Diszkrét adatok kommunikációs csatornákon történő továbbításakor a fizikai kódolás két fő típusát alkalmazzák - az alapján szinuszos vivőjel és téglalap alakú impulzusok sorozatán alapul. Az első módszert gyakran modulációnak vagy analóg modulációnak is nevezik, hangsúlyozva azt a tényt, hogy a kódolás az analóg jel paramétereinek megváltoztatásával történik. A második módszert általában digitális kódolásnak nevezik. Ezek a módszerek a kapott jel spektrumának szélességében és a megvalósításukhoz szükséges berendezések bonyolultságában különböznek egymástól.
Analóg moduláció diszkrét adatok keskeny sávú csatornákon történő továbbítására szolgál, amelyet a nyilvános felhasználók számára elérhető hangfrekvenciás csatorna jellemez. telefonhálózatok. Egy hangfrekvenciás csatorna tipikus frekvenciaválasza látható az 1. ábrán. 2.12. Ez a csatorna 300-3400 Hz tartományban sugároz frekvenciákat, így a sávszélessége 3100 Hz. Modemnek (modulátor - demodulátor) nevezzük azt az eszközt, amely az adó oldalon vivő szinuszos modulációt, a vevő oldalon pedig demodulációt hajt végre.
Analóg modulációs módszerek
Az analóg moduláció egy fizikai kódolási módszer, amelyben az információt egy szinuszos vivőjel amplitúdójának, frekvenciájának vagy fázisának megváltoztatásával kódolják.
A diagram (2.13. ábra, a) a kiindulási információ bitsorozatát mutatja, amelyet egy logikai egység magas szintű potenciáljai és a potenciál képvisel. nulla szint logikai nullához. Ezt a kódolási módszert potenciálkódnak nevezik, amelyet gyakran használnak számítógépblokkok közötti adatátvitelkor.
Az amplitúdómodulációval (2.13. ábra, b) egy logikai egységhez a vivőfrekvenciás szinuszos amplitúdó egy szintjét választjuk ki, a logikai nullánál pedig egy másikat. Ezt a módszert a gyakorlatban ritkán használják tiszta formájában az alacsony zajtűrés miatt, de gyakran más típusú modulációval - fázismodulációval kombinálva.
Frekvenciamodulációval (2.13. ábra, c) a kezdeti adatok 0 és 1 értékeit különböző frekvenciájú szinuszok továbbítják - f0 és f1. Ez a modulációs módszer nem igényel bonyolult áramkört a modemekben, és jellemzően alacsony sebességű, 300 vagy 1200 bps-os modemekben használatos.
A fázismodulációban a 0 és 1 adatértékek azonos frekvenciájú, de különböző fázisú jeleknek felelnek meg, például 0 és 180 fok vagy 0,90, 180 és 270 fok.
A nagy sebességű modemekben gyakran alkalmaznak kombinált modulációs módszereket, általában amplitúdó és fázis kombinációját.
Ha téglalap alakú impulzusokat használunk diszkrét információk továbbítására, olyan kódolási módszert kell választani, amely egyszerre több célt is elér:
· azonos bitsebességgel rendelkezett a kapott jel spektrumának legkisebb szélességével;
Biztosított szinkronizálás az adó és a vevő között;
képes volt felismerni a hibákat;
Alacsony megvalósítási költséggel rendelkezik.
A jelek szűkebb spektruma lehetővé teszi ugyanazon a vonalon (ugyanazzal sávszélesség) nagyobb adatátviteli sebességet érhet el. Ezenkívül a jelspektrum gyakran megköveteli az állandó komponens hiányát, vagyis az adó és a vevő közötti egyenáram jelenlétét. Különösen a transzformátorok különféle galvanikus leválasztó áramkörei akadályozzák meg az egyenáram áthaladását.
Az adó és a vevő szinkronizálására azért van szükség, hogy a vevő pontosan tudja, mikor kell új információt olvasni a kommunikációs vonalról.
A torz adatok felismerése és kijavítása a fizikai réteg segítségével nehezen kivitelezhető, ezért ezt a munkát leggyakrabban a felette lévő protokollok végzik: csatorna, hálózat, szállítás vagy alkalmazás. Másrészt a fizikai réteg hibafelismerése időt takarít meg, mivel a vevő nem várja meg, hogy a keret teljesen bekerüljön a pufferbe, hanem azonnal elutasítja azt, ha a kereten belüli hibás biteket felismeri.
A kódolási módszerekkel szemben támasztott követelmények egymásnak ellentmondóak, ezért az alábbiakban tárgyalt népszerű digitális kódolási módszerek mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai a többihez képest.

Amikor diszkrét adatokat továbbítanak kommunikációs csatornákon, a fizikai kódolás két fő típusát alkalmazzák - szinuszos vivőjelen és téglalap alakú impulzusok sorozatán alapulva. Az első módszert gyakran ún moduláció vagy analóg moduláció, hangsúlyozva azt a tényt, hogy a kódolás az analóg jel paramétereinek megváltoztatásával történik. A második módot általában hívják digitális kódolás. Ezek a módszerek a kapott jel spektrumának szélességében és a megvalósításukhoz szükséges berendezések bonyolultságában különböznek egymástól.

Téglalap alakú impulzusok használatakor a kapott jel spektruma nagyon széles. Ez nem meglepő, ha emlékezünk arra, hogy az ideális impulzus spektruma végtelen szélességű. A szinusz használata sokkal kisebb spektrumot eredményez azonos információsebességgel. A szinuszos moduláció megvalósítása azonban bonyolultabb és drágább berendezéseket igényel, mint a téglalap alakú impulzusok megvalósítása.

Jelenleg a kezdetben analóg formájú adatokat - beszédet, televíziós képet - egyre gyakrabban továbbítják a kommunikációs csatornákon diszkrét formában, azaz egyesek és nullák sorozataként. Az analóg információ diszkrét formában való megjelenítésének folyamatát ún diszkrét moduláció. A „moduláció” és „kódolás” kifejezéseket gyakran felcserélhetően használják.

2.2.1. Analóg moduláció

Az analóg moduláció diszkrét adatok továbbítására szolgál keskeny sávszélességű csatornákon, amelyekre jellemző a hangfrekvenciás csatorna, elérhetővé teszik a nyilvános telefonhálózatok felhasználói számára. Egy hangfrekvenciás csatorna tipikus frekvenciaválasza látható az 1. ábrán. 2.12. Ez a csatorna 300-3400 Hz tartományban sugároz frekvenciákat, így a sávszélessége 3100 Hz. Bár az emberi hang sokkal szélesebb spektrummal rendelkezik - körülbelül 100 Hz-től 10 kHz-ig - az elfogadható beszédminőség érdekében, a 3100 Hz-es tartomány jó döntés. A hangcsatorna szigorú sávszélesség-korlátozása a telefonhálózatokban multiplexelő és áramkörkapcsoló berendezések használatához kapcsolódik.

2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen 133

Az adó oldalon vivő szinusz moduláció, a vevő oldalon demodulálás funkciót ellátó eszközt ún. modem(modulátor-demodulátor).

Analóg modulációs módszerek

Az analóg moduláció egy fizikai kódolási módszer, amelyben az információt egy szinuszos vivőjel amplitúdójának, frekvenciájának vagy fázisának megváltoztatásával kódolják. Az analóg moduláció főbb módszereit az 1. ábra mutatja. 2.13. A diagramon (2.13. ábra, A) Az eredeti információ bitsorozata látható, amelyet magas szintű potenciálok képviselnek egy logikai egynél és nulla szintű potenciál a logikai nullánál. Ezt a kódolási módszert potenciálkódnak nevezik, amelyet gyakran használnak számítógépblokkok közötti adatátvitelkor.

Nál nél amplitúdó moduláció(2.13. ábra, 6) logikai egyhez a vivőfrekvenciás szinusz amplitúdójának egy szintje van kiválasztva, logikai nullához pedig egy másik. Ezt a módszert a gyakorlatban ritkán használják tiszta formájában az alacsony zajtűrés miatt, de gyakran más típusú modulációval - fázismodulációval kombinálva.

Nál nél frekvencia moduláció(2.13. ábra, c) a kiindulási adatok 0 és 1 értékeit különböző frekvenciájú szinuszok - fo és fi - továbbítják. Ez a modulációs módszer nem igényel bonyolult áramkört a modemekben, és jellemzően alacsony sebességű, 300 vagy 1200 bps-os modemekben használatos.

Nál nél fázis moduláció(2.13. ábra, d) A 0 és 1 adatértékek azonos frekvenciájú, de eltérő fázisú jeleknek felelnek meg, például 0 és 180 fok vagy 0,90, 180 és 270 fok.

A nagy sebességű modemekben gyakran alkalmaznak kombinált modulációs módszereket, általában amplitúdó és fázis kombinációját.

2. fejezet A diszkrét adatkommunikáció alapjai

A modulált jel spektruma

A kapott modulált jel spektruma a moduláció típusától és a modulációs sebességtől, azaz az eredeti információ kívánt bitsebességétől függ.

Tekintsük először a potenciálkódolt jel spektrumát. Legyen egy logikai egységet pozitív, a logikai nullát pedig egy azonos nagyságú negatív potenciál kódolva. A számítások egyszerűsítése érdekében feltételezzük, hogy az információ továbbítása váltakozó egyesek és nullák végtelen sorozatából áll, amint az az ábrán látható. 2.13, A. Vegye figyelembe, hogy be ez az eset a baud és a bit/másodperc azonos.

A potenciálkódoláshoz a spektrumot közvetlenül a periodikus függvény Fourier-képleteiből kapjuk. Ha diszkrét adatot N bit/s bitsebességgel továbbítunk, akkor a spektrum nulla frekvenciájú állandó összetevőből és felharmonikusok végtelen sorozatából áll fo, 3fo, 5fo, 7fo,... frekvenciájú, ahol fo = N/ 2. Ezeknek a harmonikusoknak az amplitúdója meglehetősen lassan csökken - az fo harmonikus amplitúdó 1/3, 1/5,1/7,... együtthatóival (2.14. ábra, A). Ennek eredményeként a potenciális kódspektrum széles sávszélességet igényel a jó minőségű átvitelhez. Ezenkívül figyelembe kell venni, hogy a valóságban a jel spektruma folyamatosan változik attól függően, hogy milyen adatot továbbítanak a kommunikációs vonalon. Például a nullák vagy egyesek hosszú sorozatának átvitele a spektrumot alacsony frekvenciák felé tolja el, és szélsőséges esetben, amikor a továbbított adatok csak egyesekből (vagy csak nullákból) állnak, a spektrum a nullafrekvenciás harmonikusból áll. Váltakozó egyesek és nullák átvitelekor nincs egyenáramú komponens. Ezért az így létrejövő potenciál kódjel spektruma tetszőleges adatok átvitele során valamilyen 0 Hz-hez közeli értéktől körülbelül 7fo-ig terjedő sávot foglal el (a 7fo-nál nagyobb frekvenciájú harmonikusok elhanyagolhatók, mivel kis mértékben járulnak hozzá a kapott jelhez). Egy hangfrekvenciás csatorna esetében a lehetséges kódolás felső határa 971 bps adatsebességnél érhető el, az alsó határ pedig bármilyen sebességnél elfogadhatatlan, mivel a csatorna sávszélessége 300 Hz-nél kezdődik. Ennek eredményeként a hangfrekvenciás csatornákon soha nem használják fel a potenciális kódokat.

2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen 135

Az amplitúdómodulációval a spektrum egy f c vivőfrekvenciás szinuszból és két oldalharmonikusból áll: (f c + f m) és (f c - f m), ahol f m a szinusz információs paraméterének változási frekvenciája, amely egybeesik az adatsebesség két amplitúdószint használata esetén (2.14. ábra, 6). Az f m frekvencia határozza meg a vezeték kapacitását at ez a módszer kódolás. Kis modulációs frekvencia esetén a jel spektrum szélessége is kicsi lesz (2f m), így a jeleket nem torzítja a vonal, ha a sávszélessége nagyobb vagy egyenlő, mint 2f m. Hangfrekvenciás csatorna esetén ez a modulációs módszer legfeljebb 3100/2=1550 bps adatsebességgel elfogadható. Ha 4 amplitúdószintet használunk az adatok megjelenítésére, akkor a csatorna kapacitása 3100 bps-ra nő.

Fázis- és frekvenciamodulációnál bonyolultabb a jelspektrum, mint amplitúdómodulációnál, hiszen itt kettőnél több oldalharmonikus képződik, de ezek is szimmetrikusan helyezkednek el a fő vivőfrekvenciához képest, és amplitúdójuk gyorsan csökken. Ezért ezek a modulációk kiválóan alkalmasak hangfrekvenciás csatornán keresztüli adatátvitelre is.

Az adatsebesség növelésére kombinált modulációs módszereket alkalmaznak. A leggyakoribb módszerek a kvadratúra amplitúdó moduláció (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Ezek a módszerek a fázismoduláció 8 fáziseltolási értékkel és az amplitúdómoduláció 4 amplitúdószintű kombinációján alapulnak. A lehetséges 32 jelkombináció közül azonban nem mindegyiket használják. Például kódokban Lugas csak 6, 7 vagy 8 kombináció használható az eredeti adatok megjelenítésére, a többi kombináció tilos. Ilyen kódolási redundanciára van szükség ahhoz, hogy a modem felismerje az interferencia miatti torzulásból adódó hibás jeleket, amelyek a telefoncsatornákon, különösen a kapcsolt csatornákon, amplitúdójukban és időben nagyon jelentősek.

2.2.2. Digitális kódolás

A diszkrét információk digitális kódolásakor potenciál- és impulzuskódokat használnak.

A potenciálkódokban csak a jelpotenciál értékét használjuk a logikai egyesek és nullák ábrázolására, ennek teljes impulzusokat képező cseppjeit pedig nem vesszük figyelembe. Az impulzuskódok lehetővé teszik a bináris adatok megjelenítését vagy egy bizonyos polaritású impulzusokkal, vagy az impulzus egy részével - egy bizonyos irányú potenciáleséssel.

A digitális kódolási módszerek követelményei

Ha téglalap alakú impulzusokat használunk diszkrét információk továbbítására, olyan kódolási módszert kell választani, amely egyszerre több célt is elér:

Az eredményül kapott jel spektrumának legkisebb szélessége volt azonos bitsebességgel;

Biztosított szinkronizálás az adó és a vevő között;

Képes volt felismerni a hibákat;

Alacsony megvalósítási költséggel rendelkezik.

136 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

A szűkebb jelspektrum lehetővé teszi nagyobb adatátviteli sebesség elérését ugyanazon a vonalon (azonos sávszélesség mellett). Ezenkívül a jelspektrum gyakran megköveteli az állandó komponens hiányát, vagyis az adó és a vevő közötti egyenáram jelenlétét. Különösen a különféle transzformátor áramkörök használata galvanikus leválasztás megakadályozza az egyenáram áramlását.

Az adó és a vevő szinkronizálására azért van szükség, hogy a vevő pontosan tudja, mikor kell új információt olvasni a kommunikációs vonalról. Ezt a problémát a hálózatokban nehezebb megoldani, mint a szorosan elhelyezett eszközök, például a számítógépen belüli egységek vagy a számítógép és a nyomtató közötti adatcserénél. Tovább rövid távolságok jól működik egy külön órajeles kommunikációs vonalra épülő áramkör (2.15. ábra), így az információ csak az óraimpulzus megérkezésekor kerül ki az adatvonalból. A hálózatokban ennek a sémának a használata nehézségeket okoz a kábelekben lévő vezetők jellemzőinek heterogenitása miatt. Nagy távolságokon a jelsebesség hullámzása miatt az óra olyan későn vagy túl korán érkezik meg a megfelelő adatjelhez, hogy egy adatbit kihagyásra vagy újraolvasásra kerül. Egy másik ok, amiért a hálózatok megtagadják az óraimpulzusok használatát, az, hogy a vezetőket drága kábelekben kell megtakarítani.

Ezért a hálózatok az ún önszinkronizáló kódok, amelyek jelei jelzéseket hordoznak az adó számára, hogy mikor kell felismerni a következő bitet (vagy több bitet, ha a kód kettőnél több jelállapotra van orientálva). A jel bármely éles éle - az úgynevezett front - jó jelzés lehet a vevő és az adó szinkronizálására.

Ha szinuszokat használunk vivőjelként, a kapott kód önszinkronizációs tulajdonsággal rendelkezik, mivel a vivőfrekvencia amplitúdójának változása lehetővé teszi a vevő számára, hogy meghatározza a bemeneti kód megjelenésének pillanatát.

A torz adatok felismerése és kijavítása a fizikai réteg segítségével nehezen kivitelezhető, ezért ezt a munkát leggyakrabban a felette lévő protokollok végzik: csatorna, hálózat, szállítás vagy alkalmazás. Másrészt a fizikai réteg hibafelismerése időt takarít meg, mivel a vevő nem várja meg, hogy a keret teljesen bekerüljön a pufferbe, hanem azonnal elutasítja azt, ha a kereten belüli hibás biteket felismeri.

A kódolási módszerekkel szemben támasztott követelmények egymásnak ellentmondóak, ezért az alábbiakban tárgyalt népszerű digitális kódolási módszerek mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai a többihez képest.

______________________________2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen _______137

Potenciális kód nullához való visszatérés nélkül

ábrán. 2.16, és bemutatja a potenciális kódolás korábban említett módszerét, amelyet kódolásnak is neveznek nullára való visszatérés nélkül (Non Return to Zero, NRZ). A vezetéknév azt a tényt tükrözi, hogy egyesek sorozatának továbbításakor a jel nem tér vissza nullára a ciklus során (amint azt alább látni fogjuk, más kódolási módszereknél ilyenkor a nullához való visszatérés történik). Az NRZ módszer könnyen megvalósítható, jó hibafelismeréssel rendelkezik (két élesen eltérő potenciál miatt), de nem rendelkezik az önszinkronizációs tulajdonsággal. Egyesek vagy nullák hosszú sorozatának továbbításakor a vonalon a jel nem változik, így a vevő nem tudja meghatározni a bemeneti jelből azokat az időpontokat, amikor szükséges az adatok újbóli kiolvasása. Még egy nagy pontosságú órajelgenerátornál is hibázhat a vevő az adatgyűjtés pillanatában, mivel a két generátor frekvenciája soha nem teljesen azonos. Ezért nagy adatsebesség és hosszú egyesek vagy nullák sorozata esetén az órafrekvenciák kis eltérése hibához vezethet egy teljes ciklusban, és ennek megfelelően hibás bitérték kiolvasásához vezethet.

Az NRZ-módszer másik komoly hátránya egy alacsony frekvenciájú komponens jelenléte, amely közelít a nullához, amikor egyesek vagy nullák hosszú sorozatait továbbítják. Emiatt sok kommunikációs csatorna nem biztosítja

138 2. fejezet A diszkrét kommunikáció alapjai

azok, amelyek közvetlen galvanikus kapcsolattal rendelkeznek a vevő és a forrás között, nem támogatják az ilyen típusú kódolást. Ennek eredményeként az NRZ kód tiszta formájában nem használatos a hálózatokban. Ennek ellenére alkalmazzák különféle módosításait, amelyekben mind az NRZ-kód rossz önszinkronizálása, mind az állandó komponens jelenléte kiküszöbölhető. Az NRZ kód vonzereje, ami miatt érdemes továbbfejleszteni, a meglehetősen alacsony fo alapfrekvencia, amely N/2 Hz-nek felel meg, ahogy az előző részben is látható volt. Más kódolási módszerek, például Manchester, magasabb alapfrekvenciával rendelkeznek.

Bipoláris kódolási módszer alternatív inverzióval

Az NRZ módszer egyik módosítása a módszer bipoláris kódolás alternatív inverzióval (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). Ennél a módszernél (2.16. ábra, 6) három potenciálszintet használnak - negatív, nulla és pozitív. A logikai nulla kódolásához nulla potenciált használnak, a logikai egységet pedig pozitív vagy negatív potenciál kódolja, miközben minden új egység potenciálja ellentétes az előző potenciáljával.

Az AMI kód ​​részben kiküszöböli a DC-t és az NRZ kódban rejlő önidőzítési problémák hiányát. Ez akkor fordul elő, ha hosszú sorozatokat küldünk. Ezekben az esetekben a vonalon lévő jel bipoláris impulzusok sorozata, amelyek spektruma megegyezik az NRZ kóddal váltakozó nullákat és egyeseket továbbító, azaz állandó komponens nélkül és N/2 Hz alapharmonikussal (ahol N az adatátviteli sebesség). A hosszú nullák sorozata veszélyes az AMI kódra, valamint az NRZ kódra is - a jel állandó nulla amplitúdójú potenciállá degenerálódik. Ezért az AMI-kód további fejlesztésre szorul, bár a feladat leegyszerűsödik - csak a nullák sorozatait kell kezelni.

Általánosságban elmondható, hogy a vonal különböző bitkombinációinál az AMI kód ​​használata szűkebb jelspektrumhoz vezet, mint az NRZ kódé, és ennélfogva magasabb jelspektrumhoz vezet. sávszélesség vonalak. Például váltakozó egyesek és nullák átvitelekor az alapharmonikus fo frekvenciája N/4 Hz. Az AMI kód ​​néhány funkciót is biztosít a hibás jelek felismerésére. Így a jelek polaritásának szigorú váltakozásának megsértése hamis impulzust vagy a helyes impulzus eltűnését jelzi a vonalból. A hibás polaritású jelet hívják tiltott jelzés (jelsértés).

Az AMI kód ​​nem két, hanem három jelszintet használ soronként. A további réteghez körülbelül 3 dB-lel kell megnövelni az adóteljesítményt, hogy ugyanazt a bithűséget biztosítsa a vonalon, ami a több jelállapotú kódok általános hátránya azokhoz a kódokhoz képest, amelyek csak két állapotot különböztetnek meg.

Potenciális kód egységnyi inverzióval

Az AMI-hez hasonló kód létezik, de csak két jelszinttel. A nulla átvitelekor az előző ciklusban beállított potenciált továbbítja (vagyis nem változtatja meg), az egy átvitelekor pedig az ellenkezőjére fordítja a potenciált. Ezt a kódot hívják potenciálkód egységnyi inverzióval

2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen 139

(Non Return to Zero with onees Inverted, NRZI). Ez a kód olyan esetekben hasznos, amikor egy harmadik jelszint használata nagyon nem kívánatos, például optikai kábeleknél, ahol két jelállapotot - világos és sötét - megbízhatóan felismer. Két módszert használnak a potenciális kódok, például az AMI és az NRZI javítására. Az első módszer a hozzáadáson alapul forrás logikai egységeket tartalmazó redundáns bitek. Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben a nullák hosszú sorozatai megszakadnak, és a kód önszinkronizálódik minden továbbított adathoz. Az állandó komponens is eltűnik, ami azt jelenti, hogy a jelspektrum még jobban szűkül. Ez a módszer azonban csökkenti a vonal hasznos sávszélességét, mivel a felhasználói információk redundáns egységeit nem szállítják. Egy másik módszer a kiindulási információk előzetes "keverésén" alapul, oly módon, hogy az egyesek és nullák megjelenésének valószínűsége a vonalon közel kerüljön. Azokat az eszközöket vagy blokkokat, amelyek ezt a műveletet végrehajtják, hívják scramblers(kavarás - szemétlerakás, rendetlen összeszerelés). A kódolásnál egy ismert algoritmust használnak, így a vevő a bináris adatokat fogadva továbbítja azokat a dekódoló, amely visszaállítja az eredeti bitsorozatot. A felesleges biteket nem továbbítják a vonalon. Mindkét módszer inkább logikai, mint fizikai kódolásra vonatkozik, mivel nem határozzák meg a vonalon lévő jelek alakját. Ezeket a következő részben részletesebben tanulmányozzuk.

Bipoláris impulzuskód

A potenciális kódok mellett a hálózatok impulzuskódokat is használnak, amikor az adatokat egy teljes impulzus vagy annak egy része - egy front - reprezentálja. Ennek a megközelítésnek a legegyszerűbb esete az bipoláris pulzuskód, amelyben az egységet az egyik polaritású impulzus képviseli, a nulla pedig a másikat (2.16. ábra, V). Minden impulzus fél ciklusig tart. Egy ilyen kód kiváló önórajelező tulajdonságokkal rendelkezik, de előfordulhat, hogy egy egyenáramú komponens például hosszú egyesek vagy nullák sorozatának továbbításakor. Ráadásul spektruma szélesebb, mint a potenciális kódoké. Tehát az összes nulla vagy egyes átvitelekor a kód alapharmonikusának frekvenciája N Hz lesz, ami kétszerese az NRZ kód alapharmonikusának és négyszerese az AMI kód ​​alapharmonikusának. váltakozó egyesek és nullák továbbításakor. A túl széles spektrum miatt a bipoláris impulzuskódot ritkán használják.

Manchester kód

A helyi hálózatokban egészen a közelmúltig a legelterjedtebb kódolási mód az ún Manchester kód(2.16. ábra, d). Ethernet és Token Ring technológiákban használják.

A manchesteri kódban a potenciálesés, vagyis az impulzus eleje az egyesek és nullák kódolására szolgál. A manchesteri kódolásban minden óra két részre van osztva. Az információkat az egyes ciklusok közepén előforduló potenciális esések kódolják. Az egységet alacsony-magas átmenet kódolja, a nullát pedig egy fordított él kódolja. Minden ciklus elején előfordulhat egy szolgáltatási jel él, ha egymás után több egyest vagy nullát kell ábrázolnia. Mivel a jel egy adatbit átviteli ciklusánként legalább egyszer változik, a Manchester kód jó

140 2. fejezet A diszkrét kommunikáció alapjai _____________________________________________

önszinkronizáló tulajdonságok. A Manchester kód sávszélessége szűkebb, mint a bipoláris impulzusé. Konstans komponense sincs, és az alapharmonikus a legrosszabb esetben (egyesek vagy nullák sorozatának átvitelekor) N Hz frekvenciájú, legjobb esetben pedig (váltakozó egyesek és nullák adásakor) egyenlő N / 2 Hz-re, mint az AMI kódokban vagy az NRZ-ben. A manchesteri kód sávszélessége átlagosan másfélszer szűkebb, mint a bipoláris impulzuskódé, az alapharmonikus pedig 3N/4 körül ingadozik. A Manchester kódnak van egy másik előnye a bipoláris impulzuskóddal szemben. Utóbbi három jelszintet használ az adatátvitelhez, míg Manchester kettőt.

2B1Q potenciálkód

ábrán. 2.16 d négy jelszintű potenciálkódot mutat az adatok kódolásához. Ez a kód 2B1Q amelynek neve tükrözi a lényegét - minden két bitet (2B) egy ciklusban továbbít egy jel, amelynek négy állapota van (1Q). A 00-as bit -2,5V, a 01-es bit értéke -0,833V, az ÉS a +0,833V, a 10-es pedig a +2,5V. Azonos bitpárokból álló sorozatok, mivel ebben az esetben a jel állandó komponenssé alakul. Véletlenszerű bitbeillesztésnél a jel spektruma kétszer szűkebb, mint az NRZ kódé, mivel azonos bitsebesség mellett az órajel időtartama megduplázódik. Így a 2B1Q kód használatával kétszer olyan gyorsan továbbíthat adatokat ugyanazon a vonalon, mint az AMI vagy az NRZI kód ​​használatával. Ennek megvalósításához azonban az adó teljesítményének nagyobbnak kell lennie, hogy a négy szintet a vevő egyértelműen megkülönböztethesse az interferencia hátterében.

2.2.3. Logikai kódolás

A logikai kódolás a lehetséges AMI, NRZI vagy 2Q1B típusú kódok javítására szolgál. A logikai kódolásnak ki kell cserélnie az állandó potenciálhoz vezető hosszú bitszekvenciákat közbeékelődött bitekkel. Amint fentebb megjegyeztük, a logikai kódolásra két módszer jellemző: a redundáns kódok és a kódolás.

Redundáns kódok

Redundáns kódok Az eredeti bitsorozat részekre való felosztásán alapulnak, amelyeket gyakran karaktereknek neveznek. Ezután minden eredeti karakter lecserélődik egy új karakterre, amely több bittel rendelkezik, mint az eredeti. Például a használt 4V/5V logikai kód FDDI technológiákés a Fast Ethernet, az eredeti 4 bites karaktereket 5 bites karakterekre cseréli. Mivel az így kapott szimbólumok redundáns biteket tartalmaznak, a bennük lévő bitkombinációk teljes száma nagyobb, mint az eredetiekben. Tehát a 4B / 5B kódban a kapott szimbólumok 32 bites kombinációt tartalmazhatnak, míg az eredeti szimbólumok csak 16-ot. Ezért a kapott kódban 16 olyan kombinációt választhat ki, amelyek nem tartalmaznak nagyszámú nullát, és számold a többit tiltott kódok (kódsértés). Amellett, hogy kiiktatják a DC komponenst és megadják a kódnak az önszinkronizáció tulajdonságát, a redundáns kódok lehetővé teszik

2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen 141

vevőt a torz bitek felismerésére. Ha a vevő tiltott kódot kap, az azt jelenti, hogy a jel torzult a vonalon.

A forráskódok és a kapott 4V/5V kódok megfelelését az alábbiakban mutatjuk be.

A 4B/5B kódot ezután fizikai kódolással továbbítják a vonalon, a potenciális kódolási módszerek egyikével, amely csak a hosszú nullák sorozatára érzékeny. Az 5 bites 4V/5V kódszimbólumok garantálják, hogy ezek kombinációja esetén legfeljebb három nulla fordulhat elő a sorban.

A kódnévben szereplő B betű azt jelenti, hogy az elemi jelnek 2 állapota van - angol binárisból - bináris. Vannak három jelállapotú kódok is, például a 8B / 6T kódban 8 bit kezdeti információ kódolásához 6 jelből álló kódot használnak, amelyek mindegyikének három állapota van. A 8B/6T kód redundanciája nagyobb, mint a 4B/5B kódé, mivel 256 forráskódonként 3 6 =729 eredő szimbólum található.

A keresőtábla használata nagyon egyszerű művelet, így ez a megközelítés nem bonyolult hálózati adapterek valamint kapcsolók és útválasztók interfész blokkjai.

Egy adott vonalkapacitás biztosításához egy redundáns kódot használó adónak megnövelt órajelen kell működnie. Tehát a 4V / 5V kódok 100 Mb / s sebességű továbbításához az adónak 125 MHz órajelen kell működnie. Ebben az esetben a vonalon lévő jel spektruma kibővül ahhoz az esethez képest, amikor egy tiszta, nem redundáns kódot továbbítanak a vonalon. Ennek ellenére a redundáns potenciálkód spektruma szűkebbnek bizonyul, mint a Manchester kód spektruma, ami indokolja a logikai kódolás további szakaszát, valamint a vevő és az adó megnövelt órajel-frekvencián történő működését.

Tülekedés

A logikai kódolás másik módja az adatok keverővel való megkeverése, mielőtt egy őszinte kóddal sorra kerülne.

A titkosítási módszerek a kapott kód bitenkénti kiszámításából állnak a forráskód bitjei és az eredményül kapott kód előző ciklusokban kapott bitjei alapján. Például egy kódoló megvalósíthatja a következő kapcsolatot:

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

ahol bi a kódoló i-edik ciklusában kapott eredményül kapott kód bináris számjegye, ai a kódoló i-edik ciklusában kapott forráskód bináris számjegye

142 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

scrambler bemenet, В^з és B t .5 - a kódoló előző ciklusaiban kapott kód bináris számjegyei, rendre 3, illetve 5 ciklussal korábban, mint az aktuális ciklus, 0 - XOR művelet (modulo 2 összeadás).

Például az 110110000001 forrásszekvenciához a kódoló a következő eredménykódot adja meg:

bi = ai - 1 (a kapott kód első három számjegye megegyezik az eredetivel, mivel még nincsenek szükséges korábbi számjegyek)

Így a kódoló kimenete az 110001101111 sorozat lesz, amely nem tartalmazza a forráskódban szereplő hat nullából álló sorozatot.

A kapott szekvencia vétele után a vevő továbbítja azt a dekódolónak, amely a fordított összefüggés alapján rekonstruálja az eredeti sorozatot:

A különböző kódoló algoritmusok különböznek a kapott kód számjegyét adó kifejezések számában és a kifejezések közötti eltolódásban. Tehát az ISDN-hálózatokban a hálózatról az előfizetőre történő adatátvitelkor 5 és 23 pozíciós eltolásokkal, az előfizetőről a hálózatra történő adatátvitelkor pedig 18 és 23 pozíciós eltolással transzformációt alkalmaznak.

Több is van egyszerű módszerek az egységsorozatok elleni küzdelem, amelyet a kódolás osztályának is neveznek.

A Bipoláris AMI kód ​​javítására két módszert alkalmaznak, amelyek a nullák sorozatának tiltott karakterekkel történő mesterséges torzításán alapulnak.

ábrán. A 2.17. ábra a B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) módszer és a HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) módszer használatát mutatja be az AMI kód ​​javítására. A forráskód két hosszú nulla sorozatból áll: az első esetben - 8-tól, a másodikban - 5-től.

A B8ZS kód csak a 8 nullából álló sorozatokat javítja. Ehhez az első három nulla után a maradék öt nulla helyett öt számjegyet szúr be: V-1*-0-V-1*. A V itt egy adott polaritási ciklusra tiltott jelet jelöl, vagyis olyan jelet, amely nem változtatja meg az előző polaritását, az 1* a helyes polaritású egység jelét, a csillag pedig azt, hogy

2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen 143

az a tény, hogy a forráskódban ebben a ciklusban nem egység volt, hanem nulla. Ennek eredményeként a vevő 2 torzítást lát 8 óraciklus alatt - nagyon valószínűtlen, hogy ez a vonal zaja vagy más átviteli hibák miatt történt. Ezért a vevő az ilyen jogsértéseket 8 egymást követő nulla kódolásának tekinti, és vételkor lecseréli őket az eredeti 8 nullára. A B8ZS kód úgy van felépítve, hogy konstans összetevője nulla bármely bináris számjegysorozat esetén.

A HDB3 kód az eredeti sorrendben bármely négy egymást követő nullát kijavít. A HDB3 kód generálására vonatkozó szabályok összetettebbek, mint a B8ZS kódé. Minden négy nullát négy olyan jel helyettesít, amelyekben egy V. A DC komponens elnyomására a V jel polaritása megfordul az egymást követő változtatásoknál. Ezenkívül két négyciklusú kódmintát használnak a cseréhez. Ha az eredeti kód a csere előtt páratlan számú 1-et tartalmazott, akkor az OOOV sorozatot használjuk, ha pedig az 1-ek száma páros volt, akkor az 1*OOV sorozatot használjuk.

A továbbfejlesztett jelöltkódok meglehetősen szűk sávszélességgel rendelkeznek a továbbított adatokban előforduló 1-es és 0-s sorozatokhoz. ábrán. A 2.18. ábra tetszőleges adatok továbbításával kapott különböző kódú jelek spektrumait mutatja, amelyekben a forráskódban a nullák és egyesek különböző kombinációi egyformán valószínűek. A grafikonok készítésekor a spektrumot a kezdeti sorozatok összes lehetséges halmazára átlagoltuk. Természetesen a kapott kódok nullák és egyesek eltérő eloszlásúak lehetnek. ábrából. A 2.18 azt mutatja, hogy a potenciális NRZ kód jó spektrummal rendelkezik, és egy hátránya van - állandó komponense van. A potenciálból logikai kódolással kapott kódok spektruma szűkebb, mint a manchesterié, még megnövelt órajel frekvencián is (az ábrán a 4V / 5V kód spektruma megközelítőleg egybe kell, hogy essen a B8ZS kóddal, de el van tolva

144 Glovo2 A diszkrét adatátvitel alapjai

a magasabb frekvenciák tartományába, mivel annak órajel-frekvenciája 1/4-el megnő a többi kódhoz képest). Ez megmagyarázza a lehetséges redundáns és kódolt kódok használatát olyan modern technológiákban, mint az FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN stb. a Manchester és a bipoláris impulzuskódolás helyett.

2.2.4. Analóg jelek diszkrét modulációja

A hálózati technológiák fejlődésének egyik fő irányvonala a diszkrét és analóg adatok átvitele egyazon hálózaton belül. A diszkrét adatforrások a számítógépek és más számítástechnikai eszközök, az analóg adatforrások pedig olyan eszközök, mint a telefonok, videokamerák, hang- és videoberendezések. A probléma megoldásának korai szakaszában a területi hálózatokban minden típusú adatot analóg formában továbbítottak, míg a diszkrét jellegű számítógépes adatokat modemek segítségével analóg formává alakították át.

Az analóg adatok fogadásának és továbbításának technológiájának fejlődésével azonban világossá vált, hogy analóg formában történő továbbításuk nem javítja a vonal másik végén fogadott adatok minőségét, ha azok az átvitel során jelentősen torzulnak. Maga az analóg jel nem ad semmilyen jelzést sem a torzításról, sem a korrigálás módjáról, mivel a hullámforma bármi lehet, beleértve azt is, amit a vevő rögzített. A vonalak, különösen a területi vonalak minőségének javítása hatalmas erőfeszítéseket és beruházásokat igényel. Ezért a hang és kép rögzítésére és továbbítására szolgáló analóg technológiát digitális technológia váltotta fel. Ez a technika az eredeti időfolytonos analóg folyamatok úgynevezett diszkrét modulációját használja.

A diszkrét modulációs módszerek a folytonos folyamatok mind amplitúdójában, mind időben történő diszkretizálásán alapulnak (2.19. ábra). Tekintsük a szikramoduláció alapelveit a példa segítségével impulzuskód moduláció, PCM (Pulse Amplitude Modulation, PAM), amelyet széles körben használnak a digitális telefonálásban.

Az eredeti folytonos függvény amplitúdóját egy adott periódussal mérjük - ennek köszönhetően idődiszkretizálás következik be. Ezután minden mérést egy bizonyos kapacitású bináris számként ábrázolunk, ami a függvényértékekkel történő diszkretizálást jelenti - a lehetséges amplitúdóértékek folyamatos halmazát felváltja az értékek diszkrét halmaza. Ezt a funkciót ellátó eszközt ún analóg-digitális átalakító (ADC). Ezt követően a méréseket a kommunikációs csatornákon egyek és nullák sorozata formájában továbbítják. Ebben az esetben ugyanazokat a kódolási módszereket alkalmazzuk, mint a kezdetben diszkrét információk továbbításánál, azaz például a B8ZS vagy 2B1Q kódon alapuló módszereket.

A vonal fogadó oldalán a kódokat az eredeti bitsorozattá alakítják, és speciális berendezést hívnak digitális-analóg konverter (DAC), folytonos jel digitalizált amplitúdóinak demodulációját végzi, visszaállítva az idő eredeti folytonos függvényét.

A diszkrét moduláció alapja a Nyquist-Kotelnikov leképezés elmélete. Ezen elmélet szerint az analóg folyamatos funkció idő-diszkrét értékeinek sorozataként továbbított, pontosan rekonstruálható, ha a mintavételi frekvencia kétszerese vagy többször nagyobb volt, mint a spektrum legmagasabb harmonikusának frekvenciája. eredeti funkciója.

Ha ez a feltétel nem teljesül, akkor a visszaállított funkció jelentősen eltér az eredetitől.

Az analóg információk rögzítésére, reprodukálására és továbbítására szolgáló digitális módszerek előnye, hogy képesek ellenőrizni a hordozóról olvasott vagy kommunikációs vonalon fogadott adatok megbízhatóságát. Ehhez ugyanazokat a módszereket alkalmazhatja, amelyeket a számítógépes adatoknál használnak (és amelyeket az alábbiakban részletesebben tárgyalunk), - az ellenőrző összeg kiszámítása, a sérült keretek újraküldése, önjavító kódok használata.

A PCM módszerrel végzett jó minőségű hangátvitelhez a hangrezgések amplitúdójának kvantálási frekvenciáját 8000 Hz-es használják. Ez annak köszönhető, hogy az analóg telefonálásban a 300 és 3400 Hz közötti tartományt választották a hangátvitelhez, amely megfelelő minőségben továbbítja a beszélgetőpartnerek összes fő harmonikusát. Alapján a Nyquist-Koteltkov tétel a minőségi hangátvitel érdekében

146 2. fejezet A diszkrét kommunikáció alapjai

elegendő olyan mintavételezési frekvenciát választani, amely kétszerese a folyamatos jel legmagasabb harmonikusának, azaz 2 x 3400 = 6800 Hz. A ténylegesen kiválasztott 8000 Hz-es mintavételi frekvencia némi minőségi sávot biztosít. A PCM módszer általában 7 vagy 8 kódbitet használ egyetlen minta amplitúdójának megjelenítésére. Ennek megfelelően ez az audiojel 127 vagy 256 fokozatát adja, ami teljesen elegendő a jó minőségű hangátvitelhez. A PCM módszer használatakor 56 vagy 64 Kbps sávszélesség szükséges egy hangcsatorna átviteléhez, attól függően, hogy az egyes minták hány bitjei vannak. Ha erre a célra használják

7 bit, akkor 8000 Hz-es mérési átviteli frekvenciával kapjuk:

8000 x 7 = 56000 bps vagy 56 kbps; és 8 bites esetén:

8000 x 8 - 64000 bps vagy 64 Kbps.

A szabvány egy 64 kbps-os digitális csatorna, más néven a digitális telefonhálózatok elemi csatornája.

A folytonos jel diszkrét formában történő továbbítása megköveteli, hogy a hálózatok szigorúan betartsák a 125 μs-os (8000 Hz-es mintavételezési frekvenciának megfelelő) időintervallumot a szomszédos mérések között, azaz szinkron adatátvitelt igényel a hálózati csomópontok között. Ha a bejövő mérések szinkronizálását nem tartják be, akkor az eredeti jel nem megfelelően áll vissza, ami a digitális hálózatokon továbbított hang, kép vagy egyéb multimédiás információ torzulásához vezet. Például a 10 ms-os időzítési torzítás "visszhang" effektushoz vezethet, és a minták közötti 200 ms-os eltolódás a kimondott szavak felismerésének elvesztéséhez vezethet. Ugyanakkor egy mérés elvesztése a többi mérés közötti szinkron megőrzése mellett gyakorlatilag nincs hatással a visszaadott hangra. Ennek oka a digitális-analóg konverterekben található simítóeszközök, amelyek bármely tehetetlenségi tulajdonságon alapulnak. fizikai jel- a hangrezgések amplitúdója nem változhat azonnal nagy mértékben.

A DAC utáni jel minőségét nemcsak a bemenetén kapott mérések szinkronizálása befolyásolja, hanem ezen mérések amplitúdóinak diszkretizációs hibája is.

A Nyquist-Kotelnikov tétel 8. ábrája alapján feltételezzük, hogy a függvény amplitúdóit pontosan mérjük, ugyanakkor a korlátozott szóhosszúságú bináris számok tárolása némileg torzítja ezeket az amplitúdókat. Ennek megfelelően a visszaállított folyamatos jel torzul, amit mintavételezési zajnak (amplitúdóban) nevezünk.

Vannak más diszkrét modulációs módszerek, amelyek lehetővé teszik a hangmérések kompaktabb formában történő megjelenítését, például 4 bites vagy 2 bites számok sorozataként. Ugyanakkor egy hangcsatorna kisebb sávszélességet igényel, például 32 Kbps, 16 Kbps vagy még kevesebb. 1985 óta használják a CCITT hangkódolási szabványt, az úgynevezett Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Az ADPCM kódok az egymást követő hangminták közötti különbségek megtalálásán alapulnak, amelyeket aztán a hálózaton továbbítanak. Az ADPCM kód 4 bitet használ egy különbség tárolására, és a hangot 32 Kbps sebességgel továbbítják. Egy modernebb módszer, a Linear Predictive Coding (LPC) az eredeti függvény mintavételezését ritkábbá teszi, de módszereket használ a jelamplitúdó változásának irányának előrejelzésére. Ezzel a módszerrel a hangsebességet 9600 bps-ra csökkentheti.

2.2. Diszkrét adatátviteli módszerek a fizikai rétegen 147

A digitálisan prezentált folyamatos adatok számítógépes hálózaton keresztül egyszerűen átvihetők. Ehhez elegendő több mérést elhelyezni valamilyen szabvány keretein belül hálózati technológia, adja meg a keretet a helyes célcímmel, és küldje el a célhelyre. A fogadónak ki kell bontania a méréseket a keretből, és kvantálási frekvenciával (hanghoz - 8000 Hz frekvencián) át kell adnia egy digitális-analóg átalakítónak. Amint megérkeznek a következő hangmérést tartalmazó képkockák, a műveletet meg kell ismételni. Ha a képkockák kellően szinkronban érkeznek, akkor a hangminőség meglehetősen magas lehet. Azonban, amint azt már tudjuk, a számítógépes hálózatok keretei késhetnek mind a végcsomópontokban (amikor a megosztott adathordozóhoz való hozzáférésre várnak), mind a közbenső kommunikációs eszközökben - hidakban, kapcsolókban és útválasztókban. Ezért a hangminőség digitális átvitel esetén számítógépes hálózatokáltalában alacsony. A digitalizált folyamatos jelek - hangok, képek - kiváló minőségű továbbítására ma speciális digitális hálózatokat használnak, mint például az ISDN, az ATM és a hálózatok. digitális televíziózás. Ennek ellenére a vállalaton belüli telefonbeszélgetések továbbítására ma már a keretközvetítő hálózatok a jellemzőek, amelyek keretátviteli késleltetése elfogadható határokon belül van.

2.2.5. Aszinkron és szinkron átvitel

Amikor a fizikai rétegen adatcsere történik, az információ egysége egy bit, így a fizikai réteg eszközei mindig bitenkénti szinkronizálást tartanak fenn a vevő és az adó között.

A kapcsolati réteg adatkereteken működik, és keretszinten biztosítja a szinkronizálást a vevő és az adó között. A vevő feladata, hogy felismerje a keret első bájtjának kezdetét, felismerje a keretmezők határait, és felismerje a keretjelző végét.

Általában elegendő ezen a két szinten - bit és keret - szinkronizálást biztosítani, hogy az adó és a vevő stabil információcserét tudjon biztosítani. Ha azonban a kommunikációs vonal minősége rossz (általában ez a telefonkapcsolt csatornákra vonatkozik), a berendezések költségének csökkentése és az adatátvitel megbízhatóságának növelése érdekében további pénzeszközök bájt szintű szinkronizálás.

Ezt a működési módot ún aszinkron vagy start-stop. Egy másik oka ennek a működési módnak az adatbájtokat generáló eszközök jelenléte véletlenszerű pillanatok idő. Így működik egy kijelző vagy más végberendezés billentyűzete, amelyről az ember adatokat visz be számítógéppel történő feldolgozásra.

Aszinkron módban minden adatbájtot speciális „start” és „stop” jelek kísérnek (2.20. ábra, A). Ezeknek a jeleknek az a célja, hogy egyrészt értesítsék a vevőt az adatok megérkezéséről, másrészt pedig elegendő időt biztosítsanak a vevőnek néhány időzítéssel kapcsolatos funkció végrehajtására, mielőtt a következő bájt megérkezik. Az indítójel időtartama egy órajel, a stop jel egy, másfél vagy két óráig tarthat, tehát egy, másfél vagy két bitet mondanak stopjelnek, bár ezek a jelek nem felhasználói biteket képviselnek.

A leírt módot aszinkronnak nevezzük, mert minden bájt időben kissé eltolható az előző bitenkénti ciklusaihoz képest.

148 2. fejezet A diszkrét adatátvitel alapjai

bájtok. A bájtok ilyen aszinkron átvitele nem befolyásolja a vett adatok helyességét, mivel minden bájt elején a vevő a "start" bitek miatt járulékosan szinkronizálódik a forrással. A több "szabad" időtűrés határozza meg az aszinkron rendszer berendezésének alacsony költségét.

Szinkron átviteli módban nincsenek start-stop bitek az egyes bájtpárok között. A felhasználói adatokat egy keretben gyűjtik össze, amelyet szinkronizálási bájtok előznek meg (2.20. ábra, b). A szinkronizálási bájt egy előre ismert kódot, például 0111110 kódot tartalmazó bájt, amely értesíti a vevőt, hogy adatkeret érkezett. Ennek vételekor a vevőnek bájtszinkronizálásba kell lépnie az adóval, azaz helyesen kell értenie a keret következő bájtjának kezdetét. Néha több szinkronbájtot használnak a vevő és az adó közötti megbízhatóbb szinkronizálás érdekében. Mivel a vevőnek problémái lehetnek a bitszinkronizálással egy hosszú keret átvitelekor, ebben az esetben önszinkronizáló kódokat használnak.

» A telefonálásban használt keskeny sávú hangfrekvenciás csatornán történő diszkrét adatok továbbításakor az analóg modulációs módszerek a legalkalmasabbak, amelyekben a vivő szinuszos modulációja az eredeti bináris számjegysorozattal történik. Ezt a műveletet speciális eszközök - modemek - végzik.

* Alacsony sebességű adatátvitelnél a vivő szinuszhullám frekvenciájának változása történik. A nagyobb sebességű modemek kombinált kvadratúra amplitúdó modulációs (QAM) módszerekkel működnek, amelyeket 4 vivő szinuszos amplitúdó és 8 fázisszint jellemez. A QAM módszer lehetséges 32 kombinációja közül nem mindegyiket használják adatátvitelre, a tiltott kombinációk lehetővé teszik a torz adatok fizikai szintű felismerését.

* A szélessávú kommunikációs csatornákon potenciál- és impulzuskódolási módszereket alkalmaznak, amelyekben az adatokat az állandó jelpotenciál különböző szintjei vagy az impulzus vagy annak frontja polaritásai reprezentálják.

* Potenciális kódok használatakor különösen fontos a vevő és az adó szinkronizálásának feladata, mivel hosszú nullák vagy egyesek átvitelekor a vevő bemenetén lévő jel nem változik, és a vevő nehezen tudja meghatározni a következő adatbit felvételének pillanata.

___________________________________________2.3. Adatkapcsolati réteg átviteli módszerek _______149

* A legegyszerűbb potenciálkód a nullához nem visszatérő (NRZ) kód, azonban ez nem önórajel, és DC komponenst hoz létre.

» A legnépszerűbb impulzuskód a Manchester-kód, amelyben minden ciklus közepén a jel élének iránya viszi az információt. A Manchester kódot az Ethernet és a Token Ring technológiákban használják.

» A potenciális NRZ kód tulajdonságainak javítására logikai kódolási módszereket alkalmaznak, amelyek kizárják a hosszú nullák sorozatát. Ezek a módszerek a következőkön alapulnak:

A redundáns bitek eredeti adatokba való bevezetéséről (4V/5V típusú kódok);

Az eredeti adatok kódolása (például 2B1Q).

» A továbbfejlesztett potenciálkódok spektruma szűkebb, mint az impulzuskódoké, ezért használatosak nagy sebességű technológiák mint például az FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Amikor diszkrét adatokat továbbítanak kommunikációs csatornákon, a fizikai kódolás két fő típusát alkalmazzák -alapú szinuszos vivőjel és téglalap alakú impulzusok sorozatán alapul. Az első módszert gyakran ún moduláció vagy analóg moduláció, hangsúlyozva azt a tényt, hogy a kódolás az analóg jel paramétereinek megváltoztatásával történik. A második módot általában hívják digitális kódolás. Ezek a módszerek a kapott jel spektrumának szélességében és a megvalósításukhoz szükséges berendezések bonyolultságában különböznek egymástól.

Téglalap alakú impulzusok használatakor a kapott jel spektruma nagyon széles. Ez nem meglepő, ha emlékezünk arra, hogy az ideális impulzus spektruma végtelen szélességű. A szinusz használata sokkal kisebb spektrumot eredményez azonos információsebességgel. A szinuszos moduláció megvalósítása azonban bonyolultabb és drágább berendezéseket igényel, mint a téglalap alakú impulzusok megvalósítása.

Jelenleg egyre gyakrabban a kezdetben analóg formájú adatokat - beszédet, televíziós képet - diszkrét formában, azaz egyesek és nullák sorozata formájában továbbítják a kommunikációs csatornákon. Az analóg információ diszkrét formában való megjelenítésének folyamatát ún diszkrét moduláció. A „moduláció” és „kódolás” kifejezéseket gyakran felcserélhetően használják.

Nál nél digitális kódolás diszkrét információkat, potenciál- és impulzuskódokat használnak. A potenciálkódokban csak a jelpotenciál értékét használjuk a logikai egyesek és nullák ábrázolására, ennek teljes impulzusokat képező cseppjeit pedig nem vesszük figyelembe. Az impulzuskódok lehetővé teszik a bináris adatok megjelenítését vagy egy bizonyos polaritású impulzusokkal, vagy az impulzus egy részével - egy bizonyos irányú potenciáleséssel.

Ha téglalap alakú impulzusokat használunk diszkrét információ továbbítására, olyan kódolási módszert kell választani, amely egyszerre több célt is elér: azonos bitsebességgel, a kapott jel spektrumának legkisebb szélessége legyen; biztosított az adó és a vevő közötti szinkronizálás;

Képes volt felismerni a hibákat; alacsony volt a megvalósítás költsége.

A hálózatok ún önszinkronizáló kódok, amelyek jelei jelzéseket hordoznak az adó számára, hogy mikor kell felismerni a következő bitet (vagy több bitet, ha a kód kettőnél több jelállapotra van orientálva). A jel bármely éles széle - az úgynevezett él - jó jelzésként szolgálhat a vevő és az adó szinkronizálására. A torz adatok felismerése és kijavítása a fizikai réteg segítségével nehezen kivitelezhető, ezért ezt a munkát leggyakrabban a felette lévő protokollok végzik: csatorna, hálózat, szállítás vagy alkalmazás. Másrészt a fizikai réteg hibafelismerése időt takarít meg, mivel a vevő nem várja meg, hogy a keret teljesen bekerüljön a pufferbe, hanem az elhelyezés után azonnal elutasítja. bithibák ismerete egy kereten belül.

Potenciális nullához nem visszatérő kód, a potenciálkódolás módszere, más néven kódolás nullára való visszatérés nélkül (Nem Visszatérés nak nek Nulla, NRZ). A vezetéknév azt a tényt tükrözi, hogy egyesek sorozatának továbbításakor a jel nem tér vissza nullára a ciklus során (amint azt alább látni fogjuk, más kódolási módszereknél ilyenkor a nullához való visszatérés történik). Az NRZ módszer könnyen megvalósítható, jó hibafelismeréssel rendelkezik (két élesen eltérő potenciál miatt), de nem rendelkezik az önszinkronizációs tulajdonsággal. Egyesek vagy nullák hosszú sorozatának továbbításakor a vonalon a jel nem változik, így a vevő nem tudja meghatározni a bemeneti jelből azokat az időpontokat, amikor szükséges az adatok újbóli kiolvasása. Még egy nagy pontosságú órajelgenerátornál is hibázhat a vevő az adatgyűjtés pillanatában, mivel a két generátor frekvenciája soha nem teljesen azonos. Ezért nagy adatsebesség és hosszú egyesek vagy nullák sorozata esetén az órafrekvenciák kis eltérése hibához vezethet egy teljes ciklusban, és ennek megfelelően hibás bitérték kiolvasásához vezethet.

Bipoláris kódolási módszer alternatív inverzióval. Az NRZ módszer egyik módosítása a módszer bipoláris kódolás alternatív inverzióval (Kétpólusú Váltakozó Mark inverzió, AMI). Ez a módszer három potenciálszintet használ - negatív, nulla és pozitív. A logikai nulla kódolásához nulla potenciált használnak, a logikai egységet pedig pozitív vagy negatív potenciál kódolja, miközben minden új egység potenciálja ellentétes az előző potenciáljával. Így a jelek polaritásának szigorú váltakozásának megsértése hamis impulzust vagy a helyes impulzus eltűnését jelzi a vonalból. A hibás polaritású jelet hívják tiltott jelzés (jel megsértése). Az AMI kódban soronként nem két, hanem három jelszintet használnak. A további réteghez körülbelül 3 dB-lel kell megnövelni az adóteljesítményt, hogy ugyanazt a bithűséget biztosítsa a vonalon, ami a több jelállapotú kódok általános hátránya azokhoz a kódokhoz képest, amelyek csak két állapotot különböztetnek meg.

Potenciális kód egységnyi inverzióval. Az AMI-hez hasonló kód létezik, de csak két jelszinttel. A nulla átvitelekor az előző ciklusban beállított potenciált továbbítja (vagyis nem változtatja meg), az egy átvitelekor pedig az ellenkezőjére fordítja a potenciált. Ezt a kódot hívják potenciál kód inverzióval egységben (Nem Visszatérés nak nek Nulla val vel azok fordított, NRZI). Ez a kód olyan esetekben hasznos, amikor egy harmadik jelszint használata nagyon nem kívánatos, például optikai kábeleknél, ahol két jelállapotot - világos és sötét - megbízhatóan felismer.

Bipoláris impulzuskód A potenciális kódokon kívül a hálózatok impulzuskódokat is használnak, amikor az adatokat egy teljes impulzus vagy annak egy része - egy front - reprezentálja. Ennek a megközelítésnek a legegyszerűbb esete az bipoláris pulzuskód, amelyben az egységet az egyik polaritású impulzus képviseli, a nulla pedig a másik polaritású . Minden impulzus fél ciklusig tart. Egy ilyen kód kiváló önórajelező tulajdonságokkal rendelkezik, de előfordulhat, hogy egy egyenáramú komponens például hosszú egyesek vagy nullák sorozatának továbbításakor. Ráadásul spektruma szélesebb, mint a potenciális kódoké. Tehát az összes nulla vagy egyes átvitelekor a kód alapharmonikusának frekvenciája NHz lesz, ami kétszerese az NRZ kód alapharmonikusának és négyszerese az AMI kód ​​alapharmonikusának, amikor váltakozó egyesek és nullák továbbítása. A túl széles spektrum miatt a bipoláris impulzuskódot ritkán használják.

Manchester kód. A helyi hálózatokban egészen a közelmúltig a legelterjedtebb kódolási mód az ún Manchester kód. Ethernet és TokenRing technológiákban használják. A manchesteri kódban a potenciálesés, vagyis az impulzus eleje az egyesek és nullák kódolására szolgál. A manchesteri kódolásban minden óra két részre van osztva. Az információkat az egyes ciklusok közepén előforduló potenciális esések kódolják. Az egységet alacsonytól a magasig terjedő jelszint kódolja, a nullát pedig egy fordított él kódolja. Minden ciklus elején előfordulhat egy szolgáltatási jel él, ha egymás után több egyest vagy nullát kell ábrázolnia. Mivel a jel egy adatbit átviteli ciklusánként legalább egyszer változik, a Manchester kód jó önszinkronizáló tulajdonságokkal rendelkezik. A Manchester kód sávszélessége szűkebb, mint a bipoláris impulzusé. A manchesteri kód sávszélessége átlagosan másfélszer szűkebb, mint a bipoláris impulzuskódé, az alapharmonikus pedig 3N/4 körül ingadozik. A Manchester kódnak van egy másik előnye a bipoláris impulzuskóddal szemben. Utóbbi három jelszintet használ az adatátvitelhez, míg Manchester kettőt.

2B 1Q potenciálkód. Potenciális kód négy jelszinttel az adatok kódolásához. Ez a kód 2 AZ 1-BENK, amelynek neve tükrözi a lényegét - minden két bitet (2B) egy ciklusban továbbít egy jel, amelynek négy állapota van (1Q). A 00. bit értéke -2,5 V, a 01. bit értéke -0,833 V, a 11. bit értéke +0,833 V, a 10. pedig +2,5 V. Ezzel a kódolási módszerrel további intézkedésekre van szükség az azonos bitpárok hosszú sorozatainak kezelésére, mivel a jel ezután állandó komponenssé alakul. Véletlenszerű bitbeillesztésnél a jel spektruma kétszer szűkebb, mint az NRZ kódé, mivel azonos bitsebesség mellett az órajel időtartama megduplázódik. Így a 2B 1Q kód használatával kétszer olyan gyorsan lehet adatokat továbbítani ugyanazon a vonalon, mint az AMI vagy NRZI kód ​​használatával. Ennek megvalósításához azonban az adó teljesítményének nagyobbnak kell lennie, hogy a négy szintet a vevő egyértelműen megkülönböztethesse az interferencia hátterében.

Logikai kódolás A logikai kódolást olyan potenciális kódok javítására használják, mint az AMI, NRZI vagy 2Q.1B. A logikai kódolásnak ki kell cserélnie az állandó potenciálhoz vezető hosszú bitszekvenciákat közbeékelődött bitekkel. Amint fentebb megjegyeztük, a logikai kódolásra két módszer jellemző -. redundáns kódok és kódolás.

Redundáns kódok Az eredeti bitsorozat részekre való felosztásán alapulnak, amelyeket gyakran karaktereknek neveznek. Ezután minden eredeti karakter lecserélődik egy új karakterre, amely több bittel rendelkezik, mint az eredeti.

Egy adott vonalkapacitás biztosításához egy redundáns kódot használó adónak megnövelt órajelen kell működnie. Tehát a 4V / 5V kódok 100 Mb / s sebességű továbbításához az adónak 125 MHz órajelen kell működnie. Ebben az esetben a vonalon lévő jel spektruma kibővül ahhoz az esethez képest, amikor egy tiszta, nem redundáns kódot továbbítanak a vonalon. Ennek ellenére a redundáns potenciálkód spektruma szűkebbnek bizonyul, mint a Manchester kód spektruma, ami indokolja a logikai kódolás további szakaszát, valamint a vevő és az adó megnövelt órajel-frekvencián történő működését.

Tülekedés. A logikai kódolás másik módja az adatok keverővel való megkeverése, mielőtt egy őszinte kóddal sorra kerülne. A titkosítási módszerek a kapott kód bitenkénti kiszámításából állnak a forráskód bitjei és az eredményül kapott kód előző ciklusokban kapott bitjei alapján. Például egy kódoló megvalósíthatja a következő kapcsolatot:

Aszinkron és szinkron átvitel

Amikor a fizikai rétegen adatcsere történik, az információ egysége egy bit, így a fizikai réteg eszközei mindig bitenkénti szinkronizálást tartanak fenn a vevő és az adó között. Általában elegendő ezen a két szinten - bit és keret - szinkronizálást biztosítani, hogy az adó és a vevő stabil információcserét tudjon biztosítani. Ha azonban a kommunikációs vonal minősége gyenge (ez általában a kapcsolt telefoncsatornákra vonatkozik), további bájtszintű szinkronizálási eszközöket vezetnek be a berendezések költségének csökkentése és az adatátvitel megbízhatóságának növelése érdekében.

Ezt a működési módot ún aszinkron vagy start-stop. Aszinkron módban minden adatbájthoz speciális start és stop jelek társulnak. Ezeknek a jeleknek az a célja, hogy egyrészt értesítsék a vevőt az adatok megérkezéséről, másrészt pedig elegendő időt biztosítsanak a vevőnek néhány időzítéssel kapcsolatos funkció végrehajtására, mielőtt a következő bájt megérkezik. Az indítójel időtartama egy órajel, a stop jel egy, másfél vagy két óráig tarthat, tehát egy, másfél vagy két bitet mondanak stopjelnek, bár ezek a jelek nem felhasználói biteket képviselnek.

Szinkron átviteli módban nincsenek start-stop bitek az egyes bájtpárok között. következtetéseket

A telefonálásban használt keskeny sávú hangfrekvenciás csatornán történő diszkrét adatok továbbításakor az analóg modulációs eljárások a legalkalmasabbak, amelyekben a vivő szinuszos modulációja az eredeti bináris számjegysorozattal történik. Ezt a műveletet speciális eszközök - modemek - végzik.

Kis sebességű adatátvitelhez a vivő szinusz frekvenciájának megváltoztatását használják. A nagyobb sebességű modemek kombinált kvadratúra amplitúdó modulációs (QAM) módszerekkel működnek, amelyeket 4 vivő szinuszos amplitúdó és 8 fázisszint jellemez. A QAM módszer lehetséges 32 kombinációja közül nem mindegyiket használják adatátvitelre, a tiltott kombinációk lehetővé teszik a torz adatok fizikai szintű felismerését.

A szélessávú kommunikációs csatornákon olyan potenciál- és impulzuskódolási módszereket alkalmaznak, amelyekben az adatokat állandó jelpotenciál vagy impulzus polaritás, ill. övé elülső.

Potenciális kódok használatakor különösen fontos a vevő és az adó szinkronizálásának feladata, mivel hosszú nullák vagy egyesek sorozatának továbbításakor a vevő bemeneti jele nem változik, és a vevő nehezen tudja meghatározni a vétel pillanatát. felveszi a következő adatbitet.

A legegyszerűbb potenciálkód a nullához nem visszatérő (NRZ) kód, de ez nem önórajel, és DC komponenst hoz létre.

A legnépszerűbb impulzuskód a Manchester kód, amelyben az információt a jel élének iránya viszi át minden ciklus közepén. A Manchester kódot az Ethernet és a TokenRing technológiák használják.

A potenciális NRZ kód tulajdonságainak javítására logikai kódolási módszereket alkalmaznak, amelyek kizárják a hosszú nullák sorozatát. Ezek a módszerek a következőkön alapulnak:

A redundáns bitek eredeti adatokba való bevezetéséről (4V/5V típusú kódok);

Az eredeti adatok titkosítása (például 2B 1Q kódok).

A továbbfejlesztett potenciálkódok spektruma szűkebb, mint az impulzuskódoké, ezért olyan nagy sebességű technológiákban használják őket, mint az FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

Fizikai réteg a nyers bitek tényleges átvitelével foglalkozik

kommunikációs csatorna.

A számítógépes hálózatokban az adatok egyik számítógépről a másikra történő átvitele szekvenciálisan, bitenként történik. Fizikailag az adatbiteket adatcsatornákon továbbítják analóg vagy digitális jelek formájában.

Adatátviteli csatornának nevezzük azt az eszközkészletet (kommunikációs vonalak, adatátvitelre és -vételre szolgáló berendezések), amelyek a számítógépes hálózatokban az adatok továbbítására szolgálnak. A továbbított információ formájától függően az adatátviteli csatornák analóg (folyamatos) és digitális (diszkrét) csatornákra oszthatók.

Mivel az adatok átvitelére és fogadására szolgáló berendezés diszkrét formában dolgozik az adatokkal (azaz a diszkrét egységek és az adatok nullái a diszkrétnek felelnek meg elektromos jelek), majd amikor továbbításra kerülnek analóg csatorna diszkrét adatok konvertálása analóg adatokká (moduláció) szükséges.

Ilyen analóg adatok fogadásakor inverz konverzióra van szükség - demodulációra. Moduláció / demoduláció - a digitális információ analóg jelekké történő átalakításának folyamata és fordítva. A moduláció során az információt az adatcsatorna által jól továbbított frekvenciájú szinuszos jel reprezentálja.

A modulációs módszerek a következők:

amplitúdó moduláció;

· frekvencia moduláció;

fázis moduláció.

Átadáskor diszkrét jelek digitális adatcsatornán keresztül kódolást használnak:

· lehetséges;

impulzív.

Így a csatornákon potenciál- vagy impulzuskódolást alkalmaznak Jó minőség, és a szinuszos moduláció előnyösebb olyan esetekben, amikor a csatorna súlyos torzítást okoz az átvitt jelekben.

Általában a modulációt használják globális hálózatok amikor adatokat továbbítanak analóg telefonáramkörökön, amelyeket analóg formában történő hangátvitelre terveztek, és ezért nem alkalmasak közvetlen impulzusátvitelre.

A szinkronizálási módoktól függően adatátviteli csatornák számítógépes hálózatok szinkronra és aszinkronra osztható. A szinkronizálás azért szükséges, hogy az adattovábbító csomópont valamilyen jelet küldhessen a fogadó csomópontnak, hogy a fogadó csomópont tudja, mikor kezdje el a bejövő adatok fogadását.

A szinkron adatátvitelhez további kommunikációs vonalra van szükség az óraimpulzusok továbbításához. A bitek adóállomás általi átvitele és a vevőállomás általi vétele az óraimpulzusok megjelenésének pillanatában történik.

Aszinkron adatátvitel esetén nincs szükség további kommunikációs vonalra. Ebben az esetben az adatátvitel fix hosszúságú (byte) blokkban történik. A szinkronizálást további bitek (kezdőbitek és leállítóbitek) végzik, amelyeket a továbbított bájt előtt és után továbbítanak.

A számítógépes hálózatok csomópontjai közötti adatcsere során három adatátviteli módot alkalmaznak:

szimplex (egyirányú) átvitel (televízió, rádió);

félduplex (az információ vétele / továbbítása felváltva történik);

duplex (kétirányú), minden csomópont egyszerre küld és fogad adatokat (például telefonbeszélgetéseket).

	|	következő előadás ==>

A kommunikációs vonalon továbbított információkat általában speciális kódolásnak vetik alá, ami javítja az átvitel megbízhatóságát. Ebben az esetben a kódolás és dekódolás további hardverköltségei elkerülhetetlenek, és a hálózati adapterek költsége nő.

A hálózaton keresztül továbbított információ kódolása a maximálisan megengedhető átviteli sebesség és a használt átviteli közeg sávszélességének arányához kapcsolódik. Például különböző kódok esetén a maximális átviteli sebesség ugyanazon a kábelen kétszeresére is eltérhet. A hálózati berendezés összetettsége és az információátvitel megbízhatósága is közvetlenül függ a választott kódtól.

A diszkrét adatok kommunikációs csatornákon történő továbbításához a kezdeti diszkrét adatok két fizikai kódolási módszerét alkalmazzák - egy szinuszos vivőjelen és egy téglalap alakú impulzussorozaton alapulóan. Az első utat gyakran hívják analóg moduláció, mert A kódolás az analóg jel paramétereinek (amplitúdó, fázis, frekvencia) megváltoztatásával történik. A második út az úgynevezett digitális kódolás. Jelenleg az analóg formájú adatok (beszéd, televíziókép) diszkrét formában kerülnek továbbításra kommunikációs csatornákon. Az analóg információ diszkrét formában való megjelenítésének folyamatát ún diszkrét moduláció.

5.1Analóg moduláció

A diszkrét adatok szinuszos jelként való megjelenítését ún analóg moduláció. Az analóg moduláció lehetővé teszi, hogy az információt szinuszos jelként ábrázolja, különböző amplitúdó-, fázis- vagy frekvenciaszintekkel. Használhatja a változó paraméterek kombinációit is - amplitúdó és frekvencia, amplitúdó-fázis. Például, ha négy amplitúdószintű és négy frekvenciaszintű szinuszos jelet hoz létre, az információs paraméter 16 állapotát adja meg, ami egy változáshoz 4 bit információt jelent.

Az analóg modulációnak három fő típusa van:

amplitúdó,

frekvencia,

Amplitúdó moduláció. (AM) Az amplitúdómodulációval a logikai egyhez a vivőfrekvenciás szinuszos amplitúdó egyik szintjét választjuk, a logikai nullához pedig egy másikat (lásd 5.1. ábra). A jel frekvenciája állandó marad. Ezt a módszert a gyakorlatban ritkán használják tiszta formájában az alacsony zajtűrés miatt, de gyakran más típusú modulációval - fázismodulációval kombinálva.

Rizs. 5.1 A moduláció különböző típusai

Frekvencia moduláció. ( Világbajnokság) Frekvenciamoduláció esetén a kezdeti adatok logikai 0 és logikai 1 értékeit különböző frekvenciájú szinuszok továbbítják - f 1 és f 2 (lásd 5.1. ábra). A jel amplitúdója állandó marad. Ez a modulációs módszer nem igényel bonyolult áramköröket a modemekben, és általában alacsony sebességű modemekben használják.

Fázis moduláció. (FM) Fázismoduláció esetén a logikai 0 és 1 értéke azonos frekvenciájú, de eltérő fázisú (fordított), például 0 és 180 fokos vagy 0,90, 180 és 270 fokos jeleknek felel meg. A kapott jel fordított szinuszhullámok sorozatának tűnik (lásd az 5.1. ábrát). A jel amplitúdója és frekvenciája állandó marad.

Kombinált modulációs módszereket használnak az átviteli sebesség növelésére (az információs paraméter egy ciklusára jutó bitek számának növelésére). A leggyakoribb módszerek kvadratúra amplitúdó moduláció (Kuadratúra Amplitúdó Moduláció, QAM). Ezek a módszerek a fázismodulációt 8 fáziseltolási értékkel és az amplitúdómodulációt 4 amplitúdószinttel kombinálják. Ezzel a módszerrel 32 jelkombináció lehetséges. És bár nem mindegyiket használják, a sebességet így is jelentősen megnövelik, és a redundancia miatt az adatátviteli hibák kontrollálhatók. Például egyes kódokban csak 6, 7 vagy 8 kombináció engedélyezett az eredeti adatok megjelenítésére, a többi kombináció pedig tilos. Ilyen kódolási redundanciára van szükség ahhoz, hogy a modem felismerje az interferencia miatti torzulásból adódó hibás jeleket, amelyek a telefoncsatornákon, különösen a kapcsolt csatornákon, amplitúdójukban és időben nagyon jelentősek.

Határozzuk meg, hogy mely vonalakon működhet az analóg moduláció, és ez a módszer mennyiben elégíti ki az egyik vagy másik használt átviteli vonal sávszélességét, amelynél figyelembe vesszük a kapott jelek spektrumát. Vegyük például az amplitúdómodulációs módszert. A kapott jel spektruma amplitúdómodulációval a vivőfrekvencia szinuszából áll f Val velés két oldalharmonikus:

(f Val vel -f m ) És (f Val vel + f m ), Ahol f m- modulációs frekvencia (a szinusz információs paraméterének változása), amely két amplitúdószint használata esetén egybeesik az adatsebességgel.

Rizs. 5.2 Jelspektrum amplitúdómodulációval

Frekvencia f m meghatározza a vonal sávszélességét egy adott kódolási módszerhez. Alacsony modulációs frekvencia esetén a jelspektrum szélessége is kicsi lesz (egyenlő a 2f m lásd 5.2 ábra), így a jeleket nem torzítja a vonal, ha a sávszélessége nagyobb vagy egyenlő 2f m .

Így az amplitúdómodulációval a kapott jel szűk spektrumú.

Fázis- és frekvenciamodulációnál bonyolultabb a jelspektrum, mint amplitúdómodulációnál, hiszen itt kettőnél több oldalharmonikus képződik, de ezek is szimmetrikusan helyezkednek el a fő vivőfrekvenciához képest, és amplitúdójuk gyorsan csökken. Ezért ezek a modulációs típusok szűk sávszélességű vonalakon történő adatátvitelre is kiválóan alkalmasak. Az ilyen vonalak tipikus képviselője a hangfrekvenciás csatorna, amelyet a nyilvános telefonhálózatok felhasználói számára bocsátanak rendelkezésre.

A hangfrekvenciás csatorna tipikus frekvenciamenetéből látható, hogy ez a csatorna 300-3400 Hz tartományban sugároz frekvenciákat, így a sávszélessége 3100 Hz (lásd 5.3. ábra).

Rizs. 5.3 a hangfrekvenciás csatorna frekvenciaválasza

Bár az emberi hang sokkal szélesebb spektrummal rendelkezik - körülbelül 100 Hz-től 10 kHz-ig - az elfogadható beszédminőség érdekében, a 3100 Hz-es tartomány jó megoldás. A hangcsatorna szigorú sávszélesség-korlátozása a telefonhálózatokban multiplexelő és áramkörkapcsoló berendezések használatához kapcsolódik.

Így egy hangfrekvenciás csatorna esetében az amplitúdómoduláció legfeljebb 3100/2=1550 bit/s adatátviteli sebességet biztosít. Ha az információs paraméter több szintjét használja (4 amplitúdószint), akkor a hangfrekvenciás csatorna áteresztőképessége megduplázódik.

Leggyakrabban az analóg kódolást használják szűk sávszélességű csatornán, például nagy kiterjedésű hálózatok telefonvonalain történő információtovábbításkor. A helyi hálózatokban ritkán használják a kódoló és dekódoló berendezések magas összetettsége és költsége miatt.

Jelenleg szinte minden analóg jelekkel működő berendezést drága mikroáramkörök alapján fejlesztenek. DSP (digitális jelprocesszor). Ebben az esetben a moduláció és a jelátvitel után vételkor demodulációt kell végrehajtani, és ez megint drága berendezés. Az adó oldalon a vivő szinusz moduláció, a vevő oldalon a demodulálás funkció ellátására egy speciális eszközt használnak, amely az ún. modem (modulátor-demodulátor). Egy 56 000 bps-os modem 100 dollárba kerül, és LAN kártya a 100 Mbps 10 dollárba kerül.

Befejezésül bemutatjuk az analóg moduláció előnyeit és hátrányait.

Az analóg modulációnak számos információs paramétere van: amplitúdó, fázis, frekvencia. Ezen paraméterek mindegyike több állapotot vehet fel vivőváltásonként. És ezért a kapott jel továbbíthatja nagyszámú bit per másodperc.

Az analóg moduláció szűk spektrummal biztosítja a kapott jelet, ezért ott jó, ahol rossz vonalakon kell dolgozni (szűk sávszélességgel), ott nagy átviteli sebességet tud biztosítani. Az analóg moduláció jó vonalakon is működhet, itt különösen fontos az analóg moduláció egy további előnye - a spektrum eltolása kívánt területet, a használt vonal sávszélességétől függően.

Az analóg modulációt nehéz megvalósítani, és az ezt végrehajtó berendezés nagyon drága.

Az analóg modulációt ott alkalmazzák, ahol nem lehet eltekinteni, de a helyi hálózatokban más kódolási módszereket alkalmaznak, amelyek megvalósításához egyszerű és olcsó berendezésekre van szükség. Ezért a helyi hálózatokban leggyakrabban a kommunikációs vonalakon történő adatátvitel során a fizikai kódolás második módszerét használják - a digitális kódolást.

5. 2.Digitális kódolás

Digitális kódolás- információ megjelenítése téglalap alakú impulzusokkal. Digitális kódolási használatra lehetségesÉs impulzus kódokat.

Potenciális kódok. A potenciálkódokban csak a ciklusperiódus alatti jelpotenciál értékét használjuk a logikai egyesek és nullák ábrázolására, és ennek teljes impulzusokat képező cseppjeit nem vesszük figyelembe. Csak az a fontos, hogy a ciklus periódusában milyen értéke van a kapott jelnek.

impulzus kódok. Az impulzuskódok egy logikai nullát és egy logikai egységet jelentenek vagy bizonyos polaritású impulzusok, vagy az impulzus egy része - egy bizonyos irányú potenciálesés révén. Az impulzuskód értéke tartalmazza a teljes impulzust az átmeneteivel együtt.

Határozzuk meg a digitális kódolás követelményeit. Például diszkrét adatokat (logikai nullák és egyesek sorozatát) kell átvinnünk az egyik számítógép kimenetéről - a forrásból - egy másik számítógép - a vevő - bemenetére a kommunikációs vonalon keresztül.

1. Az adatátvitelhez olyan kommunikációs vonalaink vannak, amelyek nem minden frekvenciát adnak át, típusuktól függően bizonyos sávszélességekkel rendelkeznek. Ezért az adatok kódolásakor figyelembe kell venni, hogy a kódolt adatokat a kommunikációs vonal „átengedi”.

2. A diszkrét adatok sorozatait meghatározott frekvenciájú digitális impulzusokként kell kódolni. Ebben az esetben természetesen a legjobb elérni:

a) hogy a kódolt jelek frekvenciái alacsonyak legyenek, hogy általában megfeleljenek a kommunikációs kapcsolatok sávszélességének.

b) hogy a kódolt jelek nagy átviteli sebességet biztosítsanak.

És így, jó kód kell kevesebb Hertz és több bit másodpercenként.

3. A továbbítandó adat logikai nullák és egyesek előre nem láthatóan változó sorozata.

Kódoljuk ezeket az adatokat egy bizonyos módon digitális impulzusokkal, akkor hogyan határozhatjuk meg, hogy a kapott jel milyen frekvenciájú? A digitális kód maximális frekvenciájának meghatározásához elegendő figyelembe venni az eredményül kapott jelet olyan privát sorozatok kódolásakor, mint például:

logikai nullák sorozata

a logikaiak sorozata

logikai nullák és egyesek váltakozó sorozata

Továbbá szükséges a jel Fourier-módszerrel történő felbontása, a spektrum megtalálása, az egyes harmonikusok frekvenciáinak meghatározása és a jel teljes frekvenciájának meghatározása, miközben fontos, hogy a jel fő spektruma a jel sávszélességébe essen. kommunikációs vonal. Ahhoz, hogy ezeket a számításokat ne végezzük el, elég megpróbálni meghatározni a jelspektrum alapharmonikusát, ehhez ki kell tippelni a jel alakjából az első szinuszost, amely megismétli alakjának kontúrját, majd meg kell keresni a időszaka ennek a szinuszoidnak. A periódus két jelváltozás közötti távolság. Ekkor a jelspektrum alapharmonikusának frekvenciáját is meghatározhatja as F = 1/T, Ahol F- gyakoriság, T- jelzési periódus. A további számítások kényelme érdekében feltételezzük, hogy a jelváltozás bitsebessége egyenlő N.

Ilyen számítások végezhetők minden egyes digitális kódolási módszerre a kapott jel frekvenciájának meghatározására. A digitális kódolás eredményeként kapott jel téglalap alakú impulzusok meghatározott sorozata. Ahhoz, hogy a téglalap alakú impulzusok sorozatát szinuszok összegeként ábrázoljuk a spektrum megtalálásához, nagyszámú ilyen szinuszra van szükség. A négyszögjelsorozat spektruma általában sokkal szélesebb, mint a modulált jeleké.

Ha digitális kódot használnak adatátvitelre egy hangfrekvenciás csatornán, akkor a lehetséges kódolás felső határa 971 bps adatátviteli sebességnél érhető el, az alsó határ pedig bármilyen sebességnél elfogadhatatlan, mivel a csatorna sávszélessége 300-nál kezdődik. Hz.

Ezért digitális kódok hangfrekvenciás csatornákon egyszerűen soha nem használják. De másrészt nagyon jól működnek olyan helyi hálózatokban, amelyek nem használnak telefonvonalat adatátvitelre.

És így, A digitális kódolás széles sávszélességet igényel a jó minőségű átvitelhez.

4. Amikor egy forráscsomóponttól egy vevőcsomóponthoz kommunikációs vonalakon továbbítunk információt, olyan átviteli módot kell biztosítani, amelyben a vevő mindig pontosan tudja, hogy melyik időpontban kap adatot a forrástól, azaz szükséges szolgáltatni szinkronizálás forrás és vevő. A hálózatokban a szinkronizálási problémát nehezebb megoldani, mint a számítógépen belüli blokkok vagy a számítógép és a nyomtató közötti adatcserénél. Kis távolságokon jól működik egy külön órajeles kommunikációs vonalon alapuló séma. Egy ilyen sémában az információ csak abban a pillanatban kerül ki az adatsorból, amikor megérkezik az óraimpulzus (lásd 5.4. ábra).

Rizs. 5.4 Vevő és adó szinkronizálása rövid távolságokon

Ez a szinkronizálási lehetőség egyáltalán nem alkalmas egyetlen hálózatra sem a kábelekben lévő vezetők jellemzőinek heterogenitása miatt. Nagy távolságokon a jelsebesség hullámzása miatt az óra olyan későn vagy túl korán érkezik meg a megfelelő adatjelhez, hogy egy adatbit kihagyásra vagy újraolvasásra kerül. Egy másik ok, amiért a hálózatok megtagadják az óraimpulzusok használatát, az, hogy a vezetőket drága kábelekben kell megtakarítani. Ezért a hálózatok az ún önszinkronizáló kódok.

Önszinkronizáló kódok- olyan jelek, amelyek jelzik a vevőnek, hogy mely időpontban szükséges felismerni a következő bitet (vagy több bitet, ha a kód kettőnél több jelállapotra irányul). Bármilyen éles jelesés - az ún elülső- jó jelzésként szolgálhat a vevő és az adó szinkronizálásához. Az önszinkronizáló kódra példa a szinuszhullám. Mivel a vivőfrekvencia amplitúdójának változása lehetővé teszi a vevő számára, hogy meghatározza a bemeneti kód megjelenésének pillanatát. De ez az analóg modulációra vonatkozik. A digitális kódolásban is vannak olyan módszerek, amelyek önszinkronizáló kódokat hoznak létre, de erről később.

És így, egy jó digitális kódnak biztosítania kell a szinkronizálást

Miután megvizsgáltuk a jó digitális kód követelményeit, térjünk át maguknak a digitális kódolási módszereknek a megfontolására.

5. 2.1 Potenciális kód nulla NRZ-hez való visszatérés nélkül

Ez a kód azért kapta a nevét, mert egy 1-es sorozat átvitelekor a jel nem tér vissza nullára a ciklus során (amint alább látni fogjuk, más kódolási módszereknél ilyenkor a nullához való visszatérés történik).

NRZ kód (nullához nem visszatérő)- nullára való visszatérés nélkül - ez a legegyszerűbb kétszintű kód. A kapott jelnek két potenciálszintje van:

A nulla az alsó szintnek, az egységnek a felsőnek felel meg. Az információátmenetek bithatáron mennek végbe.

Tekintsük a kód általi adatátvitel három speciális esetét NRZ: nullák és egyesek váltakozó sorozata, nullák és egyesek sorozata (lásd 5.5. ábra, a).

Rizs. 5.5 NRZ kód

Próbáljuk meg eldönteni, hogy ez a kód megfelel-e a felsorolt ​​követelményeknek. Ehhez minden bemutatott esetben meg kell határozni a spektrum alapharmonikusát potenciálkódolással annak érdekében, hogy pontosabban meghatározzuk, melyik NRZ kód rendelkezik követelményekkel a használt kommunikációs vonalra.

Az első eset - információ továbbításra kerül, amely váltakozó egyesek és nullák végtelen sorozatából áll (lásd 5.5. ábra, b).

Ez az ábra azt mutatja, hogy egyesek és nullák váltakozása esetén két bit 0 és 1 kerül átvitelre egy ciklusban. 4.22b N- bitsebesség, ennek a szinuszos periódusa egyenlő T=2N. Az alapharmonikus frekvenciája ebben az esetben egyenlő f 0 = N/2.

Amint láthatja, ennek a kódnak a sorozatával az adatátviteli sebesség kétszerese a jel frekvenciájának.

Nulla és egyes sorozatok átvitelekor a kapott jel egyenáram, a jelváltozás frekvenciája nulla f 0 = 0 .

A valós jel spektruma folyamatosan változik attól függően, hogy milyen adatot továbbítanak a kommunikációs vonalon, és óvakodni kell a hosszú nullák vagy egyesek sorozataitól, amelyek a jelspektrumot alacsony frekvenciák felé tolják el. Mert Az NRZ kód hosszú nullák vagy egyesek sorozatának továbbításakor állandó komponenssel rendelkezik.

A jelelméletből ismeretes, hogy a szélességre vonatkozó követelmények mellett egy másik nagyon fontos követelmény is megfogalmazódik a továbbított jel spektrumára vonatkozóan - nincs állandó komponens(egyenáram jelenléte a vevő és az adó között), mert a különféle transzformátor cserék nem megy át a kommunikációs vonalon D.C..

Ezért az információk egy részét egyszerűen figyelmen kívül hagyja ez a hivatkozás. Ezért a gyakorlatban már a kódolási szakaszban mindig megpróbálnak megszabadulni egy állandó komponens jelenlététől a vivőjel spektrumában.

Így azonosítottunk még egy követelményt a jó digitális kóddal szemben a digitális kódnak ne legyen állandó összetevője.

Az NRZ másik hátránya: szinkronizálás hiánya. Ebben az esetben csak további szinkronizálási módszerek segítenek, amelyekről később beszélünk.

Az NRZ kód egyik fő előnye az egyszerűség. A téglalap alakú impulzusok generálásához két tranzisztorra van szükség, és összetett mikroáramkörökre van szükség az analóg moduláció megvalósításához. A potenciális jelet nem kell kódolni és dekódolni, mivel ugyanazt a módszert használják a számítógépen belüli adatátvitelre.

A fentiek eredményeként számos olyan következtetést vonunk le, amelyek segítenek más digitális kódolási módszerek megfontolásában:

Az NRZ nagyon könnyen megvalósítható, jó hibaérzékelést biztosít (két élesen eltérő potenciál miatt).

Az NRZ egyenáramú komponenssel rendelkezik a nullák és egyesek átvitelekor, ami lehetetlenné teszi a transzformátor leválasztott vezetékeken történő átvitelt.

Az NRZ nem egy önszinkronizáló kód, és ez bonyolítja az átvitelt bármely vonalon.

Az NRZ kód vonzereje, ami miatt érdemes továbbfejleszteni, az alapharmonikus fo meglehetősen alacsony frekvenciájában rejlik, amely N/2 Hz-nek felel meg, amint az fent látható. Így a kód NRZ dolgozik alacsony frekvenciák 0 és N/2 Hz között.

Ennek eredményeként az NRZ kód tiszta formájában nem használatos a hálózatokban. Ennek ellenére alkalmazzák különféle módosításait, amelyekben mind az NRZ-kód rossz önszinkronizálása, mind az állandó komponens jelenléte sikeresen kiküszöbölhető.

Az alábbi digitális kódolási módszereket azzal a céllal fejlesztették ki, hogy valamilyen módon javítsák az NRZ kód képességét

5. 2.2. AMI alternatív inverziós bipoláris kódolási módszer

Bipoláris kódolás módszere alternatív inverzióval (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI) az NRZ módszer módosítása.

Ez a módszer három potenciálszintet használ - negatív, nulla és pozitív. A három jelszint hátránya a kódnak, mert a három szint megkülönböztetéséhez jobb jel-zaj arányra van szükség a vevő bemenetén. A további réteghez körülbelül 3 dB-lel kell megnövelni az adóteljesítményt, hogy ugyanazt a bithűséget biztosítsa a vonalon, ami a többállapotú kódok általános hátránya a kétszintű kódokhoz képest. Az AMI kódban nulla potenciált használnak a logikai nulla kódolására, a logikai potenciált pozitív vagy negatív potenciál kódolja, míg minden egyes új potenciálja ellentétes az előző potenciáljával.

Rizs. 5.6 AMI kód

Ez a kódolási technika részben kiküszöböli az egyenáramú komponens problémáit és az NRZ kódban rejlő önszinkronizálás hiányát hosszú sorozatok átvitelekor. A konstans komponens problémája azonban továbbra is fennáll számára, amikor nullák sorozatait továbbítja (lásd 5.6. ábra).

Tekintsük a kódművelet egyes eseteit, és határozzuk meg mindegyikre a kapott jelspektrum alapharmonikusát. Nullák sorozatával - jel - egyenáram - fo \u003d 0 (5.7. ábra, a)

Rizs. 5.7 Az AMI spektrum alapfrekvenciáinak meghatározása

Emiatt az AMI kód ​​is további fejlesztésre szorul. Egyesek sorozatának továbbításakor a vonalon a jel olyan bipoláris impulzusok sorozata, amelyek spektruma megegyezik az NRZ kóddal váltakozó nullákat és egyeseket továbbító, azaz állandó komponens nélkül és fo = N/2 Hz alapharmonikussal. .

Váltakozó egyesek és nullák átvitelekor az alapharmonikus fo = N/4 Hz, ami kétszer kisebb, mint az NRZ kódé.

Általánosságban elmondható, hogy a vonalon lévő bitek különféle kombinációinál az AMI kód ​​használata szűkebb jelspektrumhoz vezet, mint az NRZ kódé, és ezáltal nagyobb vonali átvitelhez vezet. Az AMI kód ​​néhány funkciót is biztosít a hibás jelek felismerésére. Így a jelek polaritásának szigorú váltakozásának megsértése hamis impulzust vagy a helyes impulzus eltűnését jelzi a vonalból. A hibás polaritású jelet tiltott jelnek nevezzük. (jelzés megsértése).

A következő következtetések vonhatók le:

Az AMI törli az egyenáramú komponenst, amikor egy sorozatot küld;

Az AMI szűk spektrumú - N/4 - N/2;

Az AMI részben kiküszöböli a szinkronizálási problémákat

Az AMI nem két, hanem három jelszintet használ a vonalon és ez a hátránya, de a következő módszerrel ezt sikerült kiküszöbölni.

5. 2.3 Potenciális kód inverzióval az NRZI egységnél

Ez a kód teljesen hasonló az AMI kódhoz, de csak két jelszintet használ. A nulla átvitelekor az előző ciklusban beállított potenciált továbbítja (vagyis nem változtatja meg), az egy átvitelekor pedig az ellenkezőjére fordítja a potenciált.

Ezt a kódot hívják potenciális kód inverzióval egynél (Non Return to Zero egyesekkel fordított, NRZI).

Kényelmes olyan esetekben, amikor a harmadik jelszint használata nagyon nem kívánatos, például optikai kábeleknél, ahol két jelállapotot megbízhatóan felismernek - világos és sötét.

Rizs. 5.8 NRZI kód

Az NRZI kód ​​a kapott jel alakjában különbözik az AMI kódtól, de ha kiszámítjuk az alapharmonikusokat, minden esetben kiderül, hogy ugyanazok. Váltakozó egyesek és nullák sorozata esetén a jel alapfrekvenciája az fo=N/4.(lásd 5.9. ábra, a). Mert egységsorozattal - fo=N/2. A nullák sorozata esetén ugyanaz a hátrány marad fo=0- egyenáram a vezetékben.

Rizs. 5.9 A spektrum alapfrekvenciáinak meghatározása NRZI-hez

A következtetések a következők:

NRZI - ugyanazokat a képességeket biztosítja, mint az AMI kód, de ehhez csak két jelszintet használ, ezért alkalmasabb a további fejlesztésekre. Az NRZI hátrányai az egyenáramú komponensek nullák sorozatával és a szinkronizálás hiánya az átvitel során. Az NRZI kód ​​a magasabb szintű, fejlettebb kódolási módszerek kifejlesztésének alapja lett.

5. 2.4 MLT3 kód

Háromszintű sebességváltó kódja MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) sok közös vonása van az NRZI kóddal. Legfontosabb különbsége a három jelszint.

Az egyik az egyik jelszintről a másikra való átmenetnek felel meg. A lineáris jel szintjének változása csak akkor következik be, ha a bemeneten egység érkezik, azonban az NRZI kódtól eltérően a generálási algoritmust úgy választják meg, hogy két szomszédos változás mindig ellentétes irányú legyen.

Rizs. 5.10 Potenciális MLT-3 kód

Vegye figyelembe a speciális eseteket, mint az összes korábbi példában.

Nullák átvitelekor a jelnek is van állandó komponense, a jel nem változik - fo = 0 Hz. (Lásd 5.10. ábra). Ha mindegyiket továbbítják, az információátmenetek a bithatáron rögzülnek, és egy jelciklus négy bitet fogadhat. Ebben az esetben fo=N/4 Hz - maximális kódfrekvencia MLT-3 az összes egység átvitelekor (5.11. ábra, a).

Rizs. 5.11 A spektrum alapfrekvenciáinak meghatározása a számára MLT-3

Váltakozó sorozat esetén a kód MLT-3 maximális frekvenciája egyenlő fo=N/8, ami kétszer kisebb, mint az NRZI kód, ezért ennek a kódnak szűkebb a sávszélessége.

Ahogy észrevette, az MLT-3 kód hátránya, akárcsak az NRZI kód, a szinkronizálás hiánya. Ezt a problémát egy további adattranszformáció oldja meg, amely kiküszöböli a hosszú nullák sorozatait és a deszinkronizálás lehetőségét. Az általános következtetés a következőképpen vonható le - háromszintű kódolás használata MLT-3 lehetővé teszi a vonali jel órajelének csökkentését és ezáltal az átviteli sebesség növelését.

5. 2.5 Bipoláris impulzuskód

A potenciális kódokon kívül impulzuskódokat is használnak, ha az adatokat egy teljes impulzus vagy annak része - egy front - képviseli.

Ennek a megközelítésnek a legegyszerűbb esete az bipoláris impulzuskód, amelyben az egységet egy polaritású impulzus képviseli, a nulla pedig a másik polaritású. Minden impulzus fél ciklusig tart (5.12. ábra). Bipoláris impulzuskód - háromszintű kód. Tekintsük a kapott jeleket a bipoláris kódolású adatátvitel során ugyanezen speciális esetekben.

Rizs. 5.12 Bipoláris impulzuskód

A kód jellemzője, hogy mindig van egy átmenet (pozitív vagy negatív) a bit közepén. Ezért minden bit fel van címkézve. A vevő magából a jelből tud kinyerni egy impulzusismétlési frekvenciájú szinkronimpulzust (villogót). Minden bithez kötés történik, ami biztosítja a vevő és az adó szinkronizálását. Az ilyen kódokat, amelyek villogót hordoznak, hívnak önszinkronizáló. Tekintsük minden esetben a jelek spektrumát (5.13. ábra). Az összes nulla vagy egyes átvitelekor a kód alapharmonikusának frekvenciája fo=N Hz, amely kétszerese az NRZ kód és négyszerese az AMI kód ​​alapértékének. Váltakozó egyesek és nullák átvitelekor - fo=N/2

Rizs. 5.13 A spektrum fő frekvenciáinak meghatározása bipoláris impulzuskódhoz.

A kód ezen hiányossága nem növeli az adatátviteli sebességet, és egyértelműen jelzi, hogy az impulzuskódok lassabbak, mint a potenciálisak.

Például egy 10 Mbps-os kapcsolathoz 10 MHz vivőfrekvencia szükséges. Változó nullák és egyesek sorozatának átvitelekor a sebesség nő, de nem sokat, mert az fо=N/2 Hz kód alapharmonikusának frekvenciája.

A bipoláris impulzuskódnak nagy előnye van a korábbi kódokhoz képest - önszinkronizálódik.

A bipoláris impulzuskód széles jelspektrummal rendelkezik, ezért lassabb.

A bipoláris impulzuskód három szintet használ.

5. 2.6 Manchester kód

Manchester kód továbbfejlesztett bipoláris impulzuskódként fejlesztették ki. A manchesteri kód az önszinkronizáló kódokra is utal, de a bipoláris kóddal ellentétben ennek nem három, hanem csak két szintje van, ami jobb zajvédelmet biztosít.

A manchesteri kódban a potenciálesés, vagyis az impulzus eleje az egyesek és nullák kódolására szolgál. A manchesteri kódolásban minden óra két részre van osztva. Az információkat az egyes ciklusok közepén előforduló potenciális esések kódolják. Ez így történik:

Az egységet alacsony-magas átmenet kódolja, a nullát pedig egy fordított él kódolja. Minden ciklus elején előfordulhat egy szolgáltatási jel él, ha egymás után több egyest vagy nullát kell ábrázolnia.

Tekintsük a kódolás speciális eseteit (váltakozó nullák és egyesek sorozata, néhány nulla, néhány egyes), majd meghatározzuk az egyes szekvenciák fő harmonikusait (lásd 5.14. ábra). Minden esetben látható, hogy Manchester kódolással az egyes bitek közepén lévő jelváltozás megkönnyíti az órajel elkülönítését. Ezért a Manchester kód jó önszinkronizáló tulajdonságokkal rendelkezik.

Rizs. 5.14 Manchester kód

Az önszinkronizálás mindig lehetővé teszi nagy információcsomagok továbbítását veszteség nélkül az adó és a vevő órajel-frekvenciájának különbségei miatt.

Tehát határozzuk meg az alapfrekvenciát, ha csak egyeseket vagy csak nullákat adunk.

Rizs. 5.15 A spektrum fő frekvenciáinak meghatározása a Manchester kódhoz.

Amint a nullák és egyesek átvitelekor is látható, nincs állandó komponens. Alapvető frekvencia fo=NHz, mint a bipoláris kódolásnál. Emiatt a jelek galvanikus leválasztása a kommunikációs vonalakban a legegyszerűbb módokon, például impulzustranszformátorok segítségével végezhető el. Váltakozó egyesek és nullák átvitelekor az alapharmonikus frekvenciája egyenlő fo=N/2Hz.

Így a Manchester-kód egy továbbfejlesztett bipoláris kód, amelyet csak két jelszinttel javítanak az adatátvitelhez, és nem hármat, mint a bipolárisban. De ez a kód még mindig lassú az NRZI-hez képest, amely kétszer olyan gyors.

Vegyünk egy példát. Vegyünk adatátvitelhez egy sávszélességű kommunikációs vonalat 100 MHzés a sebesség 100 Mbps. Ha korábban egy adott frekvencián határoztuk meg az adatsebességet, akkor most meg kell határoznunk a jel frekvenciáját egy adott vonalsebesség mellett. Ennek alapján megállapítjuk, hogy az NRZI kóddal történő adatátvitelhez elegendő számunkra az N / 4-N / 2 frekvenciatartomány - ezek 25-50 MHz frekvenciák, ezek a frekvenciák beleszámítanak vonalunk sávszélességébe. - 100 MHz. A Manchester kódhoz N / 2 és N közötti frekvenciatartományra van szükségünk - ezek 50 és 100 MHz közötti frekvenciák, ebben a tartományban találhatók a jelspektrum fő harmonikusai. A Manchester kód esetében ez nem elégíti ki a vonalunk sávszélességét, ezért a vonal nagy torzításokkal továbbítja az ilyen jelet (ilyen kód nem használható ezen a vonalon).

5.2.7Differenciál Manchester kód.

Differenciál Manchester kód a Manchester kódolás egyik típusa. A vonali jel órajelének közepét csak a szinkronizálásra használja, és azon mindig van jelszint változás. A logikai 0 és 1 jelszint-változás megléte vagy hiánya az óraintervallum elején, rendre továbbítódik (5.16. ábra)

Rizs. 5.16 Differenciál Manchester kód

Ennek a kódnak ugyanazok az előnyei és hátrányai vannak, mint a manchesterinek. De a gyakorlatban a differenciál Manchester kódot használják.

Így a Manchester-kód korábban nagyon aktív volt a helyi hálózatokban (amikor a nagy sebességű vonalak nagy luxust jelentettek egy helyi hálózat számára), az önszinkronizálása és az állandó komponens hiánya miatt. Még mindig széles körben használják az optikai és elektromos hálózatokban. Az utóbbi időben azonban a fejlesztők arra a következtetésre jutottak, hogy mégis jobb a potenciális kódolás alkalmazása, annak hiányosságait kiküszöbölve az ún. logikai kódolás.

5.2.82B1Q potenciálkód

Kód 2B1Q- potenciálkód négy jelszinttel az adatkódoláshoz. A neve tükrözi a lényegét – két bitenként (2B) egy ciklus alatt egy négy állapotú jel továbbítja (1Q).

Pare bit 00 potenciálnak felel meg (-2,5V), pár bit 01 potenciálnak felel meg (-0,833 V), pár 11 - lehetséges (+0,833 V), és egy pár 10 - lehetséges ( +2,5 V).

Rizs. 5.17 2B1Q potenciálkód

Amint az 5.17. ábrán látható, ez a kódolási módszer további intézkedéseket igényel az azonos bitpárok hosszú sorozatainak kezelésére, mivel ez a jelet egyenáramú komponenssé alakítja. Ezért nullák és egyesek átvitelekor fo=0Hz. Egyesek és nullák váltakozása esetén a jelspektrum kétszer szűkebb, mint a kódé NRZ, mivel azonos bitsebesség mellett a ciklus időtartama megduplázódik - fo=N/4Hz.

Így a 2B1Q kód használatával kétszer olyan gyorsan továbbíthat adatokat ugyanazon a vonalon, mint az AMI vagy az NRZI kód ​​használatával. Ennek megvalósításához azonban az adó teljesítményének nagyobbnak kell lennie, hogy a négy potenciálszintet (-2,5 V, -0,833 V, +0,833 V, +2,5 V) a vevő egyértelműen megkülönböztethesse az interferencia hátterében.

5. 2.9 PAM5 kód

Az összes jelkódolási séma, amelyet fentebb megvizsgáltunk, bitalapú volt. Bitkódolás esetén minden bit a protokolllogika által meghatározott jelértéknek felel meg.

A bájtkódolásnál a jelszintet két vagy több bit állítja be. Öt szintű kódban PAM5 5 feszültségszintet (amplitúdót) és kétbites kódolást használnak. Minden kombinációnak saját feszültségszintje van. Kétbites kódolás esetén négy szintre van szükség az információ továbbításához (kettő másodfokú - 00, 01, 10, 11 ). Két bit egyidejű átvitele a jelváltozási sebesség felére csökken. Az ötödik szint hozzáadódik, hogy redundanciát hozzon létre a hibajavításhoz használt kódban. Ez további határt ad a jel-zaj arányban.

Rizs. 5.18 PAM 5 kód

5. 3. Logikai kódolás

Logikai kódolás ig fut fizikai kódolás.

A logikai kódolás szakaszában a hullámforma már nem alakul ki, de a fizikai digitális kódolási módszerek hiányosságai, például a szinkronizálás hiánya, állandó komponens jelenléte megszűnnek. Így először a bináris adatok korrigált sorozatait alakítják ki logikai kódoló eszközök segítségével, amelyeket ezután kommunikációs vonalakon továbbítanak fizikai kódolási módszerekkel.

A logikai kódolás magában foglalja az eredeti információ bitjeinek helyettesítését egy új bitsorozattal, amely ugyanazt az információt hordozza, de emellett további tulajdonságokkal is rendelkezik, például a fogadó oldal azon képessége, hogy a fogadott adatokban hibákat észleljen. Az eredeti információ minden bájtjának egy-egy paritásbittel való kísérése egy nagyon gyakran használt logikai kódolási módszer példa, amikor az adatokat modemekkel továbbítják.

Különíts el két logikai kódolási módszert:

Redundáns kódok

Tülekedés.

5. 3.1 Redundáns kódok

Redundáns kódok Az eredeti bitsorozat részekre való felosztásán alapulnak, amelyeket gyakran karaktereknek neveznek. Ezután minden eredeti karakter lecserélődik egy új karakterre, amely több bittel rendelkezik, mint az eredeti. A redundáns kód egyértelmű példája a 4V/5V logikai kód.

Logikai kód 4V/5V lecseréli az eredeti 4 bites karaktereket 5 bites karakterekre. Mivel az így kapott szimbólumok redundáns biteket tartalmaznak, a bennük lévő bitkombinációk teljes száma nagyobb, mint az eredetiekben. Így az ötbites séma 32 (2 5) kétjegyű alfanumerikus karaktert ad, amelyek értéke decimális kódban 00 és 31 között van. Míg az eredeti adat csak négy bitet vagy 16 (2 4) karaktert tartalmazhat.

Ezért a kapott kódban kiválaszthat 16 olyan kombinációt, amelyek nem tartalmaznak sok nullát, és megszámolhatja a többit tiltott kódok (kódsértés). Ebben az esetben a hosszú nullák megszakadnak, és a kód önszinkronizálódik minden továbbított adathoz. Az állandó komponens is eltűnik, ami azt jelenti, hogy a jelspektrum még jobban szűkül. De ez a módszer csökkenti a vonal hasznos sávszélességét, mivel a felhasználói információk redundáns egységei nem hordoznak, és csak "lefoglalják a műsoridőt". A redundáns kódok lehetővé teszik a vevő számára, hogy felismerje a sérült biteket. Ha a vevő tiltott kódot kap, akkor a jel torzult a vonalon.

Tehát nézzük a munkát. logikai kód 4V/5V. Az átalakított jelnek van 16 érték az információátvitelhez és 16 redundáns érték. A vevő dekódolóban öt bitet dekódolnak információs és szolgáltatási jelként.

A szervizjelekhez kilenc szimbólum van hozzárendelve, hét szimbólum nincs kizárva.

A háromnál több nullát tartalmazó kombinációk kizártak (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Az ilyen jeleket a szimbólum értelmezi Vés a fogadó csapat SZABÁLYOZÁS- kudarc. A parancs nagy interferencia vagy adóhiba miatti hibát jelez. Az öt nulla egyetlen kombinációja (00 - 00000 ) szervizjelzésekre utal, a szimbólumot jelenti Kés megvan a státusza CSENDES- nincs jel a vonalon.

Az ilyen adatkódolás két problémát old meg - a szinkronizálást és a zajtűrés javítását. A szinkronizálás a háromnál több nullából álló sorozat kiküszöbölése miatt következik be, és az adatvevő öt bites intervallumban nagy zajvédelmet ér el.

Ezen előnyök ára ezzel az adatkódolási módszerrel az átviteli sebesség csökkenése. hasznos információ. Például egy redundáns bit hozzáadásával négy információs bithez a sávszélesség hatékonysága a kóddal rendelkező protokollokban MLT-3és adatkódolás 4B/5B 25%-kal csökken.

Kódolási séma 4V/5V táblázatban mutatjuk be.

Bináris kód 4B	Eredménykód 5V

Tehát ennek a táblázatnak megfelelően alakul ki a kód 4V/5V, majd a vonalon keresztül fizikai kódolással továbbítják a potenciális kódolási módszerek egyikével, amely csak hosszú nullák sorozataira érzékeny - például az NRZI digitális kód használatával.

Az 5 bites 4V/5V kódszimbólumok garantálják, hogy ezek kombinációja esetén legfeljebb három nulla fordulhat elő a sorban.

Levél BAN BEN a kódnév azt jelenti, hogy az elemi jelnek 2 állapota van - angolból bináris- bináris. Három jelállapotú kódok is vannak, például a kódban 8V/6T az eredeti információ 8 bitjének kódolásához 6 jelből álló kódot használnak, amelyek mindegyikének három állapota van. Kód redundancia 8V/6T magasabb, mint a kód 4V/5V, mivel 3 6 = 729 eredő szimbólum van 256 forráskódhoz.

Mint mondtuk, a logikai kódolás a fizikai előtt történik, ezért azt a hálózati kapcsolati szintű berendezések végzik: hálózati adapterek és kapcsolók és útválasztók interfész blokkjai. Mivel, amint azt Ön is látta, a keresőtábla használata nagyon egyszerű művelet, így a redundáns kódokkal történő logikai kódolás módszere nem bonyolítja a berendezés funkcionális követelményeit.

Az egyetlen követelmény, hogy a redundáns kódot használó adónak magasabb órajelen kell működnie, hogy adott vonalkapacitást biztosítson. Igen, kódokat küldeni 4V/5V sebességgel 100 Mb/s az adónak órafrekvencián kell működnie 125 MHz. Ebben az esetben a vonalon lévő jel spektruma kibővül ahhoz az esethez képest, amikor egy tiszta, nem redundáns kódot továbbítanak a vonalon. A redundáns potenciálkód spektruma azonban szűkebb, mint a Manchester kód spektruma, ami indokolja a logikai kódolás további fokozatát, valamint a vevő és az adó megnövelt órajel-frekvencián történő működését.

Így a következő következtetés vonható le:

Alapvetően a helyi hálózatok számára egyszerűbb, megbízhatóbb, jobb, gyorsabb - logikai adatkódolást használni redundáns kódokkal, amely kiküszöböli a hosszú nullák sorozatát és biztosítja a jel szinkronizálását, majd gyors digitális kódot használ a fizikai szintű átvitelhez. NRZI, nem pedig egy lassú, de önszinkronizáló Manchester kód.

Például egy 100M bit/s sávszélességű és 100 MHz sávszélességű vonalon történő adatátvitelhez az NRZI kód ​​25-50 MHz frekvenciát igényel, ez 4V / 5V kódolás nélkül. És ha alkalmazzák NRZI 4V / 5V kódolás is, most a frekvenciasáv 31,25 MHz-ről 62,5 MHz-re bővül. De ennek ellenére ez a tartomány még mindig "belefér" a vonal sávszélességébe. A manchesteri kódhoz pedig további kódolás nélkül 50-100 MHz-es frekvenciák kellenek, ezek a fő jel frekvenciái, de ezeket a 100 MHz-es vonal már nem fogja átadni.

5. 3.2 Scrabling

A logikai kódolás egy másik módszere az eredeti információ előzetes "keverésén" alapul, oly módon, hogy az egyesek és nullák előfordulásának valószínűsége a sorban közel lesz.

Azokat az eszközöket vagy blokkokat, amelyek ezt a műveletet végrehajtják, hívják kódolók (scramble - dump, véletlenszerű összeállítás).

Nál nél tülekedés az adatokat egy bizonyos algoritmus szerint keverik, és a vevő a bináris adat vétele után továbbítja dekódoló, amely visszaállítja az eredeti bitsorozatot.

A felesleges biteket nem továbbítják a vonalon.

A kódolás lényege egyszerűen a rendszeren áthaladó adatfolyam bitenkénti megváltoztatása. Szinte az egyetlen művelet, amelyet a scramblerekben használnak XOR - "bitenkénti XOR", vagy azt mondják - kiegészítés által 2. modul. Ha két egységet adunk hozzá kizárólagos VAGY-val, a legmagasabb egységet eldobjuk, és az eredményt 0-val írjuk.

A kódolási módszer nagyon egyszerű. Először találj ki egy scramblert. Más szóval, kitalálják, hogy milyen arányban keverjék össze a biteket az eredeti sorozatban a "kizárólagos VAGY" használatával. Ezután ennek az aránynak megfelelően bizonyos bitek értékeit kiválasztják az aktuális bitsorozatból, és összeadják XOR egymás között. Ebben az esetben minden bit 1 bittel eltolódik, és az éppen kapott érték ("0" vagy "1") a felszabadult legkisebb jelentőségű bitbe kerül. Az az érték, amely az eltolás előtt a legjelentősebb bitben volt, hozzáadódik a kódolási sorozathoz, és ez lesz a következő bitje. Ezután ezt a sorozatot adjuk ki a vonalnak, ahol fizikai kódolási módszerekkel továbbítják a fogadó csomóponthoz, amelynek bemenetén ez a sorozat az inverz arány alapján dekódolásra kerül.

Például egy kódoló megvalósíthatja a következő kapcsolatot:

Ahol Kettős- a kódoló i-edik ciklusában kapott kód bináris számjegye, AI- a forráskód bináris számjegye, amely az i-edik ciklusban érkezik a kódoló bemenetére, B i-3 és B i-5- a kódoló előző ciklusaiban kapott kód bináris számjegyei, 3, illetve 5 ciklussal korábban, mint az aktuális ciklus,  - XOR művelet (modulo 2 összeadás).

Most határozzuk meg például a kódolt sorozatot egy ilyen forrásszekvenciához 110110000001 .

A fent definiált scrambler a következő eredménykódot produkálja:

B 1 \u003d A 1 \u003d 1 (a kapott kód első három számjegye megegyezik az eredetivel, mivel még nincsenek szükséges korábbi számjegyek)

Így a kódoló kimenete a sorozat lesz 110001101111 . Amelyben nincs hat nullából álló sorozat, amely jelen volt a forráskódban.

A kapott szekvencia vétele után a vevő továbbítja azt a dekódolónak, amely az inverz összefüggés alapján rekonstruálja az eredeti sorozatot.

Vannak más különböző kódoló algoritmusok is, ezek különböznek a kapott kód számjegyét adó kifejezések számában és a kifejezések közötti eltolódásban.

A kódolás alapú fő probléma kódolók - az adó (kódoló) és a vevő (dekódoló) eszközök szinkronizálása. Ha legalább egy bitet kihagyunk vagy hibásan beszúrunk, az összes továbbított információ visszafordíthatatlanul elveszik. Ezért a scrambler alapú kódolási rendszerekben nagy figyelmet fordítanak a szinkronizálási módszerekre. .

A gyakorlatban általában két módszer kombinációját alkalmazzák ezekre a célokra:

a) a fogadó oldal számára előre ismert szinkronizációs bitek hozzáadása az információfolyamhoz, amely lehetővé teszi, hogy ha ilyen bitet nem talál, akkor aktívan elkezdheti a szinkronizálást a küldővel,

b) nagy pontosságú időimpulzus-generátorok alkalmazása, amelyek lehetővé teszik a vett információbitek "memóriából" történő dekódolását szinkronizálás nélkül a szinkronizálás elvesztése esetén.

Vannak egyszerűbb módszerek is az egyes sorozatok kezelésére, amelyek szintén a kódolásnak minősülnek.

A kód javítása érdekében Bipoláris AMI két módszert alkalmaznak, amelyek a nullák sorozatának tiltott szimbólumokkal történő mesterséges torzításán alapulnak.

Rizs. 5.19 B8ZS és HDB3 kódok

Ez az ábra a módszer használatát mutatja be B8ZS (bipoláris 8 nullával)és módszer HDB3 (High-Density Bipoláris 3-Zeros) az AMI kód ​​javításához. A forráskód két hosszú nullasorozatból áll (8- az első esetben és 5 a második esetben).

B8ZS kód csak a 8 nullából álló sorozatokat javítja. Ehhez az első három nulla után a maradék öt nulla helyett öt számjegyet szúr be: V-1*-0-V-1*.V itt egy egység jelét jelöli, amely egy adott polaritásciklusra tiltott, vagyis olyan jelet, amely nem változtatja meg az előző egység polaritását, 1 * - a helyes polaritás mértékegységének jele, a csillag pedig azt a tényt jelöli, hogy a forráskódban ebben a ciklusban nem egység volt, hanem nulla. Ennek eredményeként a vevő 2 torzítást lát 8 óraciklus alatt - nagyon valószínűtlen, hogy ez a vonal zaja vagy más átviteli hibák miatt történt. Ezért a vevő az ilyen jogsértéseket 8 egymást követő nulla kódolásának tekinti, és vételkor lecseréli őket az eredeti 8 nullára.

A B8ZS kód úgy van felépítve, hogy konstans összetevője nulla bármely bináris számjegysorozat esetén.

HDB3 kód kijavítja az eredeti sorozat bármely 4 egymást követő nulláját. A HDB3 kód generálására vonatkozó szabályok összetettebbek, mint a B8ZS kódé. Minden négy nullát négy olyan jel helyettesít, amelyekben egy V. A DC komponens elnyomására a jel polaritása V egymást követő cserékkel váltakozik.

Ezenkívül két négyciklusú kódmintát használnak a cseréhez. Ha a forráskód páratlan számú egyest tartalmazott a csere előtt, akkor a sorozat kerül felhasználásra 000V, és ha az egységek száma páros volt - a sorozat 1*00V.

Így a logikai kódolás potenciális kódolással együtt történő alkalmazása a következő előnyökkel jár:

A továbbfejlesztett jelöltkódok meglehetősen szűk sávszélességgel rendelkeznek a továbbított adatokban előforduló 1-es és 0-s sorozatokhoz. Ennek eredményeként a potenciálból logikai kódolással levezetett kódok még megnövelt órajel-frekvencián is szűkebb spektrummal rendelkeznek, mint Manchesterben.