Métodos de transferencia en la capa física. Métodos para transmitir datos discretos a nivel físico. Fundamentos teóricos de la transmisión de datos.

Cuando se transmiten datos discretos a través de canales de comunicación, se utilizan dos tipos principales de codificación física, basados en señal portadora sinusoidal y basada en una secuencia de pulsos rectangulares. El primer método a menudo también se denomina modulación o modulación analógica, lo que enfatiza el hecho de que la codificación se lleva a cabo cambiando los parámetros de la señal analógica. El segundo método suele denominarse codificación digital. Estos métodos difieren en el ancho del espectro de la señal resultante y la complejidad del equipo requerido para su implementación.
Modulación analógica utilizado para la transmisión de datos discretos sobre canales de banda estrecha, tipificados por el canal de frecuencia de voz puesto a disposición de los usuarios de la red pública redes telefonicas. Una respuesta de frecuencia típica de un canal de frecuencia de voz se muestra en la fig. 2.12. Este canal transmite frecuencias en el rango de 300 a 3400 Hz, por lo que su ancho de banda es de 3100 Hz. Un dispositivo que realiza las funciones de modular una sinusoide portadora en el lado de transmisión y demodular en el lado de recepción se denomina módem (modulador - demodulador).
Métodos de modulación analógica
La modulación analógica es un método de codificación física en el que la información se codifica cambiando la amplitud, la frecuencia o la fase de una señal portadora sinusoidal.
El diagrama (Fig. 2.13, a) muestra la secuencia de bits de la información inicial, representada por potenciales de alto nivel para una unidad lógica y el potencial nivel cero para el cero lógico. Este método de codificación se denomina código potencial, que a menudo se usa cuando se transfieren datos entre bloques de computadora.
Con modulación de amplitud (Fig. 2.13, b), para una unidad lógica, se selecciona un nivel de amplitud de la sinusoide de frecuencia portadora, y para un cero lógico, otro. 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.
Con modulación de frecuencia (Fig. 2.13, c), los valores 0 y 1 de los datos iniciales se transmiten por sinusoides con diferentes frecuencias: f0 y f1. Este método de modulación no requiere circuitos complejos en los módems y normalmente se usa en módems de baja velocidad que funcionan a 300 o 1200 bps.
En la modulación de fase, los valores de datos de 0 y 1 corresponden a señales de la misma frecuencia pero con diferentes fases, 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.
Cuando se utilizan pulsos rectangulares para transmitir información discreta, es necesario elegir un método de codificación que lograría simultáneamente varios objetivos:
· tenía a la misma tasa de bits el ancho más pequeño del espectro de la señal resultante;
Sincronización proporcionada entre el transmisor y el receptor;
tenía la capacidad de reconocer errores;
Tiene un bajo costo de implementación.
Un espectro más estrecho de señales permite en la misma línea (con el mismo banda ancha) lograr tasas de transferencia de datos más altas. Además, el espectro de la señal a menudo requiere la ausencia de un componente constante, es decir, la presencia de una corriente continua entre el transmisor y el receptor. En particular, el uso de varios circuitos de aislamiento galvánico del transformador evita el paso de corriente continua.
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.
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, el reconocimiento de errores en la capa física ahorra tiempo, ya que el receptor no espera a que la trama se coloque por completo en el búfer, 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.

Cuando se transmiten datos discretos a través de canales de comunicación, se utilizan dos tipos principales de codificación física: basada en una señal portadora sinusoidal y basada en una secuencia de pulsos rectangulares. El primer método a menudo también se llama modulación o modulación analógica, enfatizando el hecho de que la codificación se realiza cambiando los parámetros de la señal analógica. La segunda forma suele llamarse codificación digital. Estos métodos difieren en el ancho del espectro de la señal resultante y la complejidad del equipo requerido para su implementación.

Cuando se utilizan pulsos rectangulares, el espectro de la señal resultante es muy amplio. Esto no es sorprendente si recordamos que el espectro de un momento ideal tiene un ancho infinito. El uso de una sinusoide da como resultado un espectro mucho más pequeño a la misma velocidad de información. Sin embargo, la implementación de modulación sinusoidal requiere equipos más complejos y costosos que la implementación de pulsos rectangulares.

En la actualidad, cada vez con mayor frecuencia, los datos que inicialmente tienen una forma analógica (habla, imagen de televisión) se transmiten a través de canales de comunicación en forma discreta, es decir, en forma de una secuencia de unos y ceros. El proceso de representar información analógica en forma discreta se llama modulación discreta. Los términos "modulación" y "codificación" a menudo se usan indistintamente.

2.2.1. Modulación analógica

La modulación analógica se utiliza para transmitir datos discretos a través de canales de ancho de banda estrecho, tipificados por canal de frecuencia de tono, puestos a disposición de los usuarios de las redes telefónicas públicas. Una respuesta de frecuencia típica de un canal de frecuencia de voz se muestra en la fig. 2.12. Este canal transmite frecuencias en el rango de 300 a 3400 Hz, por lo que su ancho de banda es de 3100 Hz. Aunque la voz humana tiene un espectro mucho más amplio, desde aproximadamente 100 Hz a 10 kHz, para una calidad de voz aceptable, el rango de 3100 Hz es Buena decisión. 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.

2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física 133

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).

Métodos de modulación analógica

La modulación analógica es un método de codificación física en el que la información se codifica cambiando la amplitud, la frecuencia o la fase de una señal portadora sinusoidal. Los principales métodos de modulación analógica se muestran en la fig. 2.13. En el diagrama (Fig. 2.13, A) se muestra una secuencia de bits de la información original, representada por potenciales de alto nivel para un uno lógico y un potencial de nivel cero para un cero lógico. Este método de codificación se denomina código potencial, que a menudo se usa cuando se transfieren datos entre bloques de computadora.

En Amplitud modulada(Figura 2.13, 6) 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 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.

En modulación de frecuencia(Fig. 2.13, c) los valores 0 y 1 de los datos iniciales se transmiten por sinusoides con diferentes frecuencias: fo y fi. Este método de modulación no requiere circuitos complejos en los módems y normalmente se usa en módems de baja velocidad que funcionan a 300 o 1200 bps.

En modulación de fase(Fig. 2.13, d) los valores de datos 0 y 1 corresponden a señales de la misma frecuencia, pero con una fase diferente, por ejemplo, 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.

Capitulo 2. Fundamentos de la comunicación de datos discretos

Espectro de la señal modulada

El espectro de la señal modulada resultante depende del tipo de modulación y de la tasa de modulación, es decir, la tasa de bits deseada de la información original.

Consideremos primero el espectro de la señal con codificación potencial. Sea una unidad lógica codificada por un potencial positivo y un cero lógico por un potencial negativo de la misma magnitud. Para simplificar los cálculos, asumimos que la información se transmite consistente en una secuencia infinita de ceros y unos alternados, como se muestra en la Fig. 2.13, A. Tenga en cuenta que en este caso baudios y bits por segundo son lo mismo.

Para la codificación potencial, el espectro se obtiene directamente de las fórmulas de Fourier para la función periódica. Si se transmiten datos discretos a una tasa de bits N bit/s, entonces el espectro consiste en un componente constante de frecuencia cero y una serie infinita de armónicos con frecuencias fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., donde fo = N/ 2. Las amplitudes de estos armónicos disminuyen bastante lentamente, con coeficientes 1/3, 1/5, 1/7,... de la amplitud armónica fo (Fig. 2.14, A). Como resultado, el espectro de código potencial requiere un amplio ancho de banda para una transmisión de alta calidad. Además, debe tenerse en cuenta que, en realidad, el espectro de la señal cambia constantemente según los datos que se transmiten a través de la línea de comunicación. Por ejemplo, la transmisión de una larga secuencia de ceros o unos desplaza el espectro hacia bajas frecuencias y, en el caso extremo, cuando los datos transmitidos consisten solo en unos (o solo ceros), el espectro consiste en el armónico de frecuencia cero. Cuando se transmite alternando unos y ceros, no hay componente de CC. Por lo tanto, el espectro de la señal de código potencial resultante durante la transmisión de datos arbitrarios ocupa una banda desde un valor cercano a 0 Hz hasta alrededor de 7fo (los armónicos con frecuencias superiores a 7fo pueden despreciarse debido a su pequeña contribución a la señal resultante). Para un canal de frecuencia de voz, el límite superior para la codificación potencial se alcanza para una tasa de datos de 971 bps, y el límite inferior es inaceptable para cualquier tasa, ya que el ancho de banda del canal comienza en 300 Hz. Como resultado, los códigos potenciales en los canales de frecuencia de voz nunca se utilizan.

2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física 135

Con modulación de amplitud, el espectro está formado por una sinusoide de la frecuencia portadora f c y dos armónicos laterales: (f c + f m) y (f c - f m), donde f m es la frecuencia de cambio del parámetro de información de la sinusoide, que coincide con la tasa de datos cuando se utilizan dos niveles de amplitud (Fig. 2.14, 6). La frecuencia f m determina la capacidad de la línea en este método codificación. Con una frecuencia de modulación pequeña, el ancho del espectro de la señal también será pequeño (igual a 2f m), por lo que las señales no serán distorsionadas por la línea si su ancho de banda es mayor o igual a 2f m. Para un canal de frecuencia de voz, este método de modulación es aceptable a una tasa de datos de no más de 3100/2 = 1550 bps. Si se utilizan 4 niveles de amplitud para representar datos, la capacidad del canal aumenta a 3100 bps.

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, estas modulaciones también son adecuadas para la transmisión de datos a través de un canal de frecuencia de voz.

Los métodos de modulación combinados se utilizan para aumentar la tasa de datos. Los métodos más comunes son modulación de amplitud en cuadratura (Modulación de amplitud en 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. Por ejemplo, en códigos Conducción 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.

2.2.2. Codificación digital

Al codificar digitalmente información discreta, se utilizan códigos de potencial e impulso.

En los códigos de potencial, 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. Los códigos de pulso permiten que los datos binarios se representen ya sea por pulsos de cierta polaridad o por una parte del pulso, por una caída potencial de cierta dirección.

Requisitos para los métodos de codificación digital

Cuando se utilizan pulsos rectangulares para transmitir información discreta, es necesario elegir un método de codificación que lograría simultáneamente varios objetivos:

Tenía a la misma tasa de bits el ancho más pequeño del espectro de la señal resultante;

Sincronización proporcionada entre el transmisor y el receptor;

Tenía la capacidad de reconocer errores;

Tiene un bajo costo de implementación.

136 Capítulo 2 Conceptos básicos de transferencia de datos discretos

Un espectro de señales más estrecho le permite lograr una tasa de transferencia de datos más alta en la misma línea (con el mismo ancho de banda). Además, el espectro de la señal a menudo requiere la ausencia de un componente constante, es decir, la presencia de una corriente continua entre el transmisor y el receptor. En particular, el uso de varios circuitos transformadores aislamiento galvánico impide el paso de corriente continua.

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 en el intercambio de datos entre dispositivos muy próximos, por ejemplo, entre unidades dentro de una computadora o entre una computadora y una impresora. En distancias cortas un circuito basado en una línea de comunicación de reloj separada (Fig. 2.15) funciona bien, de modo que la información se elimina de la línea de datos solo en el momento en que llega el pulso del 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 borde afilado en la señal, el llamado frente, puede ser 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, el reconocimiento de errores en la capa física ahorra tiempo, ya que el receptor no espera a que la trama esté completamente almacenada en el búfer, sino que la rechaza inmediatamente cuando se reconocen 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.

______________________________2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física _______137

Código potencial sin retorno a cero

En la fig. 2.16, y muestra el método mencionado anteriormente de codificación potencial, también llamado codificación sin volver a cero (Non Return to Zero, NRZ). El apellido refleja el hecho de que al transmitir una secuencia de unos, la señal no vuelve a cero durante el ciclo (como veremos más adelante, en otros métodos de codificación se produce una vuelta a cero en este caso). El método NRZ es fácil de implementar, tiene un buen reconocimiento 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 en la línea no cambia, por lo que el receptor no puede determinar a partir de la señal de entrada los momentos en que es necesario volver a leer los datos. 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 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.

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, muchos canales de comunicación no brindan

138 Capítulo 2 Fundamentos de la comunicación discreta

aquellos con conexión galvánica directa entre el receptor y la fuente no admiten este tipo de codificación. 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 tanto la mala autosincronización del código NRZ como la presencia de un componente constante. El atractivo del código NRZ, que hace que valga la pena mejorarlo, es la frecuencia fundamental fo bastante baja, que es igual a N/2 Hz, como se muestra en la sección anterior. Otros métodos de codificación, como la codificación Manchester, tienen una frecuencia fundamental más alta.

Método de codificación bipolar con inversión alternativa

Una de las modificaciones del método NRZ es el método codificación bipolar con inversión alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). En este método (Fig. 2.16, 6) Se utilizan tres niveles de potencial: 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, mientras que 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. Por lo tanto, el código AMI necesita mejoras adicionales, aunque la tarea se simplifica: solo quedan por tratar las secuencias de ceros.

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 una mayor banda ancha líneas. Por ejemplo, al transmitir unos y ceros alternados, el armónico fundamental fo 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).

El código AMI utiliza no dos, sino tres niveles de señal por línea. La capa adicional requiere un aumento en la potencia del transmisor de aproximadamente 3 dB para proporcionar la misma fidelidad de bits en la línea, lo que es una desventaja general de los códigos con múltiples estados de señal en comparación con los códigos que solo distinguen entre dos estados.

Código potencial con inversión en la unidad

Hay un código similar a AMI, pero con solo 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 la unidad

2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física 139

(No Retorno a Cero con Unos Invertidos, NRZI). Este código es útil en casos donde el uso de un tercer nivel de señal es altamente indeseable, por ejemplo, en cables ópticos, donde dos estados de señal se reconocen de manera confiable: claro y oscuro. Se utilizan dos métodos para mejorar códigos potenciales como AMI y NRZI. El primer método se basa en agregar fuente bits redundantes que contienen unidades lógicas. Obviamente, en este caso, se interrumpen largas secuencias de ceros y el código se autosincroniza 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 no se transportan unidades redundantes de información de usuario. Otro método se basa en la "mezcla" preliminar de la información inicial de tal manera que la probabilidad de aparición de unos y ceros en la línea se acerque. Los dispositivos o bloques que realizan esta operación se denominan codificadores(revoltijo - volcado, asamblea desordenada). Cuando se codifica, se usa un algoritmo 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. Ambos métodos se refieren a una codificación lógica más que física, ya que no determinan la forma de las señales en la línea. Se estudian con más detalle en la siguiente sección.

Código de pulso bipolar

Además de los códigos potenciales, las redes también usan códigos de pulso, cuando los datos se representan por un pulso 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 impulso de una polaridad, y cero es la otra (Fig. 2.16, V). Cada pulso dura medio ciclo. Tal código tiene excelentes propiedades de sincronización automática, pero puede estar presente un componente 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.

código de Manchester

En las redes locales, hasta hace poco tiempo, el método de codificación más común era el llamado código de Manchester(Fig. 2.16, d). Se utiliza en tecnologías Ethernet y Token Ring.

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

140 Capítulo 2 Conceptos básicos de comunicación discreta _____________________________________________

propiedades de autosincronización. 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. El código de Manchester tiene otra ventaja sobre el código de pulso bipolar. Este último utiliza tres niveles de señal para la transmisión de datos, mientras que Manchester utiliza dos.

Código potencial 2B1Q

En la fig. 2.16 d muestra un código potencial con cuatro niveles de señal para codificar datos. este es el codigo 2B1Q cuyo nombre refleja su esencia: cada dos bits (2B) se transmiten en un ciclo por una señal que tiene cuatro estados (1Q). El bit 00 es -2,5 V, el bit 01 es -0,833 V, AND es +0,833 V y el 10 es +2,5 V. Secuencias de pares de bits idénticos, ya que en este caso la señal se convierte en una componente constante. Con el entrelazado aleatorio de bits, 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 reloj. 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 en el contexto de la interferencia.

2.2.3. Codificación lógica

La codificación lógica se utiliza para mejorar los posibles códigos de tipo AMI, NRZI o 2Q1B. La codificación lógica debería reemplazar secuencias largas de bits que conducen a un potencial constante con otros intercalados. Como se señaló anteriormente, dos métodos son característicos de la codificación lógica: códigos redundantes y codificación.

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. Por ejemplo, el código lógico de 4V/5V utilizado en Tecnologías FDDI y Fast Ethernet, 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 el componente de CC y otorgar al código la propiedad de autosincronización, los códigos redundantes permiten

2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física 141

receptor para reconocer los bits ilegibles. Si el receptor recibe un código prohibido, significa que la señal ha sido distorsionada en la línea.

La correspondencia de la fuente y los códigos resultantes 4V/5V se presenta a continuación.

Luego, el código 4B/5B se transmite a través de la línea usando codificación física en uno de los posibles métodos de codificación que solo es sensible 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 3 6 =729 símbolos resultantes por cada 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.

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 Mb/s, 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.

Pelea

Mezclar los datos con un codificador antes de ponerlos en la línea con un código sincero es otra forma de codificación lógica.

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 recibidos en ciclos anteriores. Por ejemplo, un codificador podría implementar la siguiente relación:

Bi-Ai 8 Bi-s f Bi. 5 ,

donde bi es el dígito binario del código resultante recibido en el ciclo i-ésimo del codificador, ai es el dígito binario del código fuente recibido en el ciclo i-ésimo del codificador

142 Capítulo 2 Conceptos básicos de transferencia de datos discretos

entrada del codificador, В^з y B t .5 - dígitos binarios del código resultante obtenido en los ciclos anteriores del codificador, respectivamente, 3 y 5 ciclos antes del ciclo actual, 0 - Operación XOR (adición del módulo 2).

Por ejemplo, para la secuencia fuente 110110000001, el codificador dará el siguiente código de resultado:

bi = ai - 1 (los primeros tres dígitos del código resultante serán los mismos que el original, ya que aún no hay dígitos previos necesarios)

Así, la salida del codificador será la secuencia 110001101111, que no contiene 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:

Varios algoritmos de codificación difieren en la cantidad de términos que dan el dígito del código resultante y el cambio entre los términos. Entonces, en las redes ISDN, cuando se transfieren datos de una red a un suscriptor, se utiliza una transformación con turnos de 5 y 23 posiciones, y cuando se transfieren datos de un suscriptor a una red, con turnos de 18 y 23 posiciones.

Hay mas metodos simples lucha contra secuencias de unidades, también referidas a la clase de scrambling.

Para mejorar el código AMI Bipolar se utilizan dos métodos basados en la distorsión artificial de la secuencia de ceros por caracteres prohibidos.

En la fig. La Figura 2.17 muestra el uso del método B8ZS (Bipolar con Sustitución de 8 Ceros) y el método HDB3 (Bipolar de Alta Densidad con 3 Ceros) para corregir el código AMI. El código fuente consta de dos largas secuencias de ceros: en el primer caso, de 8, y en el segundo, de 5.

El código B8ZS corrige solo secuencias que constan de 8 ceros. Para ello, después de los tres primeros ceros, en lugar de los cinco ceros restantes, inserta cinco dígitos: V-1*-0-V-1*. V aquí denota una señal de uno, prohibido para un ciclo dado de polaridad, es decir, una señal que no cambia la polaridad de la anterior, 1* es una señal de una unidad de polaridad correcta, y un asterisco marca que

2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física 143

el hecho de que en el código fuente de 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.

El código HDB3 corrige cuatro 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 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 el código original contenía un número impar de 1 antes del reemplazo, entonces se usa la secuencia OOOV, y si el número de 1 era par, se usa la secuencia 1*OOV.

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. En la fig. 2.18 muestra los espectros de señales de diferentes códigos obtenidos mediante la transmisión de datos arbitrarios, en los que son igualmente probables varias combinaciones de ceros y unos en el código fuente. Al construir gráficos, el espectro se promedió sobre todos los conjuntos posibles de secuencias iniciales. Naturalmente, los códigos resultantes pueden tener una distribución diferente de ceros y unos. De la fig. 2.18 muestra que el código NRZ potencial tiene un buen espectro con un inconveniente: tiene un componente constante. Los códigos obtenidos del potencial por codificación lógica tienen un espectro más estrecho que el de Manchester, incluso a una frecuencia de reloj aumentada (en la figura, el espectro del código 4V / 5V debería coincidir aproximadamente con el código B8ZS, pero está desplazado

144 Glovo2 Fundamentos de la transmisión discreta de datos

a la región de frecuencias más altas, ya que su frecuencia de reloj se incrementa en 1/4 en comparación con otros códigos). Esto explica el uso de posibles códigos redundantes y codificados en tecnologías modernas como FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN, etc. en lugar de la codificación de pulso bipolar y Manchester.

2.2.4. Modulación discreta de señales analógicas

Una de las principales tendencias en el desarrollo de tecnologías de red es la transmisión de datos discretos y analógicos en la misma red. Las fuentes de datos discretos son computadoras y otros dispositivos informáticos, y las fuentes de datos analógicos son dispositivos como teléfonos, cámaras de video, equipos de sonido y video. En las primeras etapas para resolver este problema en las redes territoriales, todo tipo de datos se transmitían en forma analógica, mientras que los datos informáticos, de naturaleza discreta, se convertían a forma analógica mediante módems.

Sin embargo, a medida que se ha desarrollado la tecnología de recepción y transmisión de datos analógicos, ha quedado claro que transmitirlos en forma analógica no mejora la calidad de los datos recibidos en el otro extremo de la línea si se distorsionan significativamente durante la transmisión. La señal analógica en sí no da ninguna indicación de que se haya producido distorsión o cómo corregirla, ya que la forma de onda puede ser cualquier cosa, incluida la que fue registrada por el receptor. Mejorar la calidad de las líneas, especialmente las territoriales, requiere grandes esfuerzos e inversiones. Por lo tanto, la tecnología analógica para grabar y transmitir sonido e imágenes ha sido reemplazada por tecnología digital. Esta técnica utiliza la llamada modulación discreta de los procesos analógicos continuos en el tiempo originales.

Los métodos de modulación discreta se basan en la discretización de procesos continuos tanto en amplitud como en tiempo (Fig. 2.19). Considere los principios de la modulación de chispa usando el ejemplo modulación de código de pulso, PCM (modulación de amplitud de pulso, PAM), que es ampliamente utilizado en la telefonía digital.

La amplitud de la función continua original se mide con un período dado; debido a esto, se produce una discretización del tiempo. Luego, cada medida se representa como un número binario de cierta capacidad, lo que significa discretización por valores de función: un conjunto continuo de posibles valores de amplitud se reemplaza por un conjunto discreto de sus valores. Un dispositivo que realiza esta función se llama convertidor de analógico a digital (ADC). Después de eso, las mediciones se transmiten a través de los canales de comunicación en forma de una secuencia de unos y ceros. En este caso, se utilizan los mismos métodos de codificación que en el caso de transmisión de información inicialmente discreta, es decir, por ejemplo, métodos basados en el código B8ZS o 2B1Q.

En el lado receptor de la línea, los códigos se convierten en la secuencia de bits original y un equipo especial llamado convertidor de digital a analógico (DAC), realiza la demodulación de las amplitudes digitalizadas de una señal continua, restaurando la función continua original del tiempo.

La modulación discreta se basa en teoría del mapeo de Nyquist-Kotelnikov. De acuerdo con esta teoría, el análogo función continua, transmitido como una secuencia de sus valores discretos en el tiempo, se puede reconstruir con precisión si la frecuencia de muestreo fue dos o más veces mayor que la frecuencia del armónico más alto del espectro funcion original.

Si no se cumple esta condición, la función restaurada diferirá significativamente de la original.

La ventaja de los métodos digitales para registrar, reproducir y transmitir información analógica es la capacidad de controlar la confiabilidad de los datos leídos de un portador o recibidos a través de una línea de comunicación. Para hacer esto, puede aplicar los mismos métodos que se usan para los datos de la computadora (y se analizan con más detalle a continuación): el cálculo de la suma de verificación, la retransmisión de marcos corruptos, el uso de códigos de autocorrección.

Para la transmisión de voz de alta calidad en el método PCM, se utiliza una frecuencia de cuantificación de la amplitud de las vibraciones del sonido de 8000 Hz. Esto se debe a que en telefonía analógica se eligió para la transmisión de voz el rango de 300 a 3400 Hz, que transmite todos los armónicos principales de los interlocutores con suficiente calidad. De acuerdo a el teorema de Nyquist-Koteltkov para una transmisión de voz de calidad

146 Capítulo 2 Fundamentos de la comunicación discreta

es suficiente seleccionar una frecuencia de muestreo que sea el doble del armónico más alto de la señal continua, es decir, 2 x 3400 = 6800 Hz. La frecuencia de muestreo de 8000 Hz realmente elegida proporciona cierto margen de calidad. El método PCM generalmente usa 7 u 8 bits de código para representar la amplitud de una sola muestra. En consecuencia, esto da 127 o 256 gradaciones de la señal de audio, que es suficiente para una transmisión de voz de alta calidad. Cuando se utiliza el método PCM, se requiere un ancho de banda de 56 o 64 Kbps para transmitir un canal de voz, dependiendo de cuántos bits represente cada muestra. Si se utiliza para este propósito

7 bits, luego con una frecuencia de transmisión de medición de 8000 Hz obtenemos:

8000 x 7 = 56000 bps o 56 kbps; y para el caso de 8 bits:

8000 x 8 - 64000 bps o 64 Kbps.

El estándar es un canal digital de 64 kbps, también llamado canal elemental de las redes telefónicas digitales.

La transmisión de una señal continua en forma discreta requiere que las redes se adhieran estrictamente a un intervalo de tiempo de 125 μs (correspondiente a una tasa de muestreo de 8000 Hz) entre mediciones adyacentes, es decir, requiere transmisión de datos síncrona entre nodos de la red. Si no se observa el sincronismo de las mediciones entrantes, la señal original no se restaura correctamente, lo que conduce a la distorsión de la voz, la imagen u otra información multimedia transmitida a través de redes digitales. Por ejemplo, una distorsión de tiempo de 10 ms puede provocar un efecto de "eco", y los cambios entre muestras de 200 ms provocan la pérdida del reconocimiento de las palabras habladas. Al mismo tiempo, la pérdida de una medida, manteniendo el sincronismo entre las medidas restantes, prácticamente no tiene efecto sobre el sonido reproducido. Esto se debe a los dispositivos de suavizado en los convertidores de digital a analógico, que se basan en la propiedad de inercia de cualquier señal física- la amplitud de las vibraciones del sonido no puede cambiar instantáneamente en gran medida.

La calidad de la señal tras el DAC se ve afectada no solo por el sincronismo de las medidas recibidas en su entrada, sino también por el error de discretización de las amplitudes de estas medidas.

8 del teorema de Nyquist-Kotelnikov, se supone que las amplitudes de la función se miden exactamente, al mismo tiempo, el uso de números binarios con una longitud de palabra limitada para su almacenamiento distorsiona un poco estas amplitudes. En consecuencia, la señal continua restaurada se distorsiona, lo que se denomina ruido de muestreo (en amplitud).

Existen otros métodos de modulación discretos que le permiten representar las mediciones de voz en una forma más compacta, por ejemplo, como una secuencia de números de 4 o 2 bits. Al mismo tiempo, un canal de voz requiere menos ancho de banda, por ejemplo, 32 Kbps, 16 Kbps o incluso menos. Desde 1985 se utiliza el estándar de codificación de voz CCITT, denominado Modulación de Código de Pulso Diferencial Adaptativo (ADPCM). Los códigos ADPCM se basan en encontrar diferencias entre muestras de voz sucesivas, que luego se transmiten a través de la red. El código ADPCM utiliza 4 bits para almacenar una diferencia y la voz se transmite a 32 Kbps. Un método más moderno, la codificación predictiva lineal (LPC), hace que el muestreo de la función original sea menos frecuente, pero utiliza métodos para predecir la dirección del cambio en la amplitud de la señal. Con este método, puede reducir la velocidad de voz a 9600 bps.

2.2. Métodos de transferencia de datos discretos en la capa física 147

Los datos continuos presentados digitalmente se pueden transferir fácilmente a través de una red informática. Para hacer esto, es suficiente colocar varias medidas en el marco de algún estándar. tecnología de redes, proporcione el marco con la dirección de destino correcta y envíelo al destino. El destinatario debe extraer las medidas del marco y enviarlas con una frecuencia de cuantificación (para voz, a una frecuencia de 8000 Hz) a un convertidor de digital a analógico. A medida que lleguen los siguientes cuadros con medidas de voz, se debe repetir la operación. Si los fotogramas llegan lo suficientemente sincronizados, la calidad de la voz puede ser bastante alta. Sin embargo, como ya sabemos, los marcos en las redes informáticas pueden retrasarse tanto en los nodos finales (mientras esperan el acceso a un medio compartido) como en los dispositivos de comunicación intermedios: puentes, conmutadores y enrutadores. Por lo tanto, la calidad de la voz cuando se transmite digitalmente a través de Red de computadoras generalmente bajo. Para la transmisión de alta calidad de señales continuas digitalizadas (voces, imágenes), hoy en día se utilizan redes digitales especiales, como ISDN, ATM y redes televisión digital. No obstante, para la transmisión de conversaciones telefónicas intraempresariales, las redes de retransmisión de tramas son ahora típicas, cuyos retardos de transmisión de tramas se encuentran dentro de límites aceptables.

2.2.5. Transmisión asíncrona y síncrona

La capa de enlace opera en tramas de datos y proporciona sincronización entre el receptor y el transmisor a nivel de trama. Es responsabilidad del receptor reconocer el inicio del primer byte de la trama, reconocer los límites de los campos de la trama y reconocer el final de la bandera de la trama.

Por lo general, es suficiente garantizar la sincronización en estos dos niveles, bit y marco, para que el transmisor y el receptor puedan garantizar un intercambio estable de información. Sin embargo, si la calidad de la línea de comunicación es deficiente (por lo general, esto se aplica a los canales telefónicos conmutados), para reducir el costo del equipo y aumentar la confiabilidad de la transmisión de datos, fondos adicionales sincronización a nivel de byte.

Este modo de operación se llama asincrónico o inicio-parada. Otra razón para usar este modo de operación es la presencia de dispositivos que generan bytes de datos en momentos aleatorios tiempo. Así es como funciona el teclado de una pantalla u otro dispositivo terminal, desde el cual una persona ingresa datos para que los procese una computadora.

En modo asíncrono, cada byte de datos va acompañado de señales especiales de "inicio" y "parada" (Fig. 2.20, A). El propósito de estas señales es, en primer lugar, notificar al receptor de la llegada de datos y, en segundo lugar, dar al receptor tiempo suficiente para realizar algunas funciones relacionadas con la temporización antes de que llegue el siguiente byte. La señal de inicio tiene una duración de un intervalo de reloj, y la señal de parada puede durar uno, uno y medio o dos relojes, por lo que se dice que uno, uno y medio o dos bits se utilizan como señal de parada, aunque estas señales no representan bits de usuario.

El modo descrito se denomina asíncrono porque cada byte puede desplazarse ligeramente en el tiempo en relación con los ciclos bit a bit del anterior.

148 Capítulo 2 Conceptos básicos de transferencia de datos discretos

bytes Tal transmisión asíncrona de bytes no afecta la exactitud de los datos recibidos, ya que al comienzo de cada byte, el receptor se sincroniza adicionalmente con la fuente debido a los bits de "inicio". Las tolerancias de tiempo más "libres" determinan el bajo costo del equipo del sistema asíncrono.

En el modo de transferencia síncrona, no hay bits de inicio y parada entre cada par de bytes. Los datos del usuario se recopilan en un marco, que está precedido por bytes de sincronización (Fig. 2.20, b). El byte de sincronización es un byte que contiene un código conocido, como 0111110, que notifica al receptor que ha llegado una trama de datos. Al recibirlo, el receptor debe entrar en sincronización de bytes con el transmisor, es decir, comprender correctamente el comienzo del siguiente byte de la trama. A veces se utilizan varios bytes de sincronización para proporcionar una sincronización más fiable entre el receptor y el transmisor. Dado que el receptor puede tener problemas con la sincronización de bits cuando transmite una trama larga, en este caso se utilizan códigos de sincronización automática.

» Cuando se transmiten datos discretos a través de un canal de frecuencia de voz de banda estrecha utilizado en telefonía, los métodos de modulación analógica son los más adecuados, en los que la sinusoide de la portadora se modula mediante la secuencia original de dígitos binarios. Esta operación se lleva a cabo mediante dispositivos especiales: módems.

* Para la transmisión de datos a baja velocidad, se aplica un cambio en la frecuencia de la onda sinusoidal portadora. Los módems de mayor velocidad funcionan con métodos combinados de modulación de amplitud en cuadratura (QAM), que se caracterizan por 4 niveles de amplitud sinusoidal portadora y 8 niveles de fase. No todas las 32 combinaciones posibles del método QAM se utilizan para la transmisión de datos, las combinaciones prohibidas le permiten reconocer datos distorsionados a nivel físico.

* En los canales de comunicación de banda ancha, se utilizan métodos de codificación de pulso y potencial, en los que los datos se representan mediante diferentes niveles de un potencial de señal constante o polaridades de un pulso o su frente.

* Cuando se utilizan códigos de potencial, la tarea de sincronizar el receptor con el transmisor es de particular importancia, ya que al transmitir largas secuencias de ceros o unos, la señal en la entrada del receptor no cambia y es difícil que el receptor determine el momento de recoger el siguiente bit de datos.

___________________________________________2.3. Métodos de transmisión de la capa de enlace de datos _______149

* El código de potencial más simple es el código sin retorno a cero (NRZ), sin embargo, no es de sincronización automática y crea un componente de CC.

» El código de pulso más popular es el código Manchester, en el que la información es transportada por la dirección del borde de la señal en medio de cada ciclo. El código Manchester se utiliza en las tecnologías Ethernet y Token Ring.

» Para mejorar las propiedades de un posible código NRZ, se utilizan métodos de codificación lógica que excluyen secuencias largas de ceros. Estos métodos se basan en:

Sobre la introducción de bits redundantes en los datos originales (códigos de tipo 4V/5V);

Codificación de los datos originales (códigos como 2B1Q).

» Los códigos de potencial mejorados 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.

Cuando se transmiten datos discretos a través de canales de comunicación, se utilizan dos tipos principales de codificación física -basado señal portadora sinusoidal y basada en una secuencia de pulsos rectangulares. El primer método a menudo también se llama modulación o modulación analógica, enfatizando el hecho de que la codificación se realiza cambiando los parámetros de la señal analógica. La segunda forma suele llamarse codificación digital. Estos métodos difieren en el ancho del espectro de la señal resultante y la complejidad del equipo requerido para su implementación.

En la actualidad, cada vez con mayor frecuencia, los datos que inicialmente tienen una forma analógica (habla, imagen de televisión) se transmiten a través de canales de comunicación de forma discreta, es decir, en forma de una secuencia de unos y ceros. El proceso de representar información analógica en forma discreta se llama modulación discreta. Los términos "modulación" y "codificación" a menudo se usan indistintamente.

En codificación digital Se utilizan códigos de información discreta, potencial e impulso. En los códigos de potencial, 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. Los códigos de pulso permiten que los datos binarios se representen mediante pulsos de una determinada polaridad o mediante una parte del pulso: una caída potencial de una determinada 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.

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 borde agudo en la señal, el llamado borde, puede servir como una buena indicación para la sincronización del receptor con el transmisor. 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, el reconocimiento de errores en la capa física ahorra tiempo, ya que el receptor no espera a que la trama se coloque por completo en el búfer, sino que la rechaza inmediatamente después de la colocación. conocer los errores de bit dentro de un marco.

Código potencial sin retorno a cero, un método de codificación potencial, también llamado codificación sin volver a cero (No devolver a Cero, NRZ). El apellido refleja el hecho de que al transmitir una secuencia de unos, la señal no vuelve a cero durante el ciclo (como veremos más adelante, en otros métodos de codificación se produce una vuelta a cero en este caso). El método NRZ es fácil de implementar, tiene un buen reconocimiento 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 en la línea no cambia, por lo que el receptor no puede determinar a partir de la señal de entrada los momentos en que es necesario volver a leer los datos. 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 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.

Método de codificación bipolar con inversión alternativa. Una de las modificaciones del método NRZ es el método codificación bipolar con inversión alternativa (Bipolar Alterno Marca inversión, IAM). Este método utiliza tres niveles de potencial: 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, mientras que el potencial de cada nueva unidad es opuesto al potencial de la anterior. 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 (señal violación). En el código AMI no se utilizan dos, sino tres niveles de señal por línea. La capa adicional requiere un aumento en la potencia del transmisor de aproximadamente 3dB 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 distinguen entre dos estados.

Código potencial con inversión en la unidad. Hay un código similar a AMI, pero con solo 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 la unidad (No devolver a Cero con unos invertido, NRZI). Este código es útil en casos donde el uso de un tercer nivel de señal es altamente indeseable, por ejemplo, en cables ópticos, donde dos estados de señal se reconocen de manera confiable: claro y oscuro.

Código de pulso bipolar Además de los códigos potenciales, las redes también usan códigos de pulso cuando los datos están representados por un pulso 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. Tal código tiene excelentes propiedades de sincronización automática, pero puede estar presente un componente 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 NHz, que es dos veces mayor que el armónico fundamental del código NRZ y cuatro veces mayor que el armónico fundamental del código AMI cuando Transmitiendo unos y ceros alternados. Debido al espectro demasiado amplio, el código de pulso bipolar rara vez se usa.

Código de Manchester. En las redes locales, hasta hace poco tiempo, el método de codificación más común era el llamado Código de Manchester. Se utiliza en tecnologías Ethernet y TokenRing. 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 está codificada por un nivel de señal de bajo a alto, y un cero está codificado por un borde inverso. 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 autosincronización. El ancho de banda del código Manchester es más estrecho que el del pulso bipolar. 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. El código de Manchester tiene otra ventaja sobre el código de pulso bipolar. Este último utiliza tres niveles de señal para la transmisión de datos, mientras que Manchester utiliza dos.

Código de potencial 2B 1Q. Código potencial con cuatro niveles de señal para codificar datos. este es el codigo 2 EN 1q, cuyo nombre refleja su esencia: cada dos bits (2B) se transmiten en un ciclo por una señal que tiene cuatro estados (1Q). El bit 00 es -2,5 V, el bit 01 es -0,833 V, el 11 es +0,833 V y el 10 es +2,5 V. Con este método de codificación, se requieren medidas adicionales para manejar secuencias largas de pares de bits idénticos, ya que la señal se convierte entonces en un componente constante. Con el entrelazado aleatorio de bits, 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 reloj. Por lo tanto, usando el código 2B 1Q, puede transferir datos el doble de rápido en la misma línea 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 en el contexto de la interferencia.

Codificación lógica La codificación lógica se utiliza para mejorar códigos potenciales como AMI, NRZI o 2Q.1B. La codificación lógica debería reemplazar secuencias largas de bits que conducen a un potencial constante con otros intercalados. Como se señaló anteriormente, dos métodos son característicos de la codificación lógica: códigos redundantes y codificación.

Pelea. Mezclar los datos con un codificador antes de ponerlos en la línea con un código sincero es otra forma de codificación lógica. 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 recibidos en ciclos anteriores. Por ejemplo, un codificador podría implementar la siguiente relación:

Transmisión asíncrona y síncrona

Cuando los datos se intercambian en la capa física, la unidad de información es un bit, por lo que la capa física significa mantener siempre la sincronización bit a bit entre el receptor y el transmisor. Por lo general, es suficiente garantizar la sincronización en estos dos niveles, bit y marco, para que el transmisor y el receptor puedan garantizar un intercambio estable de información. Sin embargo, si la calidad de la línea de comunicación es deficiente (esto suele aplicarse a los canales telefónicos conmutados), se introducen medios adicionales de sincronización a nivel de byte para reducir el costo del equipo y aumentar la confiabilidad de la transmisión de datos.

Este modo de operación se llama asincrónico o inicio-parada. En modo asíncrono, cada byte de datos va acompañado de señales especiales de inicio y parada. El propósito de estas señales es, en primer lugar, notificar al receptor de la llegada de datos y, en segundo lugar, dar al receptor tiempo suficiente para realizar algunas funciones relacionadas con la temporización antes de que llegue el siguiente byte. La señal de inicio tiene una duración de un intervalo de reloj, y la señal de parada puede durar uno, uno y medio o dos relojes, por lo que se dice que uno, uno y medio o dos bits se utilizan como señal de parada, aunque estas señales no representan bits de usuario.

En el modo de transferencia síncrona, no hay bits de inicio y parada entre cada par de bytes. conclusiones

Cuando se transmiten datos discretos a través de un canal de frecuencia de voz de banda estrecha utilizado en telefonía, los métodos de modulación analógica son los más adecuados, en los que la sinusoide de la portadora es modulada por la secuencia original de dígitos binarios. Esta operación se lleva a cabo mediante dispositivos especiales: módems.

Para la transmisión de datos a baja velocidad, se utiliza un cambio en la frecuencia de la sinusoide portadora. Los módems de mayor velocidad funcionan con métodos combinados de modulación de amplitud en cuadratura (QAM), que se caracterizan por 4 niveles de amplitud sinusoidal portadora y 8 niveles de fase. No todas las 32 combinaciones posibles del método QAM se utilizan para la transmisión de datos, las combinaciones prohibidas permiten reconocer datos distorsionados a nivel físico.

En los canales de comunicación de banda ancha, se utilizan métodos de codificación de pulso y potencial, en los que los datos se representan mediante diferentes niveles de un potencial de señal constante o polaridad de pulso o su frente.

Cuando se utilizan códigos de potencial, la tarea de sincronizar el receptor con el transmisor es de particular importancia, ya que al transmitir largas secuencias de ceros o unos, la señal en la entrada del receptor no cambia y es difícil que el receptor determine el momento de recogiendo el siguiente bit de datos.

El código potencial más simple es el código sin retorno a cero (NRZ), pero no es de sincronización automática y crea un componente de CC.

El código de pulso más popular es el código Manchester, en el que la información es transportada por la dirección del borde de la señal en medio de cada ciclo. El código Manchester se utiliza en las tecnologías Ethernet y TokenRing.

Para mejorar las propiedades de un código NRZ potencial, se utilizan métodos de codificación lógica que excluyen secuencias largas de ceros. Estos métodos se basan en:

Sobre la introducción de bits redundantes en los datos originales (códigos de tipo 4V/5V);

Codificación de los datos originales (códigos como 2B 1Q).

Los códigos de potencial mejorados tienen un espectro más estrecho que los códigos de pulso, por lo que se utilizan en tecnologías de alta velocidad como FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

Físico La capa se ocupa de la transmisión real de bits sin procesar a través de

canal de comunicación.

La transferencia de datos en redes informáticas de una computadora a otra se lleva a cabo secuencialmente, poco a poco. Físicamente, los bits de datos se transmiten a través de canales de datos en forma de señales analógicas o digitales.

Un conjunto de medios (líneas de comunicación, equipos para transmitir y recibir datos) que sirve para transmitir datos en redes informáticas se denomina canal de transmisión de datos. Según la forma de la información transmitida, los canales de transmisión de datos se pueden dividir en analógicos (continuos) y digitales (discretos).

Dado que el equipo para transmitir y recibir datos trabaja con datos en forma discreta (es decir, unidades discretas y ceros de datos corresponden a datos discretos). señales eléctricas), luego cuando se transmiten a través de canal analógico se requiere la conversión de datos discretos a datos analógicos (modulación).

Al recibir dichos datos analógicos, es necesaria una conversión inversa: demodulación. Modulación/demodulación: los procesos de conversión de información digital en señales analógicas y viceversa. Durante la modulación, la información se representa mediante una señal sinusoidal de la frecuencia que transmite bien el canal de datos.

Los métodos de modulación incluyen:

Amplitud modulada;

· modulación de frecuencia;

modulación de fase.

Al transferir señales discretas a través de un canal de datos digitales, se utiliza la codificación:

· potencial;

impulsivo.

Por lo tanto, la codificación de potencial o impulso se aplica en los canales Alta calidad, y la modulación sinusoidal es preferible en los casos en que el canal introduce una distorsión severa en las señales transmitidas.

Por lo general, la modulación se utiliza en redes globales al transmitir datos a través de circuitos telefónicos analógicos, que fueron diseñados para transmitir voz en forma analógica y, por lo tanto, no son adecuados para la transmisión directa de impulsos.

Dependiendo de los métodos de sincronización, los canales de transmisión de datos Red de computadoras Se puede dividir en síncrono y asíncrono. La sincronización es necesaria para que el nodo transmisor de datos pueda enviar algún tipo de señal al nodo receptor, de modo que el nodo receptor sepa cuándo comenzar a recibir los datos entrantes.

La transmisión de datos síncrona requiere una línea de comunicación adicional para transmitir pulsos de reloj. La transmisión de bits por parte de la estación transmisora y su recepción por parte de la estación receptora se realiza en los momentos de aparición de los pulsos de reloj.

Con la transferencia de datos asíncrona, no se requiere una línea de comunicación adicional. En este caso, la transferencia de datos se realiza en bloques de longitud fija (bytes). La sincronización se realiza mediante bits adicionales (bits de inicio y bits de parada) que se transmiten antes y después del byte transmitido.

Al intercambiar datos entre nodos de redes informáticas, se utilizan tres métodos de transferencia de datos:

transmisión símplex (unidireccional) (televisión, radio);

semidúplex (la recepción / transmisión de información se realiza alternativamente);

dúplex (bidireccional), cada nodo transmite y recibe datos simultáneamente (por ejemplo, conversaciones telefónicas).

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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 Diferentes tipos de 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 trabaja para bajas frecuencias 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.

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

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:

Básicamente, para las redes locales es más fácil, más confiable, mejor y más rápido: usar 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.

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