Se utilizan dos tipos principales de codificación física: basada en una señal portadora sinusoidal (modulación analógica) y basada en una secuencia de pulsos rectangulares (codificación digital).
Modulación analógica: para la transmisión de datos discretos a través de un canal con un estrecho banda ancha- canal de frecuencia de voz de redes telefónicas (ancho de banda de 300 a 3400 Hz) Un dispositivo que realiza modulación y demodulación - un módem.
Métodos de modulación analógica
n modulación de amplitud (baja inmunidad al ruido, a menudo utilizada junto con la modulación de fase);
n modulación de frecuencia (implementación técnica complicada, generalmente utilizada en módems de baja velocidad).
n modulación de fase.
Espectro de la señal modulada
Código potencial- si se transmiten datos discretos a una velocidad de N bits por segundo, entonces el espectro consiste en un componente constante de frecuencia cero y una serie infinita de armónicos con una frecuencia de f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., donde f0 = N/2. Las amplitudes de estos armónicos disminuyen lentamente - con coeficientes de 1/3, 1/5, 1/7, ... de la amplitud f0. El espectro de la señal de código potencial resultante al transmitir datos arbitrarios ocupa una banda desde algún valor cercano a 0 hasta aproximadamente 7f0. Para un canal de frecuencia de voz, el límite superior de la velocidad de transmisión se alcanza a una velocidad de datos de 971 bits por segundo, y el límite inferior es inaceptable para cualquier velocidad, ya que el ancho de banda del canal comienza en 300 Hz. Es decir, los códigos potenciales no se utilizan en los canales de frecuencia de voz.
Amplitud modulada- el espectro consiste en una sinusoide de la frecuencia portadora fc y dos armónicos laterales fc+fm y fc-fm, donde fm es la frecuencia de cambio del parámetro de información de la sinusoide, que coincide con la tasa de datos cuando se usan dos niveles de amplitud . La frecuencia fm determina la capacidad de la línea para un método de codificación dado. Con una frecuencia de modulación pequeña, el ancho del espectro de la señal será incluso pequeño (igual a 2fm), y las señales no serán distorsionadas por la línea si el ancho de banda es mayor o igual a 2fm. Para un canal de frecuencia de voz, este método es aceptable a una velocidad de transferencia de datos no superior a 3100/2 = 1550 bits por segundo.
Modulación de fase y frecuencia- el espectro es más complejo, pero simétrico, con un gran número de armónicos que decrecen rápidamente. Estos métodos son adecuados para la transmisión de canales de frecuencia de voz.
Modulación de amplitud en cuadratura (Quadrate Amplitude Modulation): modulación de fase con 8 valores de cambio de fase y modulación de amplitud con 4 valores de amplitud. No se utilizan las 32 combinaciones de señales.
Codificación digital
Códigos potenciales- para representar unos y ceros lógicos, se utiliza sólo el valor del potencial de la señal, y no se tienen en cuenta sus gotas, que formulan pulsos completos.
Códigos de pulso- representar datos binarios ya sea por pulsos de cierta polaridad, o por una parte del pulso - por una caída potencial de cierta dirección.
Requisitos para el método de codificación digital:
Tenía el ancho de espectro más pequeño de la señal resultante a la misma tasa de bits (un espectro de señal más estrecho le permite lograr una tasa de datos más alta en la misma línea, también existe un requisito para la ausencia de un componente constante, es decir, el presencia de una corriente continua entre el transmisor y el receptor);
Sincronización proporcionada entre el transmisor y el receptor (el receptor debe saber exactamente en qué momento para leer la información necesaria de la línea, en sistemas locales- líneas de temporización, en redes - códigos de autosincronización, cuyas señales llevan instrucciones para el transmisor sobre en qué momento debe reconocerse el siguiente bit);
Tenía la capacidad de reconocer errores;
Tiene un bajo costo de implementación.
Código potencial sin retorno a cero. NRZ (No Retorno a Cero). La señal no vuelve a cero dentro de un ciclo.
Es fácil de implementar, tiene una buena detección de errores debido a dos señales muy diferentes, pero no tiene la propiedad de sincronización. Cuando se transmite una secuencia larga de ceros o unos, la señal en la línea no cambia, por lo que el receptor no puede determinar cuándo es necesario volver a leer los datos. Otro inconveniente es la presencia de un componente de baja frecuencia, que se aproxima a cero cuando se transmiten largas secuencias de unos y ceros. En su forma pura, el código rara vez se usa, se usan modificaciones. Atractivo - baja frecuencia del armónico fundamental f0 = N /2.
Método de codificación bipolar con inversión alternativa. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), una modificación del método NRZ.
El potencial cero se utiliza para codificar cero, una unidad lógica se codifica por un potencial positivo o negativo, mientras que el potencial de cada unidad siguiente es opuesto al potencial de la anterior. Elimina parcialmente los problemas del componente constante y la falta de autosincronización. En el caso de transmitir una secuencia larga de unos, una secuencia de pulsos de diferente polaridad con el mismo espectro que el código NRZ transmitiendo una secuencia de pulsos alternos, es decir, sin componente constante y el armónico fundamental N/2. En general, el uso de AMI da como resultado un espectro más estrecho que NRZ y, por lo tanto, una mayor capacidad de enlace. Por ejemplo, al transmitir ceros y unos alternados, el armónico fundamental f0 tiene una frecuencia de N/4. Es posible reconocer transmisiones erróneas, pero para garantizar una recepción fiable es necesario un aumento de potencia de unos 3 dB, ya que se utilizan niveles de señal reales.
Código potencial con inversión en la unidad. (Sin retorno a cero con unos invertidos, NRZI) Código tipo AMI pero con dos niveles de señal. Al transferir cero se transmite el potencial del ciclo anterior, y al transferir uno se invierte el potencial al opuesto. El código es conveniente en los casos en que no se desee el uso del tercer nivel (cable óptico).
Se utilizan dos métodos para mejorar AMI, NRZI. El primero es agregar unidades redundantes al código. Aparece la propiedad de autosincronización, desaparece la componente constante y se estrecha el espectro, pero disminuye el ancho de banda útil.
Otro método es "mezclar" la información inicial de tal manera que la probabilidad de que aparezcan unos y ceros en la línea se acerque: codificación. Ambos métodos son de codificación lógica, ya que no determinan la forma de las señales en la línea.
Código de pulso bipolar. Un uno está representado por un impulso de una polaridad y un cero está representado por otra. Cada pulso dura medio ciclo.
El código tiene excelentes propiedades de temporización automática, pero puede haber un componente de CC al transmitir una secuencia larga de ceros o unos. El espectro es más amplio que el de los códigos potenciales.
código de Manchester. El código más común utilizado en redes Ethernet es Token Ring.
Cada compás se divide en dos partes. La información está codificada por posibles caídas que ocurren en la mitad del ciclo. Una unidad está codificada por una transición de menor a mayor, y un cero está codificado por un borde inverso. Al comienzo de cada ciclo, puede ocurrir un flanco de señal superior si es necesario representar varios 1 o 0 en una fila. El código tiene excelentes propiedades de sincronización automática. El ancho de banda es más estrecho que el de un pulso bipolar, no hay componente constante, y el armónico fundamental tiene una frecuencia de N en el peor de los casos, y N/2 en el mejor.
Código potencial 2B1Q. Cada dos bits se transmiten en un ciclo mediante una señal de cuatro estados. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Requerido fondos adicionales para tratar con largas secuencias de pares de bits idénticos. Con el intercalado aleatorio de bits, el espectro es dos veces más estrecho que el de NRZ, ya que a la misma tasa de bits se duplica el tiempo de ciclo, es decir, se pueden transmitir datos en la misma línea dos veces más rápido que usando AMI, NRZI, pero a se necesita una gran potencia de transmisión.
Codificación lógica
Diseñado para mejorar códigos potenciales como AMI, NRZI, 2B1Q, reemplazando largas secuencias de bits que conducen a un potencial constante, intercalado con unos. Se utilizan dos métodos: codificación redundante y codificación.
Códigos redundantes se basan en dividir la secuencia original de bits en porciones, que a menudo se denominan caracteres, después de lo cual cada carácter original se reemplaza por uno nuevo que tiene más bits que el original.
El código 4B/5B reemplaza secuencias de 4 bits con secuencias de 5 bits. Entonces, en lugar de combinaciones de 16 bits, se obtienen 32. De estos, se seleccionan 16 que no contienen una gran cantidad de ceros, el resto se consideran códigos prohibidos (violación de código). Además de eliminar la CC y hacer que el código se sincronice automáticamente, los códigos redundantes permiten que el receptor reconozca los bits corruptos. Si el receptor recibe códigos prohibidos, entonces la señal ha sido distorsionada en la línea.
Este código se transmite a través de la línea usando codificación física usando uno de los posibles métodos de codificación que es sensible solo a largas secuencias de ceros. El código garantiza que no habrá más de tres ceros seguidos en la línea. Hay otros códigos, como 8V/6T.
Para garantizar el ancho de banda especificado, el transmisor debe funcionar a una frecuencia de reloj aumentada (para 100 Mb/s - 125 MHz). El espectro de la señal se expande en comparación con el original, pero sigue siendo más estrecho que el espectro del código de Manchester.
Codificación: mezcla de datos con un codificador antes de transferirlos desde la línea.
Los métodos de aleatorización consisten en el cálculo bit a bit del código resultante a partir de los bits del código fuente y los bits del código resultante obtenidos en ciclos anteriores. Por ejemplo,
B i \u003d A i x o B i -3 x o B i -5,
donde B i es el dígito binario del código resultante obtenido en el i-ésimo ciclo del codificador, A i es el dígito binario del código fuente que llega al i-ésimo ciclo a la entrada del codificador, B i - 3 y B i -5 son los dígitos binarios del código resultante obtenido en los ciclos de trabajo anteriores.
Para la secuencia 110110000001, el codificador dará 110001101111, es decir, no habrá secuencia de seis ceros consecutivos.
Después de recibir la secuencia resultante, el receptor la pasará al decodificador, que aplicará la transformación inversa
C i \u003d B i x o B i-3 x o B i-5,
Los diferentes sistemas de codificación difieren en el número de términos y el cambio entre ellos.
Hay mas metodos simples combatir secuencias de ceros o unos, que también se conocen como métodos de codificación.
Para mejorar el IAM Bipolar se utilizan:
B8ZS (Bipolar con sustitución de 8 ceros): corrige solo secuencias que constan de 8 ceros.
Para ello, después de los primeros tres ceros, en lugar de los cinco restantes, inserta cinco señales V-1*-0-V-1*, donde V denota un uno prohibido para un ciclo de polaridad dado, es decir, una señal eso no cambia la polaridad del anterior, 1 * - una señal de una unidad de polaridad correcta, y el signo de asterisco marca el hecho de que en el código fuente en este ciclo no había una unidad, sino un cero. Como resultado, el receptor ve 2 distorsiones en 8 ciclos; es muy poco probable que esto suceda debido al ruido en la línea. Por lo tanto, el receptor trata tales violaciones como codificando 8 ceros consecutivos. En este código, el componente constante es cero para cualquier secuencia de dígitos binarios.
El código HDB3 corrige cuatro ceros consecutivos en la secuencia original. Cada cuatro ceros se sustituyen por cuatro señales que tienen una señal V. Para suprimir la componente continua, se invierte la polaridad de la señal V en cambios sucesivos. Además, se utilizan dos patrones de códigos de cuatro ciclos para el reemplazo. Si antes de reemplazar fuente contenía un número impar de unidades, entonces se usa la secuencia 000V, y si el número de unidades fuera par, la secuencia 1*00V.
Los códigos candidatos mejorados tienen un ancho de banda bastante estrecho para cualquier secuencia de ceros y unos que se produzca en los datos transmitidos.
La información inicial que debe transmitirse a través de una línea de comunicación puede ser discreta (datos de salida de computadora) o analógica (habla, imagen de televisión).
La transmisión de datos discretos se basa en el uso de dos tipos de codificación física:
a) modulación analógica, cuando la codificación se realiza cambiando los parámetros de una señal portadora sinusoidal;
b) codificación digital cambiando los niveles de la secuencia de pulsos de información rectangulares.
La modulación analógica conduce a un espectro mucho más pequeño de la señal resultante que con la codificación digital, a la misma tasa de transferencia de información, pero su implementación requiere equipos más complejos y costosos.
Actualmente, los datos originales, que tienen forma analógica, se transmiten cada vez más a través de canales de comunicación en forma discreta (en forma de una secuencia de unos y ceros), es decir, se realiza una modulación discreta de señales analógicas.
modulación analógica. Se utiliza para transmitir datos discretos a través de canales con un ancho de banda estrecho, un representante típico de los cuales es un canal de frecuencia de voz proporcionado a los usuarios de redes telefónicas. Por este canal se transmiten señales con una frecuencia de 300 a 3400 Hz, es decir, su ancho de banda es de 3100 Hz. Tal banda es suficiente para la transmisión de voz con una calidad aceptable. La limitación del ancho de banda del canal de tonos está asociada con el uso de equipos de multiplexación y conmutación de circuitos en las redes telefónicas.
Antes de la transmisión de datos discretos en el lado transmisor utilizando un modulador-demodulador (módem) se lleva a cabo la modulación de la sinusoide portadora de la secuencia original de dígitos binarios. La conversión inversa (demodulación) la realiza el módem receptor.
Hay tres formas de convertir datos digitales a formato analógico, o tres métodos de modulación analógica:
Modulación de amplitud, cuando solo cambia la amplitud de la portadora de oscilaciones sinusoidales de acuerdo con la secuencia de bits de información transmitidos: por ejemplo, cuando se transmite uno, la amplitud de oscilación se establece en grande, y cuando se transmite cero, es pequeño, o hay ninguna señal portadora en absoluto;
Modulación de frecuencia, cuando bajo la influencia de señales de modulación (bits de información transmitidos) solo cambia la frecuencia portadora de oscilaciones sinusoidales: por ejemplo, cuando se transmite cero, es bajo, y cuando se transmite uno, es alto;
Modulación de fase, cuando, de acuerdo con la secuencia de bits de información transmitidos, solo cambia la fase del portador de oscilaciones sinusoidales: al cambiar de la señal 1 a la señal 0 o viceversa, la fase cambia en 180 °. En su forma pura, la modulación de amplitud rara vez se usa en la práctica debido a la baja inmunidad al ruido. La modulación de frecuencia no requiere circuitos complejos en los módems y normalmente se usa en módems de baja velocidad que funcionan a 300 o 1200 bps. El aumento de la tasa de datos se proporciona mediante el uso de métodos de modulación combinados, más a menudo modulación de amplitud en combinación con fase.
El método analógico de transmisión discreta de datos proporciona transmisión de banda ancha mediante el uso de señales de diferentes frecuencias portadoras en un canal. Esto garantiza la interacción de un gran número de suscriptores (cada par de suscriptores opera en su propia frecuencia).
Codificación digital. Al codificar digitalmente información discreta, se utilizan dos tipos de códigos:
a) códigos potenciales cuando presentar unidades de información y ceros, solo se aplica el valor del potencial de la señal, y sus caídas no se tienen en cuenta;
b) códigos de pulso, cuando los datos binarios están representados por pulsos de cierta polaridad o por caídas de potencial de cierta dirección.
Se imponen los siguientes requisitos a los métodos de codificación digital de información discreta cuando se utilizan pulsos rectangulares para representar señales binarias:
Garantizar la sincronización entre el transmisor y el receptor;
Garantizar el ancho de espectro más pequeño de la señal resultante a la misma tasa de bits (ya que un espectro de señales más estrecho permite
las redes con el mismo ancho de banda alcanzan velocidades más altas
transmisión de datos);
Capacidad para reconocer errores en los datos transmitidos;
Costo de implementación relativamente bajo.
Por medio de la capa física solo se realiza el reconocimiento de datos corrompidos (detección de errores), lo que ahorra tiempo, ya que el receptor, sin esperar a que la trama recibida se coloque por completo en el búfer, inmediatamente la rechaza cuando reconoce datos erróneos. bits en el cuadro. Una operación más compleja, la corrección de datos corruptos, la realizan protocolos de nivel superior: canal, red, transporte o aplicación.
La sincronización del transmisor y el receptor es necesaria para que el receptor sepa exactamente cuándo leer los datos entrantes. Las señales de reloj sintonizan el receptor con el mensaje transmitido y mantienen el receptor sincronizado con los bits de datos entrantes. El problema de sincronización se resuelve fácilmente cuando se transmite información a distancias cortas (entre bloques dentro de una computadora, entre una computadora y una impresora) utilizando una línea de comunicación de tiempo separada: la información se lee solo en el momento en que llega el siguiente pulso de reloj. En las redes informáticas, el uso de pulsos de reloj se abandona por dos razones: en aras de ahorrar conductores en cables costosos y debido a la heterogeneidad de las características de los conductores en cables (en largas distancias la velocidad desigual de propagación de las señales puede conducir a la desincronización de los pulsos de reloj en la línea de tiempo y los pulsos de información en la línea principal, como resultado de lo cual se omitirá o se volverá a leer un bit de datos).
Actualmente, la sincronización del transmisor y el receptor en las redes se logra mediante el uso de códigos de autosincronización (SC). La codificación de los datos transmitidos usando el SC es para asegurar cambios regulares y frecuentes (transiciones) de los niveles de la señal de información en el canal. Cada transición de nivel de señal de alto a bajo o viceversa se usa para ajustar el receptor. Los mejores son aquellos SC que brindan una transición de nivel de señal al menos una vez durante el intervalo de tiempo requerido para recibir un bit de información. Cuanto más frecuentes sean las transiciones del nivel de la señal, más fiable será la sincronización del receptor y más segura será la identificación de los bits de datos recibidos.
Estos requisitos para los métodos de codificación digital de información discreta son contradictorios entre sí hasta cierto punto, por lo tanto, cada uno de los métodos de codificación considerados a continuación tiene sus ventajas y desventajas en comparación con otros.
Códigos de autosincronización. Los más comunes son los siguientes SC:
Código potencial sin retorno a cero (NRZ - Non Return to Zero);
código de pulso bipolar (código RZ);
código de Manchester;
Código bipolar con inversión de niveles alternos.
En la fig. 32 muestra los esquemas de codificación para el mensaje 0101100 utilizando estos CK.
Para la caracterización y evaluación comparativa SC utiliza los siguientes indicadores:
Nivel (calidad) de sincronización;
Confiabilidad (confianza) de reconocimiento y selección de bits de información recibidos;
La tasa de cambio requerida del nivel de la señal en la línea de comunicación cuando se utiliza el SC, si se establece el ancho de banda de la línea;
La complejidad (y por ende el costo) del equipo que implementa el SC.
El código NRZ es fácil de codificar y de bajo costo para implementar. Recibió tal nombre porque al transmitir una serie de bits del mismo nombre (unos o ceros), la señal no vuelve a cero durante el ciclo, como ocurre en otros métodos de codificación. El nivel de la señal permanece sin cambios para cada serie, lo que reduce significativamente la calidad de la sincronización y la confiabilidad del reconocimiento de los bits recibidos (el temporizador del receptor puede desalinearse con la señal entrante y puede ocurrir un sondeo inoportuno de las líneas).
Para el código N^, se cumplen las siguientes relaciones:
donde VI es la tasa de cambio del nivel de la señal en la línea de comunicación (baudios);
Y2 - rendimiento de la línea de comunicación (bit / s).
Además de que este código no tiene la propiedad de autosincronización, también tiene otro grave inconveniente: la presencia de un componente de baja frecuencia que se aproxima a cero cuando transmite largas tiradas de unos o ceros. Como resultado, el código NRZ en su forma pura no se usa en las redes. Se aplican sus diversas modificaciones, en las que se elimina la mala autosincronización del código y la presencia de un componente constante.
El código RZ, o código de pulso bipolar (código de retorno a cero), se diferencia en que durante la transmisión de un bit de información, el nivel de la señal cambia dos veces, independientemente de si se trata de una serie de bits del mismo nombre o de bits alternos. transmitido. Una unidad está representada por un impulso de una polaridad y un cero está representado por otra. Cada pulso dura medio ciclo. Dicho código tiene excelentes propiedades de autosincronización, pero el costo de su implementación es bastante alto, ya que es necesario garantizar la relación
El espectro de un código RZ es más amplio que el de los códigos potenciales. Debido a su espectro demasiado amplio, rara vez se usa.
El código Manchester proporciona un cambio en el nivel de la señal al presentar cada bit, y al transmitir una serie de bits del mismo nombre, un doble cambio. Cada compás se divide en dos partes. La información está codificada por caídas potenciales que ocurren en medio de cada ciclo. Una unidad se codifica mediante una transición de menor a mayor y un cero se codifica mediante una transición inversa. La relación de velocidad para este código es:
El código Manchester tiene buenas propiedades de sincronización automática, ya que la señal cambia al menos una vez por ciclo de transmisión de un bit de datos. Su ancho de banda es más estrecho que el del código RZ (una vez y media en promedio). En contraste con el código de pulso bipolar, donde se utilizan tres niveles de señal para la transmisión de datos (lo que a veces es muy indeseable, por ejemplo, solo dos estados se reconocen consistentemente en los cables ópticos: luz y oscuridad), el código Manchester tiene dos niveles.
El código Manchester se usa ampliamente en las tecnologías Ethernet y Token Ring.
El código bipolar de inversión de nivel alternativo (código AMI) es una modificación del código NRZ. Utiliza tres niveles de potencial: negativo, cero y positivo. La unidad está codificada por un potencial positivo o negativo. El potencial cero se utiliza para codificar cero. El código tiene buenas propiedades de sincronización al transmitir series de unidades, ya que el potencial de cada nueva unidad es opuesto al potencial de la anterior. Al transmitir series de ceros, no hay sincronización. El código AMI es relativamente fácil de implementar. Para él 
Cuando se transmiten varias combinaciones de bits en la línea, el uso del código AMI conduce a un espectro de señal más estrecho que el del código NRZ y, por lo tanto, a un mayor rendimiento de la línea.
Tenga en cuenta que los códigos de potencial mejorados (código Manchester actualizado y código AMI) tienen un espectro más estrecho que los códigos de impulso, por lo que se utilizan en tecnologías de alta velocidad, como FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.
Modulación discreta de señales analógicas. Como ya se señaló, una de las tendencias en el desarrollo de la moderna Red de computadoras es su digitalización, es decir, la transmisión digital de señales de cualquier naturaleza. Las fuentes de estas señales pueden ser computadoras (para datos discretos) o dispositivos como teléfonos, videocámaras, equipos de video y audio (para datos analógicos). Hasta hace poco tiempo (antes de la llegada de las redes de comunicación digital), en las redes territoriales todo tipo de datos se transmitían en forma analógica, y los datos informáticos, de naturaleza discreta, se convertían en forma analógica mediante módems.
Sin embargo, la transmisión de información en forma analógica no mejora la calidad de los datos recibidos si hubo una distorsión significativa durante la transmisión. Por lo tanto, la técnica analógica para grabar y transmitir sonido e imágenes ha sido reemplazada por tecnología digital, que utiliza modulación discreta de señales analógicas.
La modulación discreta se basa en el muestreo de señales continuas tanto en amplitud como en tiempo. Uno de los métodos más utilizados para convertir señales analógicas en digitales es la modulación de código de pulso (PCM), propuesta en 1938 por A.Kh. Reeves (Estados Unidos).
Cuando se usa PCM, el proceso de conversión incluye tres etapas: mapeo, cuantificación y codificación (Fig. 33).
La primera etapa es la exhibición. La amplitud de la señal continua original se mide con un período dado, debido a que se produce la discretización del tiempo. En esta etapa, la señal analógica se convierte en señales de modulación de amplitud de pulso (PAM). La ejecución de la etapa se basa en la teoría de mapeo de Nyquist-Kotelnikov, cuya posición principal es: si la señal analógica se muestra (es decir, se representa como una secuencia de sus valores de tiempo discreto) en un intervalo regular con una frecuencia de al menos el doble de la frecuencia del espectro armónico más alto de la señal continua original, entonces la pantalla contendrá información suficiente para restaurar la señal original. En telefonía analógica, se elige el rango de 300 a 3400 Hz para la transmisión de voz, que es suficiente para una transmisión de alta calidad de todos los principales armónicos de los interlocutores. Por lo tanto, en las redes digitales donde se implementa el método PCM para la transmisión de voz, se adopta una frecuencia de visualización de 8000 Hz (esto es más de 6800 Hz, lo que proporciona cierto margen de calidad).
En el paso de cuantificación, a cada señal IAM se le asigna un valor cuantificado correspondiente al nivel de cuantificación más cercano. El rango completo de variación de amplitud de la señal IAM se divide en 128 o 256 niveles de cuantificación. Cuantos más niveles de cuantificación, con mayor precisión se representa la amplitud de la señal IAM mediante el nivel cuantificado.
En la etapa de codificación, a cada mapeo cuantificado se le asigna un código binario de 7 bits (si el número de niveles de cuantificación es 128) u 8 bits (si el número de niveles de cuantificación es 128). En la fig. 33 muestra las señales del código binario de 8 elementos 00101011 correspondiente a una señal cuantificada con nivel 43. Al codificar con códigos de 7 elementos, la tasa de datos sobre el canal debe ser de 56 Kbps (este es el producto de la frecuencia de visualización y la profundidad de bits del código binario), y al codificar códigos de 8 elementos - 64 Kbps. El estándar es un canal digital de 64 kbit/s, también llamado canal elemental de las redes telefónicas digitales.
El dispositivo que realiza estos pasos de convertir un valor analógico en un código digital se denomina convertidor de analógico a digital (ADC). En el lado receptor, mediante un convertidor de digital a analógico (DAC), se realiza una conversión inversa, es decir, se demodulan las amplitudes digitalizadas de una señal continua, la original función continua tiempo.
En las modernas redes de comunicación digital también se utilizan otros métodos de modulación discreta, que permiten representar las mediciones de voz de forma más compacta, por ejemplo, como una secuencia de números de 4 bits. También se utiliza el concepto de convertir señales analógicas en digitales, en el que no se cuantifican ni codifican las señales IAM en sí mismas, sino solo sus cambios, y se supone que el número de niveles de cuantificación es el mismo. Es obvio que tal concepto permite la conversión de señales con mayor precisión.
Los métodos digitales para grabar, reproducir y transmitir información analógica brindan la capacidad de controlar la confiabilidad de los datos leídos de un portador o recibidos a través de una línea de comunicación. Para este propósito, se utilizan los mismos métodos de control que para los datos informáticos (ver 4.9).
La transmisión de una señal continua en forma discreta impone requisitos estrictos en la sincronización del receptor. Si no se observa la sincronización, la señal original se restablece incorrectamente, lo que provoca la distorsión de la voz o la imagen transmitida. Si los cuadros con medidas de voz (u otros valores analógicos) llegan sincrónicamente, la calidad de la voz puede ser bastante alta. Sin embargo, en las redes informáticas, las tramas pueden retrasarse tanto en los nodos finales como en los dispositivos de conmutación intermedios (puentes, conmutadores, enrutadores), lo que afecta negativamente la calidad de la transmisión de voz. Por lo tanto, para la transmisión de alta calidad de señales continuas digitalizadas, las redes digitales especiales (ISDN, ATM, redes televisión digital), aunque las redes Frame Relay se siguen utilizando para transmitir conversaciones telefónicas intraempresariales, ya que los retardos de transmisión de tramas en ellas se encuentran dentro de límites aceptables.
Plan
Tabla 1.
Tabla comparativa de uso de LED y láser semiconductor
El extremo receptor de un cable óptico es un fotodiodo que genera un pulso eléctrico cuando la luz incide sobre él.
Para la transmisión de datos discretos a través de líneas de comunicación con una banda de frecuencia estrecha, modulación analógica. Un representante típico de tales líneas es una línea de comunicación de frecuencia de voz puesta a disposición de los usuarios de redes telefónicas públicas. Este enlace transmite señales análogas en el rango de frecuencia de 300 a 3400 Hz (por lo tanto, el ancho de banda de la línea es de 3100 Hz). Limitación estricta del ancho de banda de las líneas de comunicación en este caso asociados al uso de equipos de multiplexación y conmutación de circuitos en redes telefónicas.
Un dispositivo que realiza las funciones de modular una sinusoide portadora en el lado transmisor y demodular en el lado receptor se denomina módem (modulador-demodulador).
La modulación analógica es un método de codificación física en el que la información se codifica cambiando amplitudes, frecuencias o etapas una señal sinusoidal de la frecuencia portadora. En Amplitud modulada para uno lógico, se selecciona un nivel de la amplitud de la sinusoide de la frecuencia portadora, y para un cero lógico, otro. Este método rara vez se usa en la práctica en su forma pura debido a la baja inmunidad al ruido, pero a menudo se usa en combinación con otros tipos de modulación. En modulación de frecuencia los valores 0 y 1 de los datos originales son transmitidos por sinusoides con diferentes frecuencias . Este método de modulación no requiere complejos circuitos electrónicos en módems y normalmente se usa en módems de baja velocidad que funcionan a 300 o 1200 bps. En modulación de fase Los valores de datos 0 y 1 corresponden a señales de la misma frecuencia pero diferente fase, como 0 y 180 grados o 0, 90, 180 y 270 grados. En los módems de alta velocidad, los métodos de modulación combinados a menudo se usan, como regla general, amplitud en combinación con fase. Los métodos de modulación combinados se utilizan para aumentar la tasa de datos. Los métodos más comunes son modulación de amplitud de cuadratura-QAM). Estos métodos se basan en una combinación de modulación de fase con 8 valores de cambio de fase y modulación de amplitud con 4 niveles de amplitud. Sin embargo, no se utilizan todas las 32 combinaciones de señales posibles. Esta redundancia de codificación es necesaria para que el módem reconozca las señales erróneas, que son el resultado de la distorsión debida a la interferencia, que en los canales telefónicos (especialmente los conmutados) son muy importantes en amplitud y largos en el tiempo.
En codificación digital se utiliza información discreta potencial Y impulso códigos. EN potencial En los códigos, solo se utiliza el valor del potencial de la señal para representar unos y ceros lógicos, y no se tienen en cuenta sus caídas, que forman pulsos completos. Legumbres Los códigos permiten que los datos binarios se representen ya sea por pulsos de cierta polaridad o por una parte del pulso, una caída potencial de cierta dirección.
Cuando se utilizan pulsos rectangulares para transmitir información discreta, es necesario elegir un método de codificación que lograría simultáneamente varios objetivos: a la misma tasa de bits, tener el menor ancho de espectro de la señal resultante; sincronización proporcionada entre el transmisor y el receptor; tenía la capacidad de reconocer errores; tuvo un bajo costo de implementación.
Un espectro de señal más estrecho le permite lograr una tasa de transferencia de datos más alta en la misma línea (con el mismo ancho de banda). La sincronización del transmisor y el receptor es necesaria para que el receptor sepa exactamente en qué momento es necesario leer nueva información de la línea de comunicación. Este problema es más difícil de resolver en redes que cuando se comunican entre dispositivos muy próximos, como entre dispositivos dentro de una computadora o entre una computadora y una impresora. A distancias cortas, un esquema basado en una línea de comunicación de reloj separada funciona bien, y la información se elimina de la línea de datos solo en el momento en que llega un pulso de reloj. En redes, el uso de este esquema genera dificultades debido a la heterogeneidad de las características de los conductores en los cables. En largas distancias, las fluctuaciones de la velocidad de la señal pueden hacer que el reloj llegue tan tarde o demasiado temprano para la señal de datos correspondiente que un bit de datos se salta o se vuelve a leer. Otra razón por la que las redes se niegan a usar pulsos de reloj es para ahorrar conductores en cables costosos. Por lo tanto, las redes utilizan los llamados códigos de sincronización automática, cuyas señales llevan indicaciones para el transmisor en qué momento es necesario reconocer el siguiente bit (o varios bits, si el código está orientado a más de dos estados de señal). Cualquier caída brusca en la señal - la llamada frente- puede servir como una buena indicación para la sincronización del receptor con el transmisor. Cuando se utilizan sinusoides como señal portadora, el código resultante tiene la propiedad de autosincronización, ya que un cambio en la amplitud de la frecuencia portadora permite al receptor determinar el momento en que aparece el código de entrada.
El reconocimiento y la corrección de datos distorsionados es difícil de implementar por medio de la capa física, por lo tanto, la mayoría de las veces este trabajo lo realizan los protocolos que se encuentran arriba: canal, red, transporte o aplicación. Por otro lado, la detección de errores nivel físico ahorra tiempo, ya que el receptor no espera a que la trama se almacene en el búfer por completo, sino que la rechaza inmediatamente al reconocer los bits erróneos dentro de la trama.
Los requisitos para los métodos de codificación son contradictorios entre sí, por lo que cada uno de los métodos de codificación digital populares que se analizan a continuación tiene sus propias ventajas y desventajas en comparación con otros.
Uno de los métodos más simples. potencial la codificación es código de potencial unipolar, también llamado codificación sin volver a cero (Non Return to Zero-NRZ) (fig.7.1.a). El apellido refleja el hecho de que cuando se transmite una secuencia de unos, la señal no vuelve a cero durante el ciclo. El método NRZ tiene una buena detección de errores (debido a dos potenciales muy diferentes), pero no tiene la propiedad de autosincronización. Al transmitir una secuencia larga de unos o ceros, la señal de línea no cambia, por lo que el receptor no tiene la capacidad de determinar por señal de entrada puntos en el tiempo cuando necesita leer los datos nuevamente. Incluso con un generador de reloj de alta precisión, el receptor puede cometer un error con el momento de la adquisición de datos, ya que las frecuencias de los dos generadores casi nunca son completamente idénticas. Por lo tanto, a altas velocidades de datos y largas secuencias de unos o ceros, una pequeña falta de coincidencia de las frecuencias de reloj puede provocar un error en un ciclo completo y, en consecuencia, leer un valor de bit incorrecto.
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Arroz. 7.1. Métodos de codificación de datos binarios: a-potencial unipolar
código social; b- código de potencial bipolar; V- im- unipolar
código de pulso; GRAMO -código de pulso bipolar; d-código "Mánchester";
mi- código potencial con cuatro niveles de señal.
Otra seria desventaja del método NRZ es la presencia de un componente de baja frecuencia que se aproxima a cero cuando se transmiten largas secuencias de unos o ceros. Debido a esto, muchas líneas de comunicación que no brindan una conexión galvánica directa entre el receptor y la fuente no admiten este tipo de codificación. Como resultado, el código NRZ en su forma pura no se usa en las redes, pero se usan sus diversas modificaciones, en las que se eliminan tanto la autosincronización deficiente del código NRZ como la presencia de un componente constante.
Una de las modificaciones del método NRZ es el método codificación de potencial bipolar con inversión alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion-IAM). En este método ( arroz. 7.1.b) se utilizan tres niveles potenciales: negativo, cero y positivo. Para codificar un cero lógico, se utiliza un potencial cero y una unidad lógica se codifica por un potencial positivo o negativo (en este caso, el potencial de cada nueva unidad es opuesto al potencial de la anterior). El código AMI elimina parcialmente el DC y la falta de problemas de sincronización automática inherentes al código NRZ. Esto sucede cuando se envían largas secuencias de unos. En estos casos, la señal en la línea es una secuencia de pulsos bipolares con el mismo espectro que el código NRZ que transmiten ceros y unos alternados, es decir, sin componente constante y con un armónico fundamental de N/2 Hz (donde N es la tasa de bits de datos). Las secuencias largas de ceros también son peligrosas para el código AMI, así como para el código NRZ: la señal degenera en un potencial constante de amplitud cero. En general, para diferentes combinaciones de bits en la línea, el uso del código AMI conduce a un espectro de señal más estrecho que para el código NRZ y, por lo tanto, a un mayor rendimiento de la línea. Por ejemplo, al transmitir unos y ceros alternados, el armónico fundamental f 0 tiene una frecuencia de N/4 Hz. El código AMI también proporciona algunas funciones para reconocer señales erróneas. Así, una violación de la alternancia estricta de la polaridad de las señales indica un impulso falso o la desaparición de un impulso correcto de la línea. Una señal con polaridad incorrecta se llama señal prohibida (violación de señal). Dado que el código AMI utiliza no dos, sino tres niveles de señal por línea, el nivel adicional requiere un aumento en la potencia del transmisor para proporcionar la misma fidelidad de bits en la línea, lo cual es una desventaja general de los códigos con múltiples estados de señal en comparación con los códigos que solo distinguir dos estados.
Los métodos más simples impulsivo las codificaciones son código de pulso unipolar, en el que uno está representado por el impulso y cero está representado por su ausencia ( arroz. 7.1c), Y código de pulso bipolar, en el que la unidad está representada por un pulso de una polaridad, y el cero es la otra ( arroz. 7,1g). Cada pulso dura medio ciclo. El código de pulso bipolar tiene buenas propiedades de sincronización automática, pero puede estar presente un componente de pulso de CC, por ejemplo, cuando se transmite una secuencia larga de unos o ceros. Además, su espectro es más amplio que el de los códigos potenciales. Entonces, al transmitir todos ceros o unos, la frecuencia del armónico fundamental del código será igual a N Hz, que es dos veces mayor que el armónico fundamental del código NRZ y cuatro veces mayor que el armónico fundamental del código AMI. al transmitir alternando unos y ceros. Debido al espectro demasiado amplio, el código de pulso bipolar rara vez se usa.
En las redes locales, hasta hace poco tiempo, el método de codificación más común era el llamado " código de Manchester"(arroz. 7.1d). En el código Manchester, se utiliza una caída de potencial, es decir, el frente del pulso, para codificar unos y ceros. En la codificación Manchester, cada reloj se divide en dos partes. La información está codificada por caídas potenciales que ocurren en medio de cada ciclo. Una unidad se codifica mediante una transición de menor a mayor y un cero se codifica mediante una transición inversa. Al comienzo de cada ciclo, puede ocurrir un borde de señal de servicio si necesita representar varios unos o ceros seguidos. Dado que la señal cambia al menos una vez por ciclo de transmisión de un bit de datos, el código Manchester tiene buenas propiedades de sincronización automática. El ancho de banda del código Manchester es más estrecho que el del pulso bipolar. Tampoco tiene componente constante, y el armónico fundamental en el peor de los casos (al transmitir una secuencia de unos o ceros) tiene una frecuencia de N Hz, y en el mejor de los casos (al transmitir unos y ceros alternados) es igual a N/2 Hz, como en los códigos AMI o NRZ. En promedio, el ancho de banda del código Manchester es una vez y media más estrecho que el del código de pulso bipolar, y el armónico fundamental oscila alrededor de 3N/4. Otra ventaja del código Manchester es que tiene solo dos niveles de señal, mientras que el código de pulso bipolar tiene tres.
También hay códigos potenciales con un número grande niveles de señal para la codificación de datos. Se muestra como un ejemplo ( figura 7.1e) código potencial 2B1Q con cuatro niveles de señal para la codificación de datos. En este código, cada dos bits se transmiten en un ciclo por una señal que tiene cuatro estados. Un par de bits "00" corresponde a un potencial de -2,5 V, un par de bits "01" - un potencial de -0,833 V, un par de bits "11" - un potencial de +0,833 V y un par de bits bits "10" - un potencial de +2,5 V. Este método de codificación requiere medidas adicionales para tratar secuencias largas de pares de bits idénticos, ya que entonces la señal se convierte en un componente constante. Con el intercalado de bits aleatorio, el espectro de la señal es dos veces más estrecho que el del código NRZ (a la misma tasa de bits, el tiempo de ciclo se duplica). Por lo tanto, utilizando el código 2B1Q presentado, es posible transferir datos a través de la misma línea el doble de rápido que utilizando el código AMI. Sin embargo, para su implementación, la potencia del transmisor debe ser mayor para que el receptor distinga claramente los cuatro niveles en el contexto de la interferencia.
Para mejorar códigos potenciales como AMI y 2B1Q, codificación lógica. La codificación lógica está diseñada para reemplazar largas secuencias de bits, lo que lleva a un potencial constante, intercalado con unos. Dos métodos son característicos de la codificación lógica: códigos redundantes y codificación.
Códigos redundantes se basan en dividir la secuencia original de bits en porciones, que a menudo se denominan caracteres. Luego, cada carácter original se reemplaza por uno nuevo que tiene más bits que el original. Por ejemplo, un código lógico 4B/5B reemplaza los caracteres originales de 4 bits con caracteres de 5 bits. Dado que los símbolos resultantes contienen bits redundantes, el número total de combinaciones de bits en ellos es mayor que en los originales. Entonces, en el código 4B / 5B, los símbolos resultantes pueden contener combinaciones de 32 bits, mientras que los símbolos originales, solo 16. Por lo tanto, en el código resultante, puede seleccionar 16 de esas combinaciones que no contienen una gran cantidad de ceros, y cuenta el resto códigos prohibidos (violación del código). Además de eliminar la CC y hacer que el código se sincronice automáticamente, los códigos redundantes permiten que el receptor reconozca los bits corruptos. Si el receptor recibe un código prohibido, significa que la señal ha sido distorsionada en la línea. El código de 4V/5V se transmite a través de la línea usando codificación física usando uno de los posibles métodos de codificación que es sensible solo a largas secuencias de ceros. Los símbolos de código 4V/5V, de 5 bits de longitud, garantizan que no pueden aparecer más de tres ceros seguidos en la línea para cualquier combinación de ellos. La letra B en el nombre del código significa que la señal elemental tiene 2 estados (del inglés binario - binario). También existen códigos con tres estados de señal, por ejemplo, en el código 8B/6T, para codificar 8 bits de información inicial se utiliza un código de 6 señales, cada una de las cuales tiene tres estados. La redundancia del código 8B/6T es mayor que la del código 4B/5B, ya que hay 729 (3 elevado a 6) símbolos resultantes para 256 códigos fuente. El uso de la tabla de búsqueda es una operación muy simple, por lo que este enfoque no complica adaptadores de red y bloques de interfaz de conmutadores y enrutadores (ver secciones 9,11).
Para proporcionar una capacidad de línea determinada, un transmisor que utilice un código redundante debe operar a una frecuencia de reloj mayor. Entonces, para transmitir códigos de 4V/5V a una velocidad de 100 Mbps, el transmisor debe operar a una frecuencia de reloj de 125 MHz. En este caso, el espectro de la señal en la línea se amplía en comparación con el caso en el que se transmite un código puro, no redundante, a través de la línea. Sin embargo, el espectro del código potencial redundante resulta ser más estrecho que el espectro del código Manchester, lo que justifica la etapa adicional de codificación lógica, así como el funcionamiento del receptor y el transmisor a una frecuencia de reloj aumentada.
Otra forma de codificación lógica se basa en la "mezcla" preliminar de la información inicial de tal manera que las probabilidades de aparición de unos y ceros en la línea se acerquen. Los dispositivos o bloques que realizan esta operación se denominan codificadores(revoltijo - volcado, asamblea desordenada). En pelea se utiliza un algoritmo bien conocido, por lo que el receptor, habiendo recibido datos binarios, los transmite a decodificador, que restaura la secuencia de bits original. El exceso de bits no se transmite por la línea. La redundancia potencial mejorada y los códigos codificados se utilizan en los sistemas modernos de alta velocidad. tecnologías de red en lugar de "Manchester" y codificación de pulso bipolar.
7.6. Tecnologías de multiplexación de líneas de comunicación
Para multiplexación("compactación") de las líneas de comunicación, se utilizan varias tecnologías. Tecnología frecuenciamultiplexación(Multiplexación por división de frecuencia - FDM) se desarrolló originalmente para redes telefónicas, pero también se usa para otros tipos de redes, como las redes de televisión por cable. Esta tecnología supone la transferencia de las señales de cada canal de abonado a su propio rango de frecuencia y la transmisión simultánea de señales de varios canales de abonado en una línea de comunicación de banda ancha. Por ejemplo, las entradas de un conmutador FDM reciben señales iniciales de los suscriptores de la red telefónica. El interruptor realiza una traducción de frecuencia de cada canal en su propia banda de frecuencia. Normalmente, el rango de alta frecuencia se divide en bandas que se asignan para la transmisión de datos de los canales de abonado. En la línea de comunicación entre dos conmutadores FDM, las señales de todos los canales de abonado se transmiten simultáneamente, pero cada uno de ellos ocupa su propia banda de frecuencia. El conmutador FDM de salida separa las señales moduladas de cada frecuencia portadora y las transmite al canal de salida correspondiente al que está conectado directamente el teléfono de abonado. Los conmutadores FDM pueden realizar tanto conmutación dinámica como permanente. En la conmutación dinámica, un suscriptor inicia una conexión con otro suscriptor enviando el número de suscriptor llamado a la red. El interruptor asigna dinámicamente a este suscriptor uno de los carriles libres. Con un cambio constante, la banda se asigna al suscriptor durante mucho tiempo. El principio de conmutación basado en la división de frecuencia permanece sin cambios en redes de un tipo diferente, solo cambian los límites de las bandas asignadas a un canal de abonado separado, así como su número.
Tecnología de multiplexacióntiempo compartido(Multiplexación por división de tiempo - TDM) o temporario multiplexación se basa en el uso de equipos TDM (multiplexores, conmutadores, demultiplexores) que funcionan en el modo de tiempo compartido, dando servicio a todos los canales de abonados por turnos durante un ciclo. A cada conexión se le asigna un segmento de tiempo del ciclo de operación del hardware, también llamado franja horaria. La duración de la franja horaria depende del número de canales de abonados atendidos por el equipo. Las redes TDM pueden admitir dinámica, o constante conmutación y, a veces, ambos modos.
Redes con conmutación dinámica requieren un procedimiento preliminar para establecer una conexión entre suscriptores. Para ello, la dirección del abonado llamado se transmite a la red, que pasa por los conmutadores y los configura para la posterior transmisión de datos. La solicitud de conexión se enruta de un conmutador a otro y finalmente llega a la parte llamada. La red puede negarse a establecer una conexión si la capacidad del canal de salida requerido ya se ha agotado. Para un conmutador FDM, la capacidad de salida es igual al número de bandas de frecuencia, y para un conmutador TDM, es igual al número de intervalos de tiempo en los que se divide el ciclo de operación del canal. La red también rechaza la conexión si el suscriptor solicitado ya ha establecido una conexión con otra persona. En el primer caso, dicen que el conmutador está ocupado y, en el segundo, el suscriptor. La posibilidad de que falle la conexión es una desventaja del método de conmutación de circuitos. Si se puede establecer una conexión, se le asigna un ancho de banda fijo en redes FDM o un ancho de banda fijo en redes TDM. Estos valores permanecen sin cambios durante todo el período de conexión. El rendimiento garantizado de la red después de que se establece una conexión es una característica importante requerida para aplicaciones como la transmisión de voz y video o el control de objetos en tiempo real.
Si solo hay un canal de comunicación físico, por ejemplo, al intercambiar datos usando módems a través de red telefonica, el modo de operación dúplex se organiza sobre la base de dividir el canal en dos subcanales lógicos utilizando tecnologías FDM o TDM. Cuando se utiliza la tecnología FDM, los módems para organizar el funcionamiento dúplex en una línea de dos hilos funcionan a cuatro frecuencias (dos frecuencias, para codificar unos y ceros al transmitir datos en una dirección, y las otras dos frecuencias, para codificar al transmitir en la dirección opuesta ). En la tecnología TDM, algunos intervalos de tiempo se utilizan para transferir datos en una dirección y otros se utilizan para transferir datos en la otra dirección. Por lo general, se alternan intervalos de tiempo de direcciones opuestas.
En los cables de fibra óptica para la organización de la operación dúplex cuando se usa solo una fibra óptica, la transmisión de datos en una dirección se lleva a cabo utilizando un haz de luz de una longitud de onda y en la dirección opuesta, una longitud de onda diferente. Esta tecnología está esencialmente relacionada con el método FDM, pero para los cables de fibra óptica se denomina tecnologías de multiplexación de longitud de onda(Multiplexación por división de onda - WDM) o ola multiplexación.
Tecnologíaola densamultiplexación (espectral)(Multiplexación por división de onda densa - DWDM) está diseñado para crear una nueva generación de backbones ópticos que operan a velocidades de varios gigabits y terabits. Tal salto cualitativo en el rendimiento se debe al hecho de que la información en una fibra óptica se transmite simultáneamente por una gran cantidad de ondas de luz. Las redes DWDM funcionan según el principio de conmutación de circuitos, donde cada onda de luz representa un canal espectral separado y transporta su propia información. Una de las principales ventajas de la tecnología DWDM es un aumento significativo en el factor de utilización del potencial de frecuencia de la fibra óptica, cuyo ancho de banda teórico es de 25.000 GHz.
Resumen
En los sistemas de telecomunicaciones modernos, la información se transmite a través de ondas electromagnéticas: señales eléctricas, luminosas o de radio.
Las líneas de comunicación, dependiendo del tipo de medio físico para la transmisión de información, pueden ser cableadas (alámbricas) o inalámbricas. Como líneas de comunicación, se utilizan cables telefónicos basados en conductores paralelos no trenzados, cables coaxiales, cables basados en pares de conductores trenzados (sin blindaje y blindados), cables de fibra óptica. Los más eficaces en la actualidad y prometedores en un futuro próximo son los cables basados en pares de conductores trenzados y los cables de fibra óptica. Las líneas de comunicación inalámbrica se implementan con mayor frecuencia mediante la transmisión de señales de radio en varias bandas de ondas de radio. La tecnología de transmisión de datos inalámbrica por infrarrojos utiliza parte del espectro electromagnético entre la luz visible y las microondas más cortas. La más rápida y resistente al ruido es la tecnología láser de comunicación inalámbrica.
Las principales características de las líneas de comunicación son la respuesta en frecuencia, el ancho de banda y la atenuación a una determinada frecuencia.
El rendimiento de una línea de comunicación caracteriza la tasa de transferencia de datos máxima posible sobre ella. La inmunidad al ruido de una línea de comunicación determina su capacidad para reducir el nivel de interferencia generada en el entorno externo sobre los conductores internos. La fiabilidad de la transmisión de datos caracteriza la probabilidad de distorsión de cada bit de datos transmitido.
La representación de información discreta en una forma u otra de las señales aplicadas a la línea de comunicación se denomina codificación física. La codificación lógica implica reemplazar bits de la información original con una nueva secuencia de bits que lleva la misma información pero tiene propiedades adicionales.
Para transmitir datos discretos a través de líneas de comunicación con una banda de frecuencia estrecha, se utiliza la modulación analógica, en la que la información se codifica cambiando la amplitud, la frecuencia o la fase de una señal de frecuencia portadora sinusoidal. Al codificar digitalmente información discreta, se utilizan códigos de potencial e impulso. Para la multiplexación de líneas de comunicación se utilizan tecnologías de multiplexación de frecuencia, tiempo y onda.
Preguntas y tareas de control
1. Dar la clasificación de las líneas de comunicación.
2. Describir las líneas de comunicación por cable más comunes.
3. Presentar las principales líneas de comunicación inalámbrica y dar sus características comparativas.
4. ¿Debido a qué factores físicos los canales de comunicación distorsionan las señales transmitidas?
5. ¿Cuál es la característica de amplitud-frecuencia de un canal de comunicación?
6. ¿En qué unidades se mide el ancho de banda del canal de comunicación?
7. Describa el concepto de "inmunidad al ruido de la línea de comunicación".
8. ¿Qué determina la característica "fiabilidad de transmisión de datos" y en qué unidades se mide?
9. ¿Qué es la "modulación analógica" y qué tipos de ella se utilizan para transmitir datos discretos?
10. ¿Qué dispositivo realiza las funciones de modular la sinusoide portadora en el lado transmisor y demodularla en el lado receptor?
11. Enunciar la diferencia entre codificación potencial e impulso de señales digitales.
12. ¿Qué son los códigos de sincronización automática?
13. ¿Cuál es el propósito de la codificación lógica de señales digitales y qué métodos se utilizan?
14. Describa la tecnología multiplexación de frecuencia lineas de comunicacion
15. ¿Cuáles son las características de la tecnología de multiplexación por división de tiempo?
16. ¿Qué tecnología de multiplexación se usa en los cables de fibra óptica para organizar la operación dúplex cuando se usa una sola fibra óptica?
17. ¿Cuál es el propósito de la tecnología de multiplexación de onda densa?
La información transmitida a través de una línea de comunicación suele estar sujeta a una codificación especial, lo que mejora la fiabilidad de la transmisión. En este caso, los costos adicionales de hardware para la codificación y decodificación son inevitables y el costo de los adaptadores de red aumenta.
La codificación de la información transmitida a través de una red está relacionada con la relación entre la tasa de transmisión máxima permitida y el ancho de banda del medio de transmisión utilizado. Por ejemplo, con diferentes códigos, la tasa máxima de transmisión por el mismo cable puede diferir por un factor de dos. La complejidad del equipo de red y la confiabilidad de la transmisión de información también dependen directamente del código elegido.
Para transmitir datos discretos a través de canales de comunicación, se utilizan dos métodos de codificación física de datos discretos iniciales: basado en una señal portadora sinusoidal y basado en una secuencia de pulsos rectangulares. La primera forma a menudo se llama modulación analógica, porque la codificación se lleva a cabo cambiando los parámetros de la señal analógica (amplitud, fase, frecuencia). La segunda forma se llama codificación digital. En la actualidad, los datos que tienen forma analógica (habla, imagen de televisión) se transmiten a través de canales de comunicación en forma discreta. El proceso de representar información analógica en forma discreta se llama modulación discreta.
5.1Modulación analógica
La representación de datos discretos como una señal sinusoidal se llama modulación analógica. La modulación analógica le permite representar información como una señal sinusoidal con diferentes niveles de amplitud, fase o frecuencia. También puede usar combinaciones de parámetros cambiantes: amplitud y frecuencia, amplitud-fase. Por ejemplo, si forma una señal sinusoidal con cuatro niveles de amplitud y cuatro niveles de frecuencia, esto dará 16 estados del parámetro de información, lo que significa 4 bits de información por un cambio.
Hay tres tipos principales de modulación analógica:
amplitud,
frecuencia,
Modulación de amplitud.(AM) Con modulación de amplitud, para uno lógico, se selecciona un nivel de la amplitud de la sinusoide de la frecuencia portadora, y para un cero lógico, otro (ver Fig. 5.1). La frecuencia de la señal permanece constante. Este método rara vez se usa en su forma pura en la práctica debido a la baja inmunidad al ruido, pero a menudo se usa en combinación con otro tipo de modulación: la modulación de fase.
Arroz. 5.1 Varios tipos modulación
Modulación de frecuencia. ( Copa Mundial) Con la modulación de frecuencia, los valores de 0 lógico y 1 lógico de los datos iniciales se transmiten por sinusoides con diferentes frecuencias: f 1 y f 2 (ver Fig. 5.1). La amplitud de la señal permanece constante. Este método de modulación no requiere circuitos complicados en módems y generalmente se usa en módems de baja velocidad.
Modulación de fase. (FM) Con modulación de fase, los valores de 0 y 1 lógicos corresponden a señales de la misma frecuencia, pero con diferente fase (invertida), por ejemplo, 0 y 180 grados o 0,90, 180 y 270 grados. La señal resultante parece una secuencia de ondas sinusoidales invertidas (consulte la Figura 5.1). La amplitud y la frecuencia de la señal permanecen constantes.
Los métodos de modulación combinados se utilizan para aumentar la velocidad de transmisión (aumentar el número de bits por ciclo del parámetro de información). Los métodos más comunes modulación de amplitud de cuadratura (quadratura Amplitud Modulación, QAM). Estos métodos utilizan una combinación de modulación de fase con 8 valores de cambio de fase y modulación de amplitud con 4 niveles de amplitud. Con este método, son posibles 32 combinaciones de señales. Y aunque no se utilizan todos, la velocidad aumenta significativamente y, debido a la redundancia, se pueden controlar los errores en la transmisión de datos. Por ejemplo, en algunos códigos, solo se permiten 6, 7 u 8 combinaciones para representar los datos originales y las combinaciones restantes están prohibidas. Esta redundancia de codificación es necesaria para que el módem reconozca las señales erróneas resultantes de la distorsión debida a las interferencias, que en los canales telefónicos, especialmente en los conmutados, son muy importantes en amplitud y largos en el tiempo.
Determinemos en qué líneas puede funcionar la modulación analógica y en qué medida este método satisface el ancho de banda de una u otra línea de transmisión utilizada, para lo cual consideramos el espectro de las señales resultantes. Por ejemplo, tome el método de modulación de amplitud. El espectro de la señal resultante con modulación de amplitud consistirá en una sinusoide de la frecuencia portadora F Con y dos armónicos laterales:
(F Con -F metro ) Y (F Con +f metro ), Dónde F metro- frecuencia de modulación (cambios en el parámetro de información de la sinusoide), que coincidirá con la tasa de datos si se utilizan dos niveles de amplitud.
Arroz. 5.2 Espectro de señal con modulación de amplitud
Frecuencia F metro determina el ancho de banda de la línea para un método de codificación dado. Con una frecuencia de modulación baja, el ancho del espectro de la señal también será pequeño (igual a 2f metro ver Figura 5.2), por lo que las señales no serán distorsionadas por la línea si su ancho de banda es mayor o igual a 2f metro .
Así, con modulación de amplitud, la señal resultante tiene un espectro estrecho.
Con la modulación de fase y frecuencia, el espectro de la señal es más complejo que con la modulación de amplitud, ya que aquí se forman más de dos armónicos laterales, pero también están ubicados simétricamente con respecto a la frecuencia portadora principal y sus amplitudes disminuyen rápidamente. Por lo tanto, estos tipos de modulación también son adecuados para la transmisión de datos a través de líneas con anchos de banda estrechos. Un representante típico de tales líneas es el canal de frecuencia de voz, que se pone a disposición de los usuarios de las redes telefónicas públicas.
A partir de la respuesta de frecuencia típica de un canal de frecuencia de voz, se puede ver que este canal transmite frecuencias en el rango de 300 a 3400 Hz y, por lo tanto, su ancho de banda es de 3100 Hz (consulte la Figura 5.3).
Arroz. 5.3 respuesta de frecuencia del canal de frecuencia de voz
Aunque la voz humana tiene un espectro mucho más amplio, desde aproximadamente 100 Hz a 10 kHz, para una calidad de voz aceptable, un rango de 3100 Hz es una buena solución. La estricta limitación del ancho de banda del canal de tonos está asociada con el uso de equipos de multiplexación y conmutación de circuitos en las redes telefónicas.
Por lo tanto, para un canal de frecuencia de voz, la modulación de amplitud proporciona una tasa de transferencia de datos de no más de 3100/2 = 1550 bit/s. Si utiliza varios niveles del parámetro de información (4 niveles de amplitud), el rendimiento del canal de frecuencia de voz se duplica.
La mayoría de las veces, la codificación analógica se usa cuando se transmite información a través de un canal con un ancho de banda estrecho, por ejemplo, a través de líneas telefónicas en redes de área amplia. En redes locales, rara vez se usa debido a la alta complejidad y costo de los equipos de codificación y decodificación.
Actualmente, casi todos los equipos que funcionan con señales analógicas se desarrollan sobre la base de costosos microcircuitos. DSP (procesador de señal digital). En este caso, después de la modulación y transmisión de la señal, es necesario realizar una demodulación en la recepción, y esto nuevamente es un equipo costoso. Para realizar la función de modular la sinusoide portadora en el lado transmisor y demodular en el lado receptor, se utiliza un dispositivo especial, que se llama módem (modulador-demodulador). Un módem de 56 000 bps cuesta $100 y tarjeta LAN por 100 Mbps cuesta $10.
En conclusión, presentamos las ventajas y desventajas de la modulación analógica.
La modulación analógica tiene muchos parámetros de información diferentes: amplitud, fase, frecuencia. Cada uno de estos parámetros puede adoptar múltiples estados por cambio de operador. Y, por lo tanto, la señal resultante puede transmitir un gran número de bits por segundo.
La modulación analógica proporciona a la señal resultante un espectro estrecho y, por lo tanto, es buena cuando se necesita trabajar en líneas deficientes (con un ancho de banda estrecho), ya que es capaz de proporcionar una alta velocidad de transmisión allí. La modulación analógica también puede funcionar en buenas líneas, aquí una ventaja más de la modulación analógica es especialmente importante: la capacidad de cambiar el espectro en área deseada, dependiendo del ancho de banda de la línea que se esté utilizando.
La modulación analógica es difícil de implementar y el equipo que lo hace es muy costoso.
La modulación analógica se utiliza donde no se puede prescindir de ella, pero en las redes locales se utilizan otros métodos de codificación, para cuya implementación se necesitan equipos sencillos y económicos. Por lo tanto, con mayor frecuencia en las redes locales, cuando se transmiten datos en líneas de comunicación, se utiliza el segundo método de codificación física: codificación digital
5. 2. Codificación digital
Codificación digital- representación de información por pulsos rectangulares. Para uso de codificación digital potencial Y impulso códigos.
Códigos potenciales. En los códigos de potencial, sólo se utiliza el valor del potencial de la señal durante el período del ciclo para representar unos y ceros lógicos, y no se tienen en cuenta sus caídas, que forman pulsos completos. Solo es importante qué valor tiene la señal resultante durante el período del ciclo.
códigos de impulso. Los códigos de pulso representan un cero lógico y una unidad lógica ya sea por pulsos de cierta polaridad, o por parte del pulso, por una caída potencial de cierta dirección. El valor del código de pulso incluye el pulso completo junto con sus transiciones.
Definamos los requisitos para la codificación digital. Por ejemplo, necesitamos transferir datos discretos (una secuencia de ceros y unos lógicos) desde la salida de una computadora, la fuente, a la entrada de otra computadora, el receptor a través de la línea de comunicación.
1. Para la transmisión de datos, tenemos líneas de comunicación que no pasan todas las frecuencias, tienen ciertos anchos de banda dependiendo de su tipo. Por lo tanto, al codificar datos, se debe tener en cuenta que los datos codificados son "transmitidos" por la línea de comunicación.
2. Las secuencias de datos discretos deben codificarse como pulsos digitales de cierta frecuencia. En este caso, por supuesto, lo mejor es lograr:
a) que las frecuencias de las señales codificadas sean bajas para coincidir generalmente con los anchos de banda de los enlaces de comunicación.
b) que las señales codificadas proporcionen una alta velocidad de transmisión.
De este modo, buen codigo debe tener menos Hertz y más bits por segundo.
3. Los datos a transmitir son una secuencia cambiante impredecible de ceros y unos lógicos.
Codifiquemos estos datos de cierta manera con pulsos digitales, entonces, ¿cómo podemos determinar qué frecuencia tiene la señal resultante? Para determinar la frecuencia máxima de un código digital, basta con considerar la señal resultante al codificar secuencias privadas como:
secuencia de ceros lógicos
secuencia de unos lógicos
secuencia alterna de ceros y unos lógicos
Luego, es necesario descomponer la señal usando el método de Fourier, encontrar el espectro, determinar las frecuencias de cada armónico y encontrar la frecuencia total de la señal, siendo importante que el espectro principal de la señal esté dentro del ancho de banda del linea de comunicacion Para no hacer todos estos cálculos, es suficiente tratar de determinar el armónico fundamental del espectro de la señal, para esto es necesario adivinar la primera sinusoide de la forma de la señal, que repite el contorno de su forma, luego encuentre el período de esta sinusoide. El período es la distancia entre dos cambios de señal.. Entonces también puede determinar la frecuencia del armónico fundamental del espectro de la señal como F = 1/T, Dónde F- frecuencia, T- período de la señal. Para facilitar los cálculos posteriores, suponemos que la tasa de bits del cambio de señal es igual a norte.
Dichos cálculos se pueden realizar para cada método de codificación digital para determinar la frecuencia de la señal resultante. La señal resultante en la codificación digital es una secuencia específica de pulsos rectangulares. Para representar una secuencia de pulsos rectangulares como una suma de sinusoides para encontrar el espectro, se necesita una gran cantidad de tales sinusoides. El espectro de una secuencia de onda cuadrada será generalmente mucho más amplio que el de las señales moduladas.
Si se usa un código digital para transmitir datos en un canal de frecuencia de voz, entonces el límite superior para la codificación potencial se logra para una velocidad de transferencia de datos de 971 bps, y el límite inferior es inaceptable para cualquier velocidad, ya que el ancho de banda del canal comienza en 300 Hz.
Es por eso códigos digitales en los canales de frecuencia de voz simplemente nunca se utilizan. Pero por otro lado, funcionan muy bien en redes locales que no utilizan líneas telefónicas para la transmisión de datos.
De este modo, la codificación digital requiere un amplio ancho de banda para una transmisión de alta calidad.
4. Al transmitir información a través de líneas de comunicación desde un nodo fuente a un nodo receptor, es necesario proporcionar un modo de transmisión en el que el receptor siempre sepa exactamente en qué momento recibe datos de la fuente, es decir, es necesario Para proveer sincronización fuente y receptor. En redes, el problema de sincronización es más difícil de resolver que cuando se intercambian datos entre bloques dentro de una computadora o entre una computadora y una impresora. En distancias cortas, funciona bien un esquema basado en una línea de comunicación de reloj separada. En tal esquema, la información se elimina de la línea de datos solo en el momento en que llega el pulso del reloj (ver Fig. 5.4).
Arroz. 5.4 Sincronización de receptor y transmisor en distancias cortas
Esta opción de sincronización no es adecuada para ninguna red debido a la heterogeneidad de las características de los conductores en los cables. En largas distancias, las fluctuaciones de la velocidad de la señal pueden hacer que el reloj llegue tan tarde o demasiado temprano para la señal de datos correspondiente que un bit de datos se salta o se vuelve a leer. Otra razón por la que las redes se niegan a usar pulsos de reloj es para ahorrar conductores en cables costosos. Por lo tanto, las redes utilizan los llamados códigos de sincronización automática.
Códigos de sincronización automática- señales que indican al receptor en qué momento es necesario reconocer el siguiente bit (o varios bits, si el código está orientado a más de dos estados de señal). Cualquier caída brusca en la señal - la llamada frente- puede servir como una buena indicación para la sincronización del receptor con el transmisor. Un ejemplo de un código de sincronización automática sería una onda sinusoidal. Dado que el cambio en la amplitud de la frecuencia portadora permite que el receptor determine el momento en que aparece el código de entrada. Pero esto se aplica a la modulación analógica. En la codificación digital, también hay métodos que crean códigos de sincronización automática, pero hablaremos de eso más adelante.
De este modo, un buen código digital debe proporcionar sincronización
Habiendo considerado los requisitos para un buen código digital, pasemos a la consideración de los métodos de codificación digital en sí.
5. 2.1Código potencial sin retorno a cero NRZ
Este código recibió su nombre porque cuando se transmite una secuencia de 1, la señal no vuelve a cero durante el ciclo (como veremos a continuación, en otros métodos de codificación, se produce un retorno a cero en este caso).
Código NRZ (Sin Retorno a Cero)- sin volver a cero - este es el código de dos niveles más simple. La señal resultante tiene dos niveles potenciales:
Cero corresponde al nivel inferior, unidad - el superior. Las transiciones de información ocurren en un límite de bit.
Consideremos tres casos especiales de transmisión de datos por el código NRZ: una secuencia alterna de ceros y unos, una secuencia de ceros y una secuencia de unos (ver Fig. 5.5, a).
Arroz. 5.5 Código NRZ
Intentemos determinar si este código cumple con los requisitos enumerados. Para ello, es necesario determinar el armónico fundamental del espectro con codificación potencial en cada uno de los casos presentados para poder determinar con mayor precisión qué código NRZ tiene requerimientos para la línea de comunicación utilizada.
El primer caso: se transmite información, que consiste en una secuencia infinita de unos y ceros alternos (ver Fig. 5.5, b).
Esta figura muestra que cuando se alternan unos y ceros, se transmitirán en un ciclo dos bits 0 y 1. Con la forma de la sinusoide que se muestra en la fig. 4.22b norte- tasa de bits, el período de esta sinusoide es igual a T=2N. La frecuencia del armónico fundamental en este caso es igual a F 0 = N/2.
Como puede ver, con tal secuencia de este código, la velocidad de transferencia de datos es el doble de la frecuencia de la señal.
Al transmitir secuencias de ceros y unos, la señal resultante es corriente continua, la frecuencia del cambio de señal es cero F 0 = 0 .
El espectro de una señal real cambia constantemente según los datos que se transmiten a través de la línea de comunicación, y se debe tener cuidado con las transmisiones de largas secuencias de ceros o unos que desplazan el espectro de la señal hacia bajas frecuencias. Porque El código NRZ al transmitir secuencias largas de ceros o unos tiene un componente constante.
Se sabe por la teoría de la señal que, además de los requisitos de ancho, se presenta otro requisito muy importante para el espectro de la señal transmitida: sin componente constante(la presencia de corriente continua entre el receptor y el transmisor), porque el uso de varios intercambios de transformadores no pasa en la línea de comunicación CORRIENTE CONTINUA..
Por lo tanto, parte de la información simplemente será ignorada por este enlace. Por lo tanto, en la práctica, siempre intentan eliminar la presencia de un componente constante en el espectro de la señal portadora que ya se encuentra en la etapa de codificación.
Así, hemos identificado un requisito más para un buen código digital el código digital no debe tener un componente constante.
Otra desventaja de NRZ es - falta de sincronización. En este caso, solo ayudarán los métodos adicionales de sincronización, de los que hablaremos más adelante.
Una de las principales ventajas del código NRZ es la simplicidad. Para generar pulsos rectangulares, se necesitan dos transistores y microcircuitos complejos para implementar la modulación analógica. La señal potencial no necesita ser codificada y decodificada, ya que el mismo método se usa para la transmisión de datos dentro de la computadora.
Como resultado de todo lo expuesto anteriormente, sacaremos varias conclusiones que nos ayudarán a la hora de plantearnos otros métodos de codificación digital:
NRZ es muy fácil de implementar, tiene una buena detección de errores (debido a dos potenciales muy diferentes).
NRZ tiene un componente de CC al transmitir ceros y unos, lo que hace que sea imposible transmitir en líneas aisladas del transformador.
NRZ no es un código de autosincronización y esto complica su transmisión en cualquier línea.
El atractivo del código NRZ, que hace que valga la pena mejorarlo, es la frecuencia bastante baja del armónico fundamental fo, que es igual a N/2 Hz, como se muestra arriba. Así el código NRZ opera a bajas frecuencias de 0 a N/2 Hz.
Como resultado, en su forma pura, el código NRZ no se usa en las redes. Sin embargo, se utilizan sus diversas modificaciones, en las que se eliminan con éxito tanto la autosincronización deficiente del código NRZ como la presencia de un componente constante.
Los siguientes métodos de codificación digital se han desarrollado con el objetivo de mejorar de alguna manera la capacidad del código NRZ
5. 2.2. Método de codificación bipolar de inversión alternativa AMI
Método de codificación bipolar con inversión alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI) es una modificación del método NRZ.
Este método utiliza tres niveles de potencial: negativo, cero y positivo. Tres niveles de señal es una desventaja del código, porque para distinguir entre tres niveles, se necesita una mejor relación señal-ruido en la entrada del receptor. La capa adicional requiere un aumento en la potencia del transmisor de unos 3 dB para proporcionar la misma fidelidad de bits en la línea, lo que es una desventaja general de los códigos multiestado en comparación con los códigos binivel. En el código AMI, un potencial cero se utiliza para codificar un cero lógico, un uno lógico se codifica por un potencial positivo o negativo, mientras que el potencial de cada uno nuevo es opuesto al potencial del anterior.
Arroz. 5.6 Código AMI
Esta técnica de codificación elimina parcialmente los problemas del componente DC y la falta de auto-sincronización inherente al código NRZ al transmitir largas secuencias de unos. Pero el problema del componente constante permanece para él al transmitir secuencias de ceros (ver Fig. 5.6).
Consideremos casos particulares de la operación del código y determinemos el armónico fundamental del espectro de la señal resultante para cada uno de ellos. Con una secuencia de ceros - señal - corriente continua - fo \u003d 0 (Fig. 5.7, a)
Arroz. 5.7 Determinación de las frecuencias fundamentales del espectro AMI
Por esta razón, el código AMI también necesita mejoras adicionales. Al transmitir una secuencia de unos, la señal en la línea es una secuencia de pulsos bipolares con el mismo espectro que el código NRZ que transmite ceros y unos alternados, es decir, sin componente constante y con un armónico fundamental fo = N/2 Hz .
Al transmitir alternando unos y ceros, el armónico fundamental fo = N/4 Hz, que es dos veces menor que el del código NRZ.
En general, para varias combinaciones de bits en la línea, el uso del código AMI conduce a un espectro de señal más estrecho que para el código NRZ y, por lo tanto, a un mayor rendimiento de la línea. El código AMI también proporciona algunas funciones para reconocer señales erróneas. Así, una violación de la alternancia estricta de la polaridad de las señales indica un impulso falso o la desaparición de un impulso correcto de la línea. Una señal con polaridad incorrecta se denomina señal prohibida. (violación de señal).
Se pueden sacar las siguientes conclusiones:
AMI cancela el componente DC al transmitir una secuencia de unos;
AMI tiene un espectro estrecho - de N/4 - N/2;
AMI elimina parcialmente los problemas de sincronización
AMI usa no dos, sino tres niveles de señal en la línea y este es su inconveniente, pero el siguiente método logró eliminarlo.
5. 2.3 Código potencial con inversión en la unidad NRZI
Este código es completamente similar al código AMI, pero solo usa dos niveles de señal. Cuando se transmite cero, transmite el potencial que se fijó en el ciclo anterior (es decir, no lo cambia), y cuando se transmite uno, el potencial se invierte al contrario.
Este código se llama código potencial con inversión en uno (sin retorno a cero con unos invertidos, NRZI).
Es conveniente en los casos en los que el uso del tercer nivel de señal es altamente indeseable, por ejemplo, en cables ópticos, donde se reconocen de manera confiable dos estados de señal: claro y oscuro.
Arroz. 5.8 Código NRZI
El código NRZI difiere en la forma de la señal resultante del código AMI, pero si calculas los armónicos fundamentales, para cada caso, resulta que son los mismos. Para una secuencia de unos y ceros alternados, la frecuencia fundamental de la señal es fo=N/4.(ver Fig. 5.9, a). Porque con una secuencia de unidades - fo=N/2. Con una secuencia de ceros, el mismo inconveniente permanece fo=0- corriente continua en la línea.
Arroz. 5.9 Determinación de las frecuencias fundamentales del espectro para NRZI
Las conclusiones son las siguientes:
NRZI: proporciona las mismas capacidades que el código AMI, pero utiliza solo dos niveles de señal para esto y, por lo tanto, es más adecuado para mejoras adicionales. Las desventajas de NRZI son un componente de CC con una secuencia de ceros y la falta de sincronización durante la transmisión. El código NRZI se convirtió en la base para el desarrollo de métodos de codificación más avanzados en niveles superiores.
5. 2.4 Código MLT3
Código de transmisión de tres niveles MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) tiene mucho en común con el código NRZI. Su diferencia más importante son tres niveles de señal.
Uno corresponde a la transición de un nivel de señal a otro. Un cambio en el nivel de la señal lineal ocurre solo si se recibe una unidad en la entrada, sin embargo, a diferencia del código NRZI, el algoritmo de generación se elige de tal manera que dos cambios adyacentes siempre tienen direcciones opuestas.
Arroz. 5.10 Código potencial MLT-3
Considere casos especiales, como en todos los ejemplos anteriores.
Al transmitir ceros, la señal también tiene un componente constante, la señal no cambia: fo = 0 Hz. (Ver Figura 5.10). Cuando se transmiten todos unos, las transiciones de información se fijan en el límite de bit y un ciclo de señal puede acomodar cuatro bits. En este caso fo=N/4 Hz - frecuencia de código máxima MLT-3 al transferir todas las unidades (Fig. 5.11, a).
Arroz. 5.11 Determinación de las frecuencias fundamentales del espectro para MLT-3
En el caso de una secuencia alterna, el código MLT-3 tiene una frecuencia máxima igual a fo=N/8, que es dos veces menor que el código NRZI, por lo tanto, este código tiene un ancho de banda más estrecho.
Como notó, la desventaja del código MLT-3, como el código NRZI, es la falta de sincronización. Este problema se resuelve con una transformación de datos adicional que elimina largas secuencias de ceros y la posibilidad de desincronización. La conclusión general se puede extraer de la siguiente manera: el uso de la codificación de tres niveles MLT-3 le permite reducir la frecuencia de reloj de la señal de línea y, por lo tanto, aumentar la velocidad de transmisión.
5. 2.5 Código de pulso bipolar
Además de los códigos potenciales, los códigos de impulso también se utilizan cuando los datos se representan mediante un impulso completo o su parte, un frente.
El caso más simple de este enfoque es código de pulso bipolar, en el que la unidad está representada por un pulso de una polaridad, y el cero es la otra. Cada pulso dura medio ciclo (Fig. 5.12). Código de pulso bipolar - código de tres niveles. Consideremos las señales resultantes durante la transmisión de datos por codificación bipolar en los mismos casos especiales.
Arroz. 5.12 Código de pulso bipolar
Una característica del código es que siempre hay una transición (positiva o negativa) en el centro del bit. Por lo tanto, cada bit está etiquetado. El receptor puede extraer un pulso de sincronización (luz estroboscópica) que tiene una tasa de repetición de pulso de la propia señal. Se realiza un enlace a cada bit, lo que asegura la sincronización del receptor con el transmisor. Estos códigos, que llevan una luz estroboscópica, se denominan auto-sincronización. Considere el espectro de señales para cada caso (Fig. 5.13). Al transmitir todos ceros o unos, la frecuencia del armónico fundamental del código fo=N Hz, que es dos veces la fundamental del código NRZ y cuatro veces la fundamental del código AMI. Al transmitir unos y ceros alternados - fo=N/2
Arroz. 5.13 Determinación de las principales frecuencias del espectro para un código de pulso bipolar.
Esta deficiencia del código no proporciona una ganancia en la tasa de transferencia de datos e indica claramente que los códigos de impulso son más lentos que los potenciales.
Por ejemplo, un enlace de 10 Mbps requiere una frecuencia portadora de 10 MHz. Al transmitir una secuencia de ceros y unos alternados, la velocidad aumenta, pero no mucho, porque la frecuencia del armónico fundamental del código fо=N/2 Hz.
El código de pulso bipolar tiene una gran ventaja sobre los códigos anteriores: se sincroniza automáticamente.
El código de pulso bipolar tiene un amplio espectro de señal y, por lo tanto, es más lento.
El código de pulso bipolar utiliza tres niveles.
5. 2.6 Código de Manchester
código de Manchester fue desarrollado como un código de pulso bipolar mejorado. El código Manchester también se refiere a los códigos de sincronización automática, pero a diferencia del código bipolar, no tiene tres, sino solo dos niveles, lo que proporciona una mejor inmunidad al ruido.
En el código Manchester, se utiliza una caída de potencial, es decir, el frente del pulso, para codificar unos y ceros. En la codificación Manchester, cada reloj se divide en dos partes. La información está codificada por caídas potenciales que ocurren en medio de cada ciclo. Sucede así:
Una unidad se codifica mediante una transición de menor a mayor y un cero se codifica mediante una transición inversa. Al comienzo de cada ciclo, puede ocurrir un borde de señal de servicio si necesita representar varios unos o ceros seguidos.
Considere casos especiales de codificación (secuencias de ceros y unos alternados, algunos ceros, algunos unos), y luego determinaremos los armónicos principales para cada una de las secuencias (ver Fig. 5.14). En todos los casos, se puede ver que con la codificación Manchester, el cambio de señal en el centro de cada bit facilita el aislamiento de la señal del reloj. Por lo tanto, el código Manchester tiene buenas propiedades de autosincronización.
Arroz. 5.14 Código de Manchester
La autosincronización siempre permite transmitir grandes paquetes de información sin pérdida debido a las diferencias en la frecuencia de reloj del transmisor y el receptor.
Entonces, determinemos la frecuencia fundamental al transmitir solo unos o solo ceros.
Arroz. 5.15 Determinación de las principales frecuencias del espectro para el código Manchester.
Como se puede ver al transmitir ceros y unos, no hay un componente constante. Frecuencia fundamental fo=NHz, como en la codificación bipolar. Debido a esto, el aislamiento galvánico de las señales en las líneas de comunicación se puede realizar de las formas más simples, por ejemplo, utilizando transformadores de pulso. Al transmitir alternando unos y ceros, la frecuencia del armónico fundamental es igual a fo=N/2Hz.
Por lo tanto, el código de Manchester es un código bipolar mejorado, mejorado al usar solo dos niveles de señal para la transmisión de datos, y no tres, como en bipolar. Pero este código sigue siendo lento en comparación con NRZI, que es el doble de rápido.
Considere un ejemplo. Tome para la transmisión de datos una línea de comunicación con un ancho de banda 100 MHz y velocidad 100Mbps. Si antes determinamos la velocidad de datos a una frecuencia dada, ahora necesitamos determinar la frecuencia de la señal a una velocidad de línea dada. En base a esto, determinamos que para la transmisión de datos por el código NRZI, el rango de frecuencia de N / 4-N / 2 es suficiente para nosotros; estas son frecuencias de 25 a 50 MHz, estas frecuencias están incluidas en el ancho de banda de nuestra línea - 100MHz. Para el código de Manchester, necesitamos un rango de frecuencia de N / 2 a N; estas son frecuencias de 50 a 100 MHz, en este rango se ubican los principales armónicos del espectro de la señal. Para el código Manchester, no satisface el ancho de banda de nuestra línea y, por lo tanto, la línea transmitirá dicha señal con grandes distorsiones (dicho código no se puede usar en esta línea).
5.2.7Código Manchester diferencial.
Código Manchester diferencial es un tipo de codificación Manchester. Utiliza la mitad del intervalo de reloj de la señal de línea solo para la sincronización, y siempre hay un cambio en el nivel de la señal. Los 0 y 1 lógicos se transmiten por la presencia o ausencia de un cambio de nivel de señal al comienzo del intervalo de reloj, respectivamente (Fig. 5.16)
Arroz. 5.16 Código Manchester diferencial
Este código tiene las mismas ventajas y desventajas que el de Manchester. Pero, en la práctica, es el código Manchester diferencial el que se utiliza.
Así, el código Manchester solía ser muy activo en las redes locales (cuando las líneas de alta velocidad eran un gran lujo para una red de área local), debido a su autosincronización y falta de componente constante. Todavía se usa mucho en fibra óptica y redes eléctricas. Sin embargo, recientemente, los desarrolladores han llegado a la conclusión de que aún es mejor usar la codificación potencial, eliminando sus deficiencias utilizando el llamado codificación lógica.
5.2.8Código potencial 2B1Q
Código 2B1Q- código potencial con cuatro niveles de señal para la codificación de datos. Su nombre refleja su esencia - cada dos bits (2B) se transmiten en un ciclo por una señal que tiene cuatro estados (1T).
pedacito 00 corresponde potencial (-2.5V), un par de pedacitos 01 corresponde potencial (-0,833 V), pareja 11 - potencial (+0,833 V), y un par 10 - potencial ( +2,5 V).
Arroz. 5.17 Código de potencial 2B1Q
Como se puede ver en la Figura 5.17, este método de codificación requiere medidas adicionales para manejar secuencias largas de pares de bits idénticos, ya que esto convierte la señal en un componente de CC. Por lo tanto, al transmitir ceros y unos fo=0Hz. Al alternar unos y ceros, el espectro de la señal es dos veces más estrecho que el del código NRZ, ya que a la misma tasa de bits se duplica la duración del ciclo - fo=N/4Hz.
Por lo tanto, usando el código 2B1Q, puede transferir datos a través de la misma línea el doble de rápido que usando el código AMI o NRZI. Sin embargo, para su implementación, la potencia del transmisor debe ser mayor para que el receptor distinga claramente los cuatro niveles potenciales (-2,5 V, -0,833 V, +0,833 V, +2,5 V) en el contexto de la interferencia.
5. 2.9 Código PAM5
Todos los esquemas de codificación de señales que hemos considerado anteriormente estaban basados en bits. Con la codificación de bits, cada bit corresponde a un valor de señal determinado por la lógica del protocolo.
Con la codificación de bytes, el nivel de la señal se establece en dos o más bits. En un código de cinco niveles PAM5 Se utilizan 5 niveles de tensión (amplitudes) y codificación de dos bits. Cada combinación tiene su propio nivel de voltaje. Con la codificación de dos bits, se requieren cuatro niveles para transmitir información (dos al segundo grado - 00, 01, 10, 11 ). La transmisión de dos bits al mismo tiempo reduce a la mitad la tasa de cambio de la señal. El quinto nivel se agrega para crear redundancia en el código utilizado para la corrección de errores. Esto da un margen adicional de relación señal-ruido.
Arroz. 5.18 Código PAM 5
5. 3. Codificación lógica
Codificación lógica corre hasta codificación física.
En la etapa de codificación lógica, la forma de onda ya no se forma, pero se eliminan las deficiencias de los métodos de codificación digital física, como la falta de sincronización, la presencia de un componente constante. Así, en primer lugar, se forman secuencias corregidas de datos binarios utilizando herramientas de codificación lógica, que luego se transmiten a través de líneas de comunicación utilizando métodos de codificación física.
La codificación lógica implica el reemplazo de bits de la información original con una nueva secuencia de bits que transporta la misma información, pero tiene, además, propiedades adicionales, por ejemplo, la capacidad del lado receptor para detectar errores en los datos recibidos. Acompañar cada byte de la información original con un bit de paridad es un ejemplo de un método de codificación lógica muy utilizado cuando se transmiten datos mediante módems.
Separe dos métodos de codificación lógica:
Códigos redundantes
Pelea.
5. 3.1 Códigos redundantes
Códigos redundantes se basan en dividir la secuencia original de bits en porciones, que a menudo se denominan caracteres. Luego, cada carácter original se reemplaza por uno nuevo que tiene más bits que el original. Un claro ejemplo de código redundante es el código lógico 4V/5V.
Código lógico 4V/5V reemplaza los caracteres originales de 4 bits con caracteres de 5 bits. Dado que los símbolos resultantes contienen bits redundantes, el número total de combinaciones de bits en ellos es mayor que en los originales. Así, el esquema de cinco bits da 32 (2 5) caracteres alfanuméricos de dos dígitos, teniendo un valor en código decimal de 00 a 31. Mientras que los datos originales pueden contener sólo cuatro bits o 16 (2 4) caracteres.
Por lo tanto, en el código resultante, puede seleccionar 16 de esas combinaciones que no contienen una gran cantidad de ceros y contar el resto códigos prohibidos (violación del código). En este caso, las cadenas largas de ceros se rompen y el código se sincroniza automáticamente para cualquier dato transmitido. El componente constante también desaparece, lo que significa que el espectro de la señal se estrecha aún más. Pero este método reduce el ancho de banda útil de la línea, ya que las unidades redundantes de información del usuario no transportan, y solo "ocupan el tiempo aire". Los códigos redundantes permiten que el receptor reconozca los bits corruptos. Si el receptor recibe un código prohibido, significa que la señal ha sido distorsionada en la línea.
Así que echemos un vistazo al trabajo. código lógico 4V/5V. La señal convertida tiene 16 valores para transferencia de información y 16 valores redundantes. En el decodificador del receptor, se decodifican cinco bits como señales de información y servicio.
Se asignan nueve símbolos para señales de servicio, se excluyen siete símbolos.
Se excluyen las combinaciones con más de tres ceros. (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Estas señales se interpretan con el símbolo V y el equipo receptor VIOLACIÓN- falla. El comando indica un error debido a una alta interferencia o falla del transmisor. La única combinación de cinco ceros. (00 - 00000 ) se refiere a señales de servicio, significa el símbolo q y tiene el estado TRANQUILO- No hay señal en la línea.
Tal codificación de datos resuelve dos problemas: sincronización y mejora de la inmunidad al ruido. La sincronización ocurre debido a la eliminación de una secuencia de más de tres ceros, y el receptor de datos logra una alta inmunidad al ruido en un intervalo de cinco bits.
El precio de estas ventajas con este método de codificación de datos es una disminución en la velocidad de transmisión. información útil. Por ejemplo, como resultado de agregar un bit redundante a cuatro bits de información, la eficiencia del ancho de banda en protocolos con código MLT-3 y codificación de datos 4B/5B disminuye respectivamente en un 25%.
Esquema de codificación 4V/5V presentado en la tabla.
|
Código binario 4B |
Código de resultado 5V |
Entonces, de acuerdo con esta tabla, el código se forma 4V/5V, luego se transmite a través de la línea usando codificación física usando uno de los posibles métodos de codificación que es sensible solo a largas secuencias de ceros, por ejemplo, usando el código digital NRZI.
Los símbolos de código 4V/5V, de 5 bits de longitud, garantizan que no pueden aparecer más de tres ceros seguidos en la línea para cualquier combinación de ellos.
Carta EN en el nombre del código significa que la señal elemental tiene 2 estados - del inglés binario- binario. También hay códigos con tres estados de señal, por ejemplo, en el código 8V/6T para codificar 8 bits de la información original se utiliza un código de 6 señales, cada una de las cuales tiene tres estados. Redundancia de código 8V/6T más alto que el código 4V/5V, ya que hay 3 6 = 729 símbolos resultantes para 256 códigos fuente.
Como decíamos, la codificación lógica se produce antes que la física, por tanto, la llevan a cabo los equipos a nivel de enlace de red: adaptadores de red y bloques de interfaz de switches y routers. Ya que, como usted mismo ha podido comprobar, el uso de una tabla de consulta es una operación muy sencilla, por lo que el método de codificación lógica con códigos redundantes no complica los requisitos funcionales de este equipo.
El único requisito es que el transmisor que utiliza el código redundante debe funcionar a una velocidad de reloj más alta para proporcionar una capacidad de línea determinada. Si, para enviar códigos 4V/5V con velocidad 100 MB/s el transmisor debe operar a una frecuencia de reloj 125 MHz. En este caso, el espectro de la señal en la línea se amplía en comparación con el caso en el que se transmite un código puro, no redundante, a través de la línea. Sin embargo, el espectro del código potencial redundante es más estrecho que el espectro del código Manchester, lo que justifica la etapa adicional de codificación lógica, así como el funcionamiento del receptor y el transmisor a una frecuencia de reloj aumentada.
Así, se puede sacar la siguiente conclusión:
principalmente para redes locales más simple, más confiable, mejor, más rápido: use la codificación de datos lógicos usando códigos redundantes, lo que eliminará largas secuencias de ceros y garantizará la sincronización de la señal, luego use un código digital rápido para la transmisión a nivel físico NRZI, en lugar de usar un lento pero auto-sincronizador código de Manchester.
Por ejemplo, para transmitir datos sobre una línea con un ancho de banda de 100M bit/s y un ancho de banda de 100 MHz, el código NRZI requiere frecuencias de 25 - 50 MHz, esto es sin codificar 4V/5V. Y si se aplica a NRZI también codificación 4V/5V, ahora la banda de frecuencia se ampliará de 31,25 a 62,5 MHz. Sin embargo, este rango todavía "encaja" en el ancho de banda de la línea. Y para el código Manchester, sin utilizar ninguna codificación adicional, se necesitan frecuencias de 50 a 100 MHz, y estas son las frecuencias de la señal principal, pero ya no pasarán por la línea de 100 MHz.
5. 3.2 Codificación
Otro método de codificación lógica se basa en la "mezcla" preliminar de la información original de tal manera que la probabilidad de ocurrencia de unos y ceros en la línea se acerque.
Los dispositivos o bloques que realizan esta operación se denominan codificadores (codificación - volcado, montaje aleatorio).
En pelea los datos se mezclan de acuerdo con un cierto algoritmo y el receptor, habiendo recibido datos binarios, los transmite a decodificador, que restaura la secuencia de bits original.
El exceso de bits no se transmite por la línea.
La esencia de la codificación es simplemente un cambio bit a bit en el flujo de datos que pasa por el sistema. Casi la única operación utilizada en codificadores es XOR - "XOR bit a bit", o bien dicen - suma por módulo 2. Cuando se suman dos unidades por OR exclusivo, se descarta la unidad más alta y el resultado se escribe - 0.
El método de codificación es muy simple. Primero sube con un codificador. En otras palabras, se les ocurre qué proporción mezclar los bits en la secuencia original usando "OR exclusivo". Luego, de acuerdo con esta relación, los valores de ciertos bits se seleccionan de la secuencia actual de bits y se suman de acuerdo con XOR entre ellos mismos. En este caso, todos los bits se desplazan 1 bit y el valor recién recibido ("0" o "1") se coloca en el bit menos significativo liberado. El valor que estaba en el bit más significativo antes del cambio se agrega a la secuencia de codificación, convirtiéndose en su siguiente bit. Luego, esta secuencia se envía a la línea, donde, utilizando métodos de codificación física, se transmite al nodo receptor, en cuya entrada esta secuencia se decodifica en función de la relación inversa.
Por ejemplo, un codificador podría implementar la siguiente relación:
Dónde Bi- dígito binario del código resultante obtenido en el i-ésimo ciclo del codificador, AI- dígito binario del código fuente, que llega en el i-ésimo ciclo a la entrada del codificador, B i-3 y B i-5- dígitos binarios del código resultante obtenido en los ciclos anteriores del codificador, respectivamente, 3 y 5 ciclos anteriores al ciclo actual, - Operación XOR (suma módulo 2).
Ahora definamos la secuencia codificada, por ejemplo, para una secuencia de origen de este tipo. 110110000001 .
El modificador definido anteriormente producirá el siguiente código de resultado:
B 1 \u003d A 1 \u003d 1 (los primeros tres dígitos del código resultante serán los mismos que el original, ya que todavía no hay dígitos anteriores necesarios)
Por lo tanto, la salida del codificador será la secuencia 110001101111 . En el que no existe la secuencia de seis ceros que estaba presente en el código fuente.
Después de recibir la secuencia resultante, el receptor la pasa al decodificador, que reconstruye la secuencia original basándose en la relación inversa.
Hay otros algoritmos de codificación diferentes, difieren en la cantidad de términos que dan el dígito del código resultante y el cambio entre los términos.
El principal problema de la codificación basada codificadores: sincronización de los dispositivos de transmisión (codificación) y recepción (descodificación). Si al menos un bit se omite o se inserta erróneamente, toda la información transmitida se pierde de forma irreversible. Por lo tanto, en los sistemas de codificación basados en codificadores, se presta mucha atención a los métodos de sincronización. .
En la práctica, se suele utilizar una combinación de dos métodos para estos fines:
a) agregar bits de sincronización al flujo de información, que son conocidos de antemano por el lado receptor, lo que le permite, si no se encuentra dicho bit, comenzar a buscar activamente la sincronización con el remitente,
b) el uso de generadores de pulsos de tiempo de alta precisión, lo que permite decodificar los bits de información recibidos "desde la memoria" sin sincronización en momentos de pérdida de sincronización.
También existen métodos más simples para tratar con secuencias de unos, también clasificados como codificación.
Para mejorar el código IAM bipolar se utilizan dos métodos, basados en la distorsión artificial de la secuencia de ceros por símbolos prohibidos.
Arroz. 5.19 Códigos B8ZS y HDB3
Esta figura muestra el uso del método. B8ZS (Bipolar con sustitución de 8 ceros) y metodo HDB3 (3 ceros bipolares de alta densidad) para corregir el código AMI. El código fuente consta de dos largas secuencias de ceros (8- en el primer caso y 5 en el segundo).
Código B8ZS corrige solo secuencias que constan de 8 ceros. Para hacer esto, después de los primeros tres ceros, en lugar de los cinco ceros restantes, inserta cinco dígitos: V-1*-0-V-1*.V aquí denota una señal de una unidad prohibida para un ciclo dado de polaridad, es decir, una señal que no cambia la polaridad de la unidad anterior, 1 * - una señal de la unidad de polaridad correcta, y el signo de asterisco marca el hecho de que en el código fuente en este ciclo no había una unidad, sino un cero. Como resultado, el receptor ve 2 distorsiones en 8 ciclos de reloj; es muy poco probable que esto suceda debido al ruido en la línea u otras fallas de transmisión. Por lo tanto, el receptor considera dichas violaciones como una codificación de 8 ceros consecutivos y, al recibirlos, los reemplaza con los 8 ceros originales.
El código B8ZS está construido de tal manera que su componente constante es cero para cualquier secuencia de dígitos binarios.
Código HDB3 corrige 4 ceros consecutivos en la secuencia original. Las reglas para generar el código HDB3 son más complejas que las del código B8ZS. Cada cuatro ceros se reemplazan por cuatro señales que tienen una señal de V. Para suprimir el componente de CC, la polaridad de la señal V alterna con reemplazos sucesivos.
Además, se utilizan dos patrones de códigos de cuatro ciclos para el reemplazo. Si el código fuente contenía un número impar de unos antes del reemplazo, entonces se usa la secuencia 000V, y si el número de unidades fuera par, la secuencia 1*00V.
Por tanto, el uso de la codificación lógica junto con la codificación potencial proporciona las siguientes ventajas:
Los códigos candidatos mejorados tienen un ancho de banda bastante estrecho para cualquier secuencia de 1 y 0 que se produzca en los datos transmitidos. Como resultado, los códigos derivados del potencial por codificación lógica tienen un espectro más estrecho que Manchester, incluso a una frecuencia de reloj mayor.
