прямоугольных сигналов, в общем случае, будет значительно более широким, по сравнению с модулированными сигналами.

Если применить цифровой код для передачи данных на канале тональной частоты, то верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц.

Поэтому цифровые коды на каналах тональной частоты просто никогда не используются. Но зато они очень неплохо работают в локальных сетях, которые не используют для передачи данных телефонные линии.

Таким образом,цифровое кодирование требует для качественной передачи широкую полосу пропускания.

4. При передачи информации по линиям связи от узла-источника к узлу-приемнику необходимо обеспечить такой режим передачи, при котором приемник всегда будет точно знать, в какой момент времени он принимает данные от источника, т.е нужно обеспечить синхронизацию источника и приемника. В сетях проблема синхронизации решается сложнее, чем при обмене данными между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи. В такой схеме информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса (см. рис.5.4).

Рис. 5.4 Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

Такой вариант синхронизации абсолютно не подходит для любой сети из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Еще одна причина, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, - экономия проводников в дорогостоящих кабелях. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды .

Самосинхронизирующиеся коды - сигналы, которые несут для приемника указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемыйфронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком. Примером самосинхронизирующегося кода может быть синусоида. Так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода. Но это касается аналоговой модуляции. В цифровом кодировании также существуют методы, которые создают самосинхронизирующиеся коды, но об этом позже.

Таким образом, хороший цифровой код должен обеспечивать синхронизацию

Рассмотрев требования к хорошему цифровому коду, перейдем к рассмотрению самих методов цифрового кодирования

5. 2.1Потенциальный код без возвращения к нулю NRZ

Этот код получил такое название потому, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит).

Код NRZ (Non Return to Zero) - без возврата к нулю - это простейший двухуровневый код. Результирующий сигнал имеет два уровня потенциала:

Нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Информационные переходы происходят на границе битов.

Рассмотрим три частных случая передачи данных кодом NRZ : чередующаяся последовательность нулей и единиц, последовательность нулей и последовательность единиц (см. рис. 5.5,а).

Рис. 5.5 Код NRZ

Попытаемся определить удовлетворяет ли этот код перечисленным требованиям. Для этого необходимо определить основную гармонику спектра при потенциальном кодировании в каждом из представленных случаев, чтобы точнее определить какие код NRZ имеет требования к используемой линии связи.

Первый случай - передается информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей (см. рис. 5.5,б).

Этот рисунок показывает, что при чередовании единиц и нулей за один такт будет передаваться два бита 0 и 1. При форме синусоиды показанной на рис. 4.22,б При N - битовой скорости передачи период этой синусоиды равенT = 2N . Частота основная гармоника в этом случае равнаf 0 = N/2 .

Как видно, при такой последовательности этого кода скорость передачи данных вдвое превышает частоту сигнала.

При передаче последовательностей нулей и единиц результирующий сигнал - постоянный ток частота изменения сигнала равна нулю f 0 = 0 .

Спектр реального сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи и следует опасаться передач длинных последовательностей нулей или единиц, которые сдвигают спектр сигнала в сторону низких частот. Т.к. код NRZ при передаче длинных последовательностей нулей или единиц имеет постоянную составляющую.

Из теории сигналов известно, что к спектру передаваемого сигнала помимо требований к ширине, выдвигают еще одно очень важное требование - отсутствие постоянной составляющей (наличия постоянного тока между приемником и передатчиком), потому как применение различныхтрансформаторных развязок в линии связи не пропускает постоянный ток.

Следовательно, часть информации просто будет игнорироваться этой линией связи. Поэтому на практике всегда стараются избавиться от присутствия постоянной составляющей в спектре несущего сигнала уже на этапе кодирования.

Таким образом, мы определили еще одно требование к хорошему цифровому коду цифровой код не должен иметь постоянной составляющей.

Еще одним недостатком NRZ является -отсутствие синхронизации . В этом случае помогут только дополнительные методы синхронизации, о которых мы поговорим позже.

Одним из основных достоинств кода NRZ является простота. Для того, чтобы сгенерировать прямоугольные импульсы необходимы два транзистора, а для осуществления аналоговой модуляции нужны сложные микросхемы. Потенциальный сигнал не надо кодировать и декодировать, поскольку такой же способ применяется и для передачи данных внутри компьютера.

В результате всего показанного выше сделаем несколько выводов, которые помогут нам и при рассмотрении других методов цифрового кодирования:

NRZ очень прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов).

NRZ имеет постоянную составляющую при передаче нулей и единиц, что делает его невозможным для передачи в линиях с трансформаторными развязками.

NRZ - не самосинхронизирующийся код и это усложняет его передачу в любой линии.

Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fо, которая равна N/2 Гц, как это было показано выше. Таким образом, код NRZ работает на низких частотах от 0 до N/2 Гц.

В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, в которых с успехом устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей.

Следующие методы цифрового кодирования разрабатывались с целью каким-то образом улучшить возможность кода NRZ

5. 2.2. Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI) является модификацией метода NRZ.

В этом методе используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Три уровня сигнала - это недостаток кода потому, чтобы различить три уровня необходимо лучшее соотношение сигнал/шум на входе в приемник. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с двухуровневыми кодами. В коде AMIдля кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Рис. 5.6 Код AMI

Такой прием кодирования частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ при передаче длинных последовательностей единиц. Но остается для него проблема постоянной составляющей при передаче последовательностей нулей (см. рис. 5.6).

Рассмотрим частные случаи работы кода, и определим основную гармонику спектра результирующего сигнала для каждого из них. При последовательности нулей - сигнал - постоянный ток - fo = 0 (рис. 5.7,а)

Рис. 5.7 Определение основных частот спектра для AMI

По этой причине код AMI также требует дальнейшего улучшения. При передаче последовательности единиц сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой fo = N/2 Гц.

При передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo = N/4 Гцчто в два раза меньше чем у кода NRZ.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation) .

Можно сделать следующие выводы:

AMI ликвидирует постоянную составляющую при передаче последовательности единиц;

AMI имеет узкий спектр - от N/4 - N/2;

AMI частично ликвидирует проблемы синхронизации

AMI использует не два, а три уровня сигнала на линии и это его недостаток, но его удалось устранить следующему методу.

5. 2.3 Потенциальный код с инверсией при единице NRZI

Этот код полностью похож на код AMI, но только использует два уровня сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный.

Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) .

Он удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота.

Рис. 5.8 Код NRZI

Код NRZIотличается по форме результирующего сигнала от кода AMI, но если вычислить основные гармоники, для каждого случая, то окажется, что они такие же. Для последовательности чередующихся единиц и нулей основная частота сигналаfо=N/4. (см. рис. 5.9,а). Для при последовательности единиц -fо=N/2. При последовательности нулей сохраняется тот же недостатокfо=0 - постоянный ток в линии.

Рис. 5.9 Определение основных частот спектра для NRZI

Выводы следующие:

NRZI - обеспечивает те же возможности, что и код AMI, но использует для этого только два уровня сигнала и поэтому более приемлем для дальнейшего усовершенствования. Недостатки NRZI - постоянная составляющая при последовательности нулей, и отсутствие синхронизации при передаче. Код NRZI стал основным при разработке более улучшенных методов кодирования на более высоких уровнях.

5. 2.4 Код MLT3

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) имеет много общего с кодом NRZI. Важнейшее его отличие - три уровня сигнала.

Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня линейного сигнала происходит только в том случае, если на вход поступает единица, однако в отличие от кода NRZI алгоритм формирования выбран таким образом, чтобы два соседних изменения всегда имели противоположные направления.

Рис. 5.10 Потенциальный код MLT-3

Рассмотрим частные случаи, как и во всех предыдущих примерах.

При передаче нулей сигнал он имеет также постоянную составляющую, сигнал не меняется -fо = 0 Гц. (См. рис.5.10). При передаче всех единиц информационные переходы фиксируются на границе битов, и один цикл сигнала вмещает четыре бита. В этом случаеfо=N/4 Гц - максимальная частота кодаMLT-3 при передаче всех единиц (рис.5.11,а).

Рис. 5.11 Определение основных частот спектра для MLT-3

В случае чередующейся последовательности код MLT-3 имеет максимальную частоту равнуюfо=N/8 , что в два раза меньше чем у кода NRZI, следовательно, этот код имеет более узкую полосу пропускания.

Как вы заметили, недостаток кода MLT-3, как и кода NRZI - отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью дополнительного преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации. Общий вывод можно сделать следующий - применение трехуровневого кодирования МLТ-3 позволяет уменьшить тактовую частоту линейного сигнала и тем самым увеличить скорость передачи.

5. 2.5 Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом.

Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код , в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой. Каждый импульс длится половину такта (рис. 5.12). Биполярный импульсный код - трехуровневый код. Рассмотрим результирующие сигналы при передаче данных биполярным кодированием в тех же частных случаях.

Рис. 5.12 Биполярный импульсный код

Особенностью кода является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, и называют самосинхронизирующимися . Рассмотрим спектр сигналов для каждого случая (рис. 5.13). При передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кодаfо=N Гц , что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI. При передаче чередующихся единиц и нулей -fо=N/2

Рис. 5.13 Определение основных частот спектра для биполярного импульсного кода.

Этот недостаток кода не дает выигрыша в скорости передачи данных и явно свидетельствует о том, что импульсные коды медленнее потенциальных.

Например, для передачи данных по линии со скоростью 10 Мбит/с требуется частота несущего сигнала 10 МГц. При передаче последовательности чередующихся нулей и единиц скорость возрастает, но не намного, т.к частота основной гармоники кода fо=N/2 Гц.

Биполярный импульсный код имеет большое преимущество, по сравнению с предыдущими кодами, - он самосинхронизирующийся.

Биполярный импульсный код имеет широкий спектр сигнала, и поэтому более медленный.

Биполярный импульсный код использует три уровня.

5. 2.6 Манчестерский код

Манчестерский код был разработан, как усовершенствованный биполярный импульсный код. Манчестерский код также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от биполярного кода имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Это происходит следующим образом:

Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд.

Рассмотрим частные случаи кодирования (последовательности из чередующихся нулей и единиц, одних нулей, одних единиц), а потом будем определять основные гармоники для каждой из последовательностей(см. рис. 5.14) . Во всех случаях можно заметить, что при манчестерском кодировании изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Поэтому манчестерский код и обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами.

Рис. 5.14 Манчестерский код

Самосинхронизация всегда дает возможность передачи больших пакетов информации без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

Итак, определим основную частоту при передаче только единиц или только нулей.

Рис. 5.15 Определение основных частот спектра для манчестерского кода.

Как видно при передаче, как нулей, так и единиц, постоянная составляющая отсутствует. Частота основной гармоники fо=N Гц , как и при биполярном кодировании. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов в линиях связи может выполняться простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов. При передаче чередующихся единиц и нулей частота основной гармоники равнаfо=N/2 Гц .

Таким образом, манчестерский код это улучшенный биполярный код, улучшенный за счет использования для передачи данных только двух уровней сигнала, а в не трех, как в биполярном. Но этот код по-прежнему остается медленным по сравнению с NRZI, который в два раза быстрее.

Рассмотрим пример. Возьмем для передачи данных линию связи с полосой пропускания 100 МГц и скоростью100 Мбит . Если раньше мы определяли скорость передачи данных при заданной частоте, теперь нам нужно определить частоту сигнал при заданной скорости линии. Исходя из этого определяем, что для передачи данных кодом NRZI нам достаточно диапазона частоты от N/4-N/2- это частоты от 25 -50 МГц, эти частоты входят в полосу пропускания нашей линии - 100 МГц. Для манчестерского кода нам нужен диапазон частот от N/2 до N - это частоты от 50 до 100 MГц, в этом диапазоне находятся основные гармоники спектра сигнала. Для кода Манчестера он не удовлетворяет полосе пропускания нашей линии, и, следовательно, такой сигнал линия будет передавать с большими искажениями (такой код нельзя использовать на этой линии).

5.2.7Дифференциальный манчестерский (Differential Manchester) код.

Дифференциальный манчестерский код является разновидностью манчестерского кодирования. Середину тактового интервала линейного сигнала он использует только для синхронизации, и на ней всегда происходит смена уровня сигнала. Логические 0 и 1 передаются наличием или отсутствием смены уровня сигнала в начале тактового интервала соответственно (Рис. 5.16)

Рис. 5.16 Дифференциальный манчестерский код

Этот код обладает теми же самыми преимуществами и недостатками, что и манчестерский. Но, на практике используется именно дифференциальный манчестерский код.

Таким образом, манчестерский код раньше (когда высокоскоростные линии были большой роскошью для локальной сети) очень активно использовался в локальных сетях, из-за своей самосинхронизации и отсутствия постоянной составляющей. Он и сейчас находит широкое применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Однако в последнее время разработчики пришли к выводу, что лучше все-таки применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью средствами так называемого логического кодирования .

5.2.8Потенциальный код 2B1Q

Код 2B1Q - потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Его название отражает его суть - каждые два бита(2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния(1Q) .

Паре бит 00 соответствует потенциал(-2,5 В) , паре бит01 соответствует потенциал(-0,833 В) , паре11 - потенциал(+0,833 В) , а паре10 - потенциал (+2,5 В) .

Рис. 5.17 Потенциальный код 2B1Q

Как видно на рисунке 5.17, этот способ кодирования требует дополнительных мер по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. Следовательно, при передаче, как нулей, так и единиц fо=0 Гц. При чередовании единиц и нулей спектр сигнала в два раза уже, чем у кодаNRZ , так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза -fо=N/4 Гц .

Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня потенциала (-2,5В, -0,833 В, +0,833 В, +2,5 В) четко различались приемником на фоне помех.

5. 2.9 Код PAM5

Все рассмотренные нами выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.

При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более. В пятиуровневом коде PAM 5 используется 5 уровней напряжения (амплитуды) и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается свой уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени -00, 01, 10, 11 ). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал/шум.

Рис. 5.18 Код PAM 5

5. 3. Логическое кодирование

Логическое кодирование выполняется дофизического кодирования .

На этапе логического кодирования уже не формируется форма сигналов, а устраняются недостатки методов физического цифрового кодирования, таких как - отсутствие синхронизации, наличие постоянной составляющей. Таким образом, сначала с помощью средств логического кодирования формируются исправленные последовательности двоичных данных, которые потом с помощью методов физического кодирования передаются по линиям связи.

Логическое кодирование подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов.

Разделяют два метода логического кодирования:

Избыточные коды

Скрэмблирование.

5. 3.1 Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Явный пример избыточного кода - логический код 4В/5В.

Логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Таким образом, пяти-битовая схема дает 32 (2 5) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. В то время как исходные данные могут содержать только четыре бита или 16 (2 4) символов.

Поэтому в результирующем коде можно подобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). В этом случае длинные последовательности нулей прерываются, и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут, и только "занимают эфирное время". Избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Итак, рассмотрим работу логического кода 4В/5В . Преобразованный сигнал имеет16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений . В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы.

Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов - исключены.

Исключены комбинации, имеющие более трех нулей (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Такие сигналы интерпретируются символомV и командой приемникаVIOLATION - сбой. Команда означает наличие ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей(00 - 00000 ) относится к служебным сигналам, означает символQ и имеет статусQUIET - отсутствие сигнала в линии.

Такое кодирование данных решает две задачи - синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей, а высокая помехоустойчивость достигается приемником данных на пяти-битовом интервале.

Цена за эти достоинства при таком способе кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации. К примеру, В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных4B/5B уменьшается соответственно на 25%.

Схема кодирования 4В/5В представлена в таблице.

Итак, соответственно этой таблице формируется код 4В/5В , затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей - например, в помощью цифрового кода NRZI.

Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английскогоbinary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода8В/6Т выше, чем кода4В/5В , так как на 256 исходных кодов приходится 3 6 =729 результирующих символов.

Как мы говорили, логическое кодирование происходит до физического, следовательно, его осуществляют оборудование канального уровня сети: сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов. Поскольку, как вы сами убедились, использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому метод логического кодирования избыточными кодами не усложняет функциональные требования к этому оборудованию.

Единственное требование - для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой125 МГц . При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее, спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Таким образом, можно сделать следующий вывод:

В основном для локальных сетей проще, надежней, качественней, быстрей - использовать логическое кодирование данных с помощью избыточных кодов, которое устранит длительные последовательности нулей и обеспечит синхронизацию сигнала, потом на физическом уровне использовать для передачи быстрый цифровой код NRZI , нежели без предварительного логического кодирования использовать для передачи данных медленный, но самосинхронизирующийсяманчестерский код .

Например, для передачи данных по линии с пропускной способностью 100М бит/с и полосой пропускания 100 МГц, кодом NRZI необходимы частоты 25 - 50 МГц, это без кодирования 4В/5В. А если применить для NRZI еще и кодирование 4В/5В, то теперь полоса частот расширится от 31,25 до 62,5 МГц. Но тем не менее, этот диапазон еще "влазит" в полосу пропускания линии. А для манчестерского кода без применения всякого дополнительного кодирования необходимы частоты от 50 до 100 МГц, и это частоты основного сигнала, но они уже не будут пропускаться линией на 100 МГц.

5. 3.2 Скрэмблирование

Другой метод логического кодирования основан на предварительном "перемешивании" исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой.

Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка) .

При скремблировании данные перемешиваються по определенному алгоритму и приемник, получив двоичные данные, передает их надескрэмблер , который восстанавливает исходную последовательность бит.

Избыточные биты при этом по линии не передаются.

Суть скремблирования заключается просто в побитном изменении проходящего через систему потока данных. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах является XOR - "побитное исключающее ИЛИ" , или еще говорят - сложение помодулю 2 . При сложении двух единиц исключающим ИЛИ отбрасывается старшая единица и результат записывается - 0.

Метод скрэмблирования очень прост. Сначала придумывают скрэмблер. Другими словами придумывают по какому соотношению перемешивать биты в исходной последовательности с помощью "исключающего ИЛИ". Затем согласно этому соотношению из текущей последовательности бит выбираются значения определенных разрядов и складываются по XOR между собой. При этом все разряды сдвигаются на 1 бит, а только что полученное значение ("0" или "1") помещается в освободившийся самый младший разряд. Значение, находившееся в самом старшем разряде до сдвига, добавляется в кодирующую последовательность, становясь очередным ее битом. Затем эта последовательность выдается в линию, где с помощью методов физического кодирования передается к узлу-получателю, на входе которого эта последовательность дескрэмблируется на основе обратного отношения.

Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

где Bi - двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера,Ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера,B i-3 и B i-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта,- операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Теперь давайте, определим закодированную последовательность, например, для такой исходной последовательности 110110000001 .

Скрэмблер, определенный выше даст следующий результирующий код:

B 1 = А 1 = 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр)

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111 . В которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения.

Существуют другие различные алгоритмы скрэмблирования, они отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми.

Главная проблема кодирования на основе скремблеров - синхронизация передающего (кодирующего) и принимающего (декодирующего) устройств . При пропуске или ошибочном вставлении хотя бы одного бита вся передаваемая информация необратимо теряется. Поэтому, в системах кодирования на основе скремблеров очень большое внимание уделяется методам синхронизации.

На практике для этих целей обычно применяется комбинация двух методов:

а) добавление в поток информации синхронизирующих битов, заранее известных приемной стороне, что позволяет ей при ненахождении такого бита активно начать поиск синхронизации с отправителем,

б) использование высокоточных генераторов временных импульсов, что позволяет в моменты потери синхронизации производить декодирование принимаемых битов информации "по памяти" без синхронизации.

Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования.

Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

Рис. 5. 19 Коды B8ZS и HDB3

На этом рисунке показано использование метода B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и методаHDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей (8- в первом случае и 5 во втором).

Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр:V-1*-0-V-1* .V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы,1 * - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей.

Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые 4 подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигналаV чередуется при последовательных заменах.

Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V , а если число единиц было четным - последовательность1*00V .

Таким образом, применение логическое кодирование совместно с потенциальным кодированием дает следующие преимущества:

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. В результате коды, полученные из потенциального путем логического кодирования, обладают более узким спектром, чем манчестерский, даже при повышенной тактовой частоте.

2 Функции физического уровня Представление битов электрическими/оптическими сигналами Кодирование битов Синхронизация битов Передача/прием битов по физическим каналам связи Согласование с физической средой Скорость передачи Дальность Уровни сигналов, разъемы Во всех устройствах сети Аппаратная реализация (сетевые адаптеры) Пример: 10 BaseT - UTP кат 3, 100 ом, 100м, 10Мбит/c, код МII, RJ-45

5 Аппаратура передачи данных Преобразователь Сообщение - Эл. сигнал Кодер (сжатие, корректирующие коды) Модулятор Промежуточная аппаратура Улучшение качества связи - (Усилитель) Создание составного канала – (Коммутатор) Уплотнение канала – (Мультиплексор) (В ЛВС ПА может отсутствовать)

6 Основные характеристики линий связи Пропускная способность (Протокол) Достоверность передачи данных(Протокол) Задержка распространения Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Полоса пропускания Затухание Помехоустойчивость Перекрестные наводки на ближнем конце линии Удельная стоимость

9 Затухание (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 Обычно А указывается для основной частоты сигнала = -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Обычно А указывается для основной частоты сигнала">

11 Помехоустойчивость Оптоволоконные линии Кабельные линии Проводные воздушные линии Радиолинии (Экранирование, скручивание) Устойчивость к внешним помехам Устойчивость к внутренним помехам Ослабление перекрестных наводок на ближнем конце (NEXT) Ослабление перекрестных наводок на дальнем конце (FEXT) (FEXT - Две пары в одном направлении)

12 Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk loss – NEXT) Для многопарных кабелей NEXT = 10 log Pвых/Pнав dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Достоверность передачи данных Bit Error Rate – BER Вероятность искажения бита данных Причины: внешние и внутренние помехи, узкая полоса пропускания Борьба: повышение помехозащищенности, снижение наводок NEXT, расширение полосы пропускания Витая пара BER ~ Оптоволоконный кабель BER ~ Без дополнительных средств защиты::корректирующих кодов, протоколов с повторением

16 Витая пара Twisted Pair (TP) экран из фольги плетеный проволочный экран провод в изоляции внешняя оболочка UTP Unshielded Twisted Pair категории 1, UTP кат пары в оболочке STP Shielded Twisted Pair Типы Type 1…9 У каждой пары свой экран Каждая пара - свой шаг скрутки, свой цвет Помехозащищенность Стоимость Сложность прокладки

18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2 n2 - (показатель преломления) n1 n2"> n2 - (показатель преломления) n1 n2"> n2 - (показатель преломления) n1 n2" title="18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2"> title="18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2">

22 Волоконно-оптический 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 Гбит/с (2005 г) MMSM

23 Источники оптического сигнала Канал: источник - носитель - приемник (детектор) Источники Светодиод (LED- Light Emitting Diod) нм некогерентный источник - MMF Полупроводниковый лазер когерентный источник - SMF - Мощность = f (t o) Детекторы Фотодиоды, pin-диоды, лавинные диоды

25 Структурированные кабельные системы - СКС Structured Cabling System - SCS Первые ЛВС – различные кабели и топологии Унификация кабельной системы СКС – открытая кабельная инфраструктура ЛВС (подсистемы, компоненты, интерфейсы) - независимость от сетевой технологии - кабели ЛВС, TV, системы охраны и т.п. - универсальная кабельная проводка без привязки к конкретной сетевой технологии -Конструктор

27 Стандарты СКС (основные) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США) CENELEC EN50173 Performance Requirements of Generic Cabling Schemes (Европа) ISO/IEC IS Information Technology - Generic cabling for customer premises cabling Для каждой подсистемы: Среда передачи данных. Топология Допустимые расстояния (длина кабелей) Интерфейс подключения пользователей. Кабели и соединительная аппаратура. Пропускная способность (Performance). Практика установки (Горизонтальная подсистема – UTP, звезда, 100 м...)

28 Беспроводная связь Wireless Transmission Достоинства: у добство, недоступные районы, мобильность. быстрое развертывание... Недостатки: в ысокий уровень помех (специальные средства: коды, модуляция…), сложность использования некоторых диапазонов Линия связи: передатчик - среда - приемник Характеристики ЛС ~ F(Δf, fн);

34 2. Cотовая телефония Разбиение территории на соты Повторное использование частот Малая мощность (габариты) В центре – базовая станция Европа – Global System for Mobile - GSM Беспроводная телефонная связь 1. Маломощная радиостанция – (трубка-база, 300м) DECT Digital European Cordless Telecommunication Роуминг - переключение с одной базовой сети на другую - основа сотовой связи

35 Спутниковая связь В основе – спутник (отражатель–усилитель) Приемопередатчики – транспондеры Н~50 Мгц (1 спутник ~ 20 транспондеров) Диапазоны 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 Спутниковая связь. Типы спутников Спутниковая связь: микроволны – прямая видимость Геостационарные Большое покрытие Неподвижность, Малый износ Cпутник-повторитель, широковещательность, низкая стоимость, стоимость не зависит от расстояния, Мгновенное установление связи (Mil) Tз=300мс Низкая защищенность, Первоначально большая антенна (но VSAT) Среднеорбитальные км Global Positioning System GPS - 24 спутника Низкоорбитальные км малое покрытие малая задержка Доступ в Интернет

40 Техника расширения спектра Специальные методы модуляции и кодирования для беспроводной связи С (Бит/с) = Δ F (Гц) * log2 (1+Ps/P N) Уменьшение мощности Помехоустойчивость Скрытность OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется так­же модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигна­ла получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, что спектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусоиды приво­дит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информа­ции. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму - речь, телевизионное изображение, - передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией. Термины «модуляция» и «кодирование» часто используют как синонимы.

2.2.1. Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал то­нальной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональ­ной частоты представлена на рис. 2.12. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Хотя че­ловеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, -для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в теле­фонных сетях.

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 133

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы сину­соидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 2.13. На диаграмме (рис. 2.13, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто использует­ся при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции (рис. 2.13,6) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуля­ции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 2.13, в) значения 0 и 1 исходных данных пере­даются синусоидами с различной частотой - fo и fi. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных моде­мах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 2.13, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуля­ции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Глава 2 . Основы передачи дискретных данных

Спектр модулированного сигнала

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа модуляции и скорости модуляции, то есть желаемой скорости передачи бит исходной информации.

Рассмотрим сначала спектр сигнала при потенциальном кодировании. Пусть логическая единица кодируется положительным потенциалом, а логический ноль - отрицательным потенциалом такой же величины. Для упрощения вычислений пред­положим, что передается информация, состоящая из бесконечной последователь­ности чередующихся единиц и нулей, как это и показано на рис. 2.13, а. Заметим, что в данном случае величины бод и бит в секунду совпадают.

Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из фор­мул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нуле­вой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., где fo = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно - с коэффициентами 1/3, 1/5,1/7,... от амплитуды гармоники fo (рис. 2.14, а). В результате спектр потенци­ального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зави­симости от того, какие данные передаются по линии связи. Например, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот, а в крайнем случае, когда передаваемые данные состоят только из единиц (или только из нулей), спектр состоит из гармоники нулевой частоты. При переда­че чередующихся единиц и нулей постоянная составляющая отсутствует. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произволь­ных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7fo (гармониками с частотами выше 7fo можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. В результате потенциальные коды на каналах тональной час­тоты никогда не используются.

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 135

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f c и двух боковых гармоник: (f c + f m) и (f c - f m), где f m - частота изменения информа­ционного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 2.14,6). Частота f m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2f m), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2f m . Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная спо­собность канала повышается до 3100 бит/с.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более слож­ным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образует­ся более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по каналу тональной частоты.

Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные ме­тоды модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы осно­ваны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Однако из возможных 32 ком­бинаций сигнала используются далеко не все. Например, в кодах Треллиса допусти­мы всего 6, 7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием иска­жений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

2.2.2. Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей исполь­зуется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие закон­ченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной инфор­мации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно до­стигал бы нескольких целей:

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра ре­зультирующего сигнала;

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

136 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия посто­янной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальва­нической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компью­тера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис. 2.15), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода так­тового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, яв­ляется экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синх­ронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несу­щей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входно­го кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, ле­жащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой сторо­ны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распо­знавании ошибочных бит внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно проти­воречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов циф­рового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

______________________________2.2. Методы передачи дискретных данных но физическом уровне _______137

Потенциальный код без возвращения к нулю

На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последователь­ности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхро­низации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по вход­ному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длин­ных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию не­корректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последова­тельностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечиваю-

138 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

щие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fo, ко­торая равна N/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других мето­дов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 2.16,6) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потен­циал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен по­тенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсут­ствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длин­ных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N - битовая скорость переда­чи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ - сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амп­литуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощает­ся - осталось справиться только с последовательностями нулей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предостав­ляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импуль­се или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной по­лярностью называется запрещенным сигналом (signal violation).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнитель­ный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недо­статком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, кото­рые различают только два состояния.

Потенциальный код с инверсией при единице

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При пере­даче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противо­положный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 139

(Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптичес­ких кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота. Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последо­вательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на ли­нии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка). При скремб-лировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоич­ные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда дан­ные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 2.16, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосин­хронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутство­вать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом коди­рования был так называемый манчестерский код (рис. 2.16, г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, про­исходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколь­ко единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими

140 Глава 2 Основы передачи дискретных данных _____________________________________________

самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.

Потенциальный код 2B1Q

На рис. 2.16, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для ко­дирования данных. Это код 2В1Q название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре И - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными по­следовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, что­бы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

2.2.3. Логическое кодирование

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование должно заменять длинные после­довательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование.

Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ за­меняется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Напри­мер, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество бито­вых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирую­щие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные счи­тать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной состав­ляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 141

приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещен­ный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже.

Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состоя­ния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояни­ями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из б сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избы­точность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов прихо­дится 3 6 =729 результирующих символов.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки ком­мутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, исполь­зующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манче­стерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Скрэмблирование

Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью по­тенциального кода является другим способом логического кодирования.

Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит резуль­тирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

Bi - Ai 8 Bi-з ф Bi. 5 ,

где bi - двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера, ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на

142 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

вход скрэмблера, В^з и B t .5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта, 0 - операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст сле­дующий результирующий код:

bi = ai - 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исход­ным, так как еще нет нужных предыдущих цифр)

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основа­нии обратного соотношения:

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть - со сдвигами 18 и 23 позиции.

Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования.

Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на ис­кусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

На рис. 2.17 показано использование метода B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Sub­stitution) и метода HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей: в пер­вом случае - из 8, а во втором - из 5.

Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-1*-0-V-1*. V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей едини­цы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 143

факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случи­лось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей. Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последо­вательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чере­дуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал не­четное число единиц, то используется последовательность OOOV, а если число еди­ниц было четным - последовательность 1*OOV.

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропус­кания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. На рис. 2.18 приведены спектры сигналов разных кодов, полученные при передаче произвольных данных, в которых различные сочетания нулей и единиц в исходном коде равновероятны. При построении графиков спектр усреднялся по всем возможным наборам исходных последовательностей. Естествен­но, что результирующие коды могут иметь и другое распределение нулей и единиц. Из рис. 2.18 видно, что потенциальный код NRZ обладает хорошим спектром с одним недостатком - у него имеется постоянная составляющая. Коды, полученные из потенциального путем логического кодирования, обладают более узким спект­ром, чем манчестерский, даже при повышенной тактовой частоте (на рисунке спектр кода 4В/5В должен был бы примерно совпадать с кодом B8ZS, но он сдвинут

144 Глово2 Основы передачи дискретных данных

в область более высоких частот, так как его тактовая частота повышена на 1/4 по сравнению с другими кодами). Этим объясняется применение потенциальных из­быточных и скрэмблированных кодов в современных технологиях, подобных FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN и т. п. вместо манчестерского и биполярного импульсного кодирования.

2.2.4. Дискретная модуляция аналоговых сигналов

Одной из основных тенденций развития сетевых технологий является передача в одной сети как дискретных, так и аналоговых по своей природе данных. Ис­точниками дискретных данных являются компьютеры и другие вычислительные устройства, а источниками аналоговых данных являются такие устройства, как телефоны, видеокамеры, звуко- и видеовоспроизводящая аппаратура. На ранних этапах решения этой проблемы в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, при этом дискретные по своему характеру компьютерные данные преобразовывались в аналоговую форму с помощью модемов.

Однако по мере развития техники съема и передачи аналоговых данных выяс­нилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни о том, что про­изошло искажение, ни о том, как его исправить, поскольку форма сигнала может быть любой, в том числе и такой, которую зафиксировал приемник. Улучшение же качества линий, особенно территориальных, требует огромных усилий и ка­питаловложений. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изображения пришла цифровая техника. Эта техника использует так назы­ваемую дискретную модуляцию исходных непрерывных во времени аналоговых процессов.

Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис. 2.19). Рассмотрим прин­ципы искретной модуляции на примере импульсно-кодовой модуляции, ИКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ), которая широко применяется в цифровой теле­фонии.

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом - за счет этого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер пред­ставляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает диск­ретизацию по значениям функции - непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений. Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). После этого замеры передаются по каналам связи в виде последовательно­сти единиц и нулей. При этом применяются те же методы кодирования, что и в случае передачи изначально дискретной информации, то есть, например, методы, основанные на коде B8ZS или 2В1Q.

На приемной стороне линии коды преобразуются в исходную последователь­ность бит, а специальная аппаратура, называемая цифро-аналоговым преобразова­телем (ЦАП), производит демодуляцию оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстанавливая исходную непрерывную функцию времени.

Дискретная модуляции основана на теории отображения Найквиста - Котель-никова. В соответствии с этой теорией, аналоговая непрерывная функция, передан­ная в виде последовательности ее дискретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции.

Если это условие не соблюдается, то восстановленная функция будет суще­ственно отличаться от исходной.

Преимуществом цифровых методов записи, воспроизведения и передачи анало­говой информации является возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. Для этого можно применять те же методы, которые применяются для компьютерных данных (и рассматриваются более подробно далее), - вычисление контрольной суммы, повторная передача ис­каженных кадров, применение самокорректирующихся кодов.

Для качественной передачи голоса в методе ИКМ используется частота кванто­вания амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц. Это связано с тем, что в аналого­вой телефонии для передачи голоса был выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточно качественно передает все основные гармоники собеседников. В соответ­ствии с теоремой Найквиста - Котельткова для качественной передачи голоса

146 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

достаточно выбрать частоту дискретизации, в два раза превышающую самую высо­кую гармонику непрерывного сигнала, то есть 2 х 3400 = 6800 Гц. Выбранная в действительности частота дискретизации 8000 Гц обеспечивает некоторый запас качества. В методе ИКМ обычно используется 7 или 8 бит кода для представления амплитуды одного замера. Соответственно это дает 127 или 256 градаций звуково­го сигнала, что оказывается вполне достаточным для качественной передачи голоса. При использовании метода ИКМ для передачи одного голосового канала необ­ходима пропускная способность 56 или 64 Кбит/с в зависимости от того, каким количеством бит представляется каждый замер. Если для этих целей используется

7 бит, то при частоте передачи замеров в 8000 Гц получаем:

8000 х 7 = 56000 бит/с или 56 Кбит/с; а для случая 8-ми бит:

8000 х 8 - 64000 бит/с или 64 Кбит/с.

Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретиза­ции 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи дан­ных между узлами сети. При несоблюдении синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изоб­ражения или другой мультимедийной информации, передаваемой по цифровым се­тям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произноси­мых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, которые основаны на свойстве инерционности любого физического сигнала - амп­литуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.

На качество сигнала после ЦАП влияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации амплитуд этих замеров.

8 теореме Найквиста - Котельникова предполагается, что амплитуды функции из­меряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискре­тизации (по амплитуде).

Существуют и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме, например в виде последовательности 4-битных или 2-битных чисел. При этом один голосовой канал требует меньшей пропускной способности, например 32 Кбит/с, 16 Кбит/с или еще меньше. С 1985 года применяется стандарт CCITT кодирования голоса, называемый Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коды ADPCM основаны на нахож­дении разностей между последовательными замерами голоса, которые затем и пе­редаются по сети. В коде ADPCM для хранения одной разности используются 4 бит и голос передается со скоростью 32 Кбит/с. Более современный метод, Linear Predictive Coding (LPC), делает замеры исходной функции более редко, но исполь­зует методы прогнозирования направления изменения амплитуды сигнала. При помощи этого метода можно понизить скорость передачи голоса до 9600 бит/с.

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 147

Представленные в цифровой форме непрерывные данные легко можно передать через компьютерную сеть. Для этого достаточно поместить несколько замеров в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии, снабдить кадр правильным адресом назначения и отправить адресату. Адресат должен извлечь из кадра заме­ры и подать их с частотой квантования (для голоса - с частотой 8000 Гц) на циф­ро-аналоговый преобразователь. По мере поступления следующих кадров с замерами голоса операция должна повториться. Если кадры будут прибывать достаточно синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако, как мы уже знаем, кадры в компьютерных сетях могут задерживаться как в конечных уз­лах (при ожидании доступа к разделяемой среде), так и в промежуточных комму­никационных устройствах - мостах, коммутаторах и маршрутизаторах. Поэтому качество голоса при передаче в цифровой форме через компьютерные сети обычно бывает невысоким. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сиг­налов - голоса, изображения - сегодня используют специальные цифровые сети, такие как ISDN, ATM, и сети цифрового телевидения. Тем не менее для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров сегодня характерны сети frame relay, задержки передачи кадров которых укладываются в допустимые пределы.

2.2.5. Асинхронная и синхронная передачи

При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхрони­зацию между приемником и передатчиком.

Канальный уровень оперирует кадрами данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров. В обязанности приемника входит распознавание начала первого байта кадра, распознавание границ полей кадра и распознавание признака окончания кадра.

Обычно достаточно обеспечить синхронизацию на указанных двух уровнях - битовом и кадровом, - чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчи­вый обмен информацией. Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синх­ронизации на уровне байт.

Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, ко­торые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает кла­виатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сиг­налами «старт» и «стоп» (рис. 2.20, а). Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта. Сигнал «старт» имеет продол­жительность в один тактовый интервал, а сигнал «стоп» может длиться один, полто­ра или два такта, поэтому говорят, что используется один, полтора или два бита в качестве стопового сигнала, хотя пользовательские биты эти сигналы не представляют.

Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего

148 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

байта. Такая асинхронность передачи байт не влияет на корректность принимае­мых данных, так как в начале каждого байта происходит дополнительная синхрони­зация приемника с источником за счет битов «старт». Более «свободные» временные допуски определяют низкую стоимость оборудования асинхронной системы.

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предва­ряется байтами синхронизации (рис. 2.20, б). Байт синхронизации - это байт, со­держащий заранее известный код, например 0111110, который оповещает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, то есть правильно понимать начало очередного байта кадра. Иногда применяется несколько синхробайт для обеспечения более надеж­ной синхронизации приемника и передатчика. Так как при передаче длинного кад­ра у приемника могут появиться проблемы с синхронизацией бит, то в этом случае используются самосинхронизирующиеся коды.

» При передаче дискретных данных по узкополосному каналу тональной часто­ты, используемому в телефонии, наиболее подходящими оказываются способы аналоговой модуляции, при которых несущая синусоида модулируется исход­ной последовательностью двоичных цифр. Эта операция осуществляется спе­циальными устройствами - модемами.

* Для низкоскоростной передачи данных применяется изменение частоты несу­щей синусоиды. Более высокоскоростные модемы работают на комбинирован­ных способах квадратурной амплитудной модуляции (QAM), для которой характерны 4 уровня амплитуды несущей синусоиды и 8 уровней фазы. Не все из возможных 32 сочетаний метода QAM используются для передачи данных, запрещенные сочетания позволяют распознавать искаженные данные на физи­ческом уровне.

* На широкополосных каналах связи применяются потенциальные и импульс­ные методы кодирования, в которых данные представлены различными уров­нями постоянного потенциала сигнала либо полярностями импульса или его фронта.

* При использовании потенциальных кодов особое значение приобретает задача синхронизации приемника с передатчиком, так как при передаче длинных по­следовательностей нулей или единиц сигнал на входе приемника не изменяется и приемнику сложно определить момент съема очередного бита данных.

___________________________________________2.3. Методы передачи донных канального уровня _______149

* Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся и создает постоянную составляющую.

» Наиболее популярным импульсным кодом является манчестерский код, в кото­ром информацию несет направление перепада сигнала в середине каждого так­та. Манчестерский код применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

» Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы логи­ческого кодирования, исключающие длинные последовательности нулей. Эти методы основаны:

На введении избыточных бит в исходные данные (коды типа 4В/5В);

Скрэмблировании исходных данных (коды типа 2B1Q).

» Улучшенные потенциальные коды обладают более узким спектром, чем импульс­ные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, таких как FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

План

Теоретические основы передачи данных

Ряды Фурье

Управляемые носители информации

Магнитные носители

Витая пара

Коаксиальный кабель

Волоконная оптика

На конец кабеля может прикрепляться специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в оптическую розетку. Потеря - 10-20 % силы света, зато позволяет легко изменить конфигурацию системы.
Сращивание - два аккуратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой. Улучшение прохождения света достигается выравниванием концов кабеля. Потеря - 10 % мощности света.
Сплавление. Потеря практически отсутствуют.

Таблица 1.
Сравнительная таблица использования светодиода и полупроводникового лазера
Приемный конец оптического кабеля представляет собой фотодиод, генерирующий электрический импульс, когда на него падает свет.

Сравнительная характеристика оптоволоконного кабеля и медного провода.

Высокая скорость.
Меньше ослабление сигнала, вывод меньше повторителей (один на 50км, а не на 5)
Инертен к внешним электромагнитным излучениям, химически нейтрально.
Легче по весу. 1000 медных витых пар длиной в 1 км весит около 8000 кг. Пара оптоволоконных кабелей весит всего 100 кг при большей пропускной способности
Низкие затраты на прокладку

Сложность и компетентность при монтаже.
Хрупкость
Дороже медного.
передачи в режиме simplex, между сетями требуется минимум 2 жилы.

Беспроводная связь

Электромагнитный спектр

Радиосвязь

Связь в микроволновом диапазоне

Инфракрасные и миллиметровые волны

Спутники связи

Коммутируемая телефонная сеть общего пользования

Структура телефонной системы

Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь

амплитудная модуляция - используются 2 разные амплитуды сигнала (для 0 и 1),
частотная - используются несколько разных частот сигнала (для 0 и 1),
фазовая - используются сдвиги фаз при переходе между логическими единицами (0 и 1). Углы сдвига - 45, 135, 225, 180.

Цифровые абонентские линии. Технология xDSL.

POTS - диапазон обычной телефонной сети;
исходящий диапазон;
входящий диапазон.

DSLAM - мультиплексор доступа к DSL;
NID - устройство сопряжения с сетью, разделяет владения телефонной компании и абонента.
Разветвитель (сплиттер) - разделитель частот, отделяющий полосу POTS и данные ADSL.

Магистрали и уплотнения

Коммутация

Коммутация каналов

Коммутация пакетов

Страница 27 из 27 Физические основы передачи данных (Линии связи,)

Физические основы передачи данных

Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. И хотя между технологиями имеются большие различия, они базируются на общих принципах передачи дискретных данных. Эти принципы находят свое воплощение в методах представления двоичных единиц и нулей с помощью импульсных или синусоидальных сигналов в линиях связи различной физической природы, методах обнаружения и коррекции ошибок, методах компрессии и методах коммутации.

Линии связи

Первичные сети, линии и каналы связи

При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, и во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в их употреблении.

Звено (link) - это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.

Каналом (channel) чаще всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с.

Составной канал (circuit) - это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается и термин «канал» используется для обозначения как составного канала, так и канала между соседними узлами, то есть в пределах звена.

Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов.

На рис. показаны два варианта линии связи. В первом случае (а) линия состоит из сегмента кабеля длиной несколько десятков метров и представляет собой звено. Во втором случае (б) линия связи представляет собой составной канал, развернутый в сети с коммутацией каналов. Такой сетью может быть первичная сеть или телефонная сеть.

Однако для компьютерной сети эта линия представляет собой звено, так как соединяет два соседних узла, и вся коммутационная промежуточная аппаратура является прозрачной для этих узлов. Повод для взаимного непонимания на уровне терминов компьютерных специалистов и специалистов первичных сетей здесь очевиден.

Первичные сети специально создаются для того, чтобы предоставлять услуги каналов передачи данных для компьютерных и телефонных сетей, про которые в таких случаях говорят, что они работают «поверх» первичных сетей и являются наложенными сетями.

Классификация линий связи

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Физическая среда передачи данных (физические носители информации) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В первом случае говорят о проводной среде, а во втором - о беспроводной.

В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов - все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.

Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов - неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, либо локальные или мобильные сети, где это условие выполняется.