Vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basata su un segnale portante sinusoidale (modulazione analogica) e basata su una sequenza di impulsi rettangolari (codifica digitale).

Modulazione analogica - per la trasmissione di dati discreti su un canale con uno stretto larghezza di banda- reti telefoniche canale di frequenza vocale (larghezza di banda da 300 a 3400 Hz) Un dispositivo che esegue modulazione e demodulazione - un modem.

Metodi di modulazione analogica

n modulazione di ampiezza (bassa immunità al rumore, spesso utilizzata insieme alla modulazione di fase);

n modulazione di frequenza (implementazione tecnica complicata, solitamente utilizzata nei modem a bassa velocità).

n modulazione di fase.

Spettro del segnale modulato

Codice potenziale- se i dati discreti vengono trasmessi ad una velocità di N bit al secondo, allora lo spettro è costituito da una componente costante di frequenza nulla e da una serie infinita di armoniche con frequenza f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., dove f0 = N/2. Le ampiezze di queste armoniche diminuiscono lentamente - con coefficienti di 1/3, 1/5, 1/7, ... dell'ampiezza f0. Lo spettro del segnale di codice potenziale risultante durante la trasmissione di dati arbitrari occupa una banda da un valore vicino a 0 a circa 7f0. Per un canale a frequenza vocale, il limite superiore della velocità di trasmissione viene raggiunto a una velocità dati di 971 bit al secondo e il limite inferiore è inaccettabile per qualsiasi velocità, poiché la larghezza di banda del canale inizia a 300 Hz. Cioè, i potenziali codici non vengono utilizzati sui canali di frequenza vocale.

Modulazione d'ampiezza- lo spettro è costituito da una sinusoide della frequenza portante fc e da due armoniche laterali fc+fm e fc-fm, dove fm è la frequenza di variazione del parametro informativo della sinusoide, che coincide con la velocità dati quando si utilizzano due livelli di ampiezza . La frequenza fm determina la capacità della linea per un dato metodo di codifica. Con una frequenza di modulazione piccola, l'ampiezza dello spettro del segnale sarà anche piccola (pari a 2 fm), ei segnali non saranno distorti dalla linea se la larghezza di banda è maggiore o uguale a 2 fm. Per un canale a frequenza vocale, questo metodo è accettabile a una velocità di trasferimento dati non superiore a 3100/2 = 1550 bit al secondo.

Modulazione di fase e frequenza- lo spettro è più complesso, ma simmetrico, con un gran numero di armoniche in rapida diminuzione. Questi metodi sono adatti per la trasmissione di canali a frequenza vocale.

Modulazione di ampiezza in quadratura (Quadrate Amplitude Modulation) - modulazione di fase con 8 valori di sfasamento e modulazione di ampiezza con 4 valori di ampiezza. Non vengono utilizzate tutte le 32 combinazioni di segnali.

Codifica digitale

Codici potenziali- per rappresentare gli uni e gli zeri logici, viene utilizzato solo il valore del potenziale del segnale e non vengono prese in considerazione le sue cadute, che formulano impulsi completi.

Codici impulsivi- rappresentare i dati binari mediante impulsi di una certa polarità o parte dell'impulso - mediante una potenziale caduta di una certa direzione.

Requisiti per il metodo di codifica digitale:

Aveva l'ampiezza dello spettro più piccola del segnale risultante alla stessa velocità in bit (uno spettro di segnale più stretto consente di ottenere una velocità dati più elevata sulla stessa linea, è inoltre richiesta l'assenza di una componente costante, ovvero il presenza di corrente continua tra trasmettitore e ricevitore);

Sincronizzazione fornita tra il trasmettitore e il ricevitore (il ricevitore deve sapere esattamente in quale momento leggere le informazioni necessarie dalla linea, in sistemi locali- linee di temporizzazione, nelle reti - codici auto-sincronizzanti, i cui segnali portano istruzioni per il trasmettitore su quale momento dovrebbe essere riconosciuto il bit successivo);

Aveva la capacità di riconoscere gli errori;

Ha un basso costo di implementazione.

Codice potenziale senza ritorno a zero. NRZ (Non ritorno a zero). Il segnale non torna a zero entro un ciclo.

È facile da implementare, ha un buon rilevamento degli errori a causa di due segnali nettamente diversi, ma non ha la proprietà di sincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di zeri o uno, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non può determinare quando i dati devono essere letti di nuovo. Un altro inconveniente è la presenza di una componente a bassa frequenza, che si avvicina allo zero durante la trasmissione di lunghe sequenze di uno e zero. Nella sua forma pura, il codice viene usato raramente, vengono utilizzate modifiche. Attrattività - bassa frequenza dell'armonica fondamentale f0 = N /2.

Metodo di codifica bipolare con inversione alternativa. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), una modifica del metodo NRZ.

Il potenziale zero viene utilizzato per codificare lo zero, un'unità logica è codificata da un potenziale positivo o negativo, mentre il potenziale di ciascuna unità successiva è opposto al potenziale della precedente. Elimina parzialmente i problemi della componente costante e la mancanza di autosincronizzazione. Nel caso di trasmissione di una lunga sequenza di uno, una sequenza di impulsi di diversa polarità con lo stesso spettro del codice NRZ che trasmette una sequenza di impulsi alternati, cioè senza una componente costante e l'armonica fondamentale N / 2. In generale, l'uso di AMI si traduce in uno spettro più ristretto rispetto a NRZ e quindi in una maggiore capacità di collegamento. Ad esempio, quando si trasmettono zeri e uno alternati, l'armonica fondamentale f0 ha una frequenza di N/4. È possibile riconoscere trasmissioni errate, ma per garantire una ricezione affidabile è necessario un aumento di potenza di circa 3 dB, poiché vengono utilizzati livelli di segnale reali.

Codice potenziale con inversione all'unità. (Non Return to Zero with one Inverted, NRZI) Codice simile ad AMI ma con due livelli di segnale. Quando si trasferisce zero, viene trasmesso il potenziale del ciclo precedente e quando si trasferisce uno, il potenziale viene invertito a quello opposto. Il codice è comodo nei casi in cui non è auspicabile l'utilizzo del terzo livello (cavo ottico).

Per migliorare l'AMI vengono utilizzati due metodi, NRZI. Il primo è l'aggiunta di unità ridondanti al codice. Appare la proprietà dell'auto-sincronizzazione, la componente costante scompare e lo spettro si restringe, ma la larghezza di banda utile diminuisce.

Un altro metodo è "mescolare" le informazioni iniziali in modo tale che la probabilità della comparsa di uno e zero sulla linea si avvicini: il rimescolamento. Entrambi i metodi sono codifica logica, poiché non determinano la forma dei segnali sulla linea.

Codice di impulso bipolare. Uno è rappresentato da un impulso di una polarità e uno zero è rappresentato da un altro. Ogni impulso dura mezzo ciclo.

Il codice ha eccellenti proprietà di temporizzazione automatica, ma potrebbe esserci un componente CC durante la trasmissione di una lunga sequenza di zeri o uno. Lo spettro è più ampio di quello dei potenziali codici.

Codice Manchester. Il codice più comune utilizzato nelle reti Ethernet è Token Ring.

Ogni misura è divisa in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano a metà del ciclo. Un'unità è codificata da una transizione dal basso all'alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo, può verificarsi un fronte di segnale dall'alto se è necessario rappresentare più 1 o 0 in una riga. Il codice ha eccellenti proprietà di auto-sincronizzazione. La larghezza di banda è più stretta di quella di un impulso bipolare, non c'è componente costante e l'armonica fondamentale ha una frequenza di N nel caso peggiore e N/2 nel migliore.

Potenziale codice 2B1Q. Ogni due bit vengono trasmessi in un ciclo da un segnale a quattro stati. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Obbligatorio fondi aggiuntivi gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche. Con l'interleaving di bit casuale, lo spettro è due volte più stretto di quello di NRZ, poiché a parità di bit rate il tempo di ciclo è raddoppiato, ovvero i dati possono essere trasmessi sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto all'utilizzo di AMI, NRZI , ma a è necessaria una grande potenza di trasmissione.

Codifica logica

Progettato per migliorare potenziali codici come AMI, NRZI, 2B1Q, sostituendo lunghe sequenze di bit che portano a un potenziale costante, intervallate da quelli. Vengono utilizzati due metodi: codifica ridondante e rimescolamento.

Codici ridondanti si basano sulla suddivisione della sequenza originale di bit in porzioni, spesso chiamate caratteri, dopodiché ogni carattere originale viene sostituito da uno nuovo che ha più bit di quello originale.

Il codice 4B/5B sostituisce le sequenze a 4 bit con sequenze a 5 bit. Quindi, invece di 16 combinazioni di bit, si ottengono 32. Di questi, vengono selezionati 16 che non contengono un numero elevato di zeri, il resto è considerato codice proibito (violazione del codice). Oltre a rimuovere DC e rendere il codice auto-sincronizzante, i codici ridondanti consentono al ricevitore di riconoscere i bit corrotti. Se il ricevitore riceve codici proibiti, allora il segnale è stato distorto sulla linea.

Questo codice viene trasmesso sulla linea utilizzando la codifica fisica utilizzando uno dei potenziali metodi di codifica che è sensibile solo a lunghe sequenze di zeri. Il codice garantisce che non ci saranno più di tre zeri di fila sulla riga. Ci sono altri codici, come 8V/6T.

Per garantire la larghezza di banda specificata, il trasmettitore deve funzionare a una frequenza di clock maggiore (per 100 Mb / s - 125 MHz). Lo spettro del segnale si espande rispetto all'originale, ma rimane più ristretto dello spettro del codice Manchester.

Scrambling: mescolare i dati con uno scrambler prima di trasferirli dalla linea.

I metodi di scrambling consistono nel calcolo bit per bit del codice risultante basato sui bit del codice sorgente e sui bit del codice risultante ottenuti nei cicli precedenti. Per esempio,

B io \u003d A io xo B io -3 xo B io -5,

dove B i è la cifra binaria del codice risultante ottenuto all'i-esimo ciclo dello scrambler, A i è la cifra binaria del codice sorgente che arriva all'i-esimo ciclo all'ingresso dello scrambler, B i - 3 e B i -5 sono le cifre binarie del codice risultante ottenuto nei precedenti cicli di lavoro.

Per la sequenza 110110000001, lo scrambler darà 110001101111, cioè non ci sarà una sequenza di sei zeri consecutivi.

Dopo aver ricevuto la sequenza risultante, il ricevitore la passerà al descrambler, che applicherà la trasformazione inversa

C io \u003d B io xo B i-3 xo B i-5,

Diversi sistemi di rimescolamento differiscono per il numero di termini e lo spostamento tra di essi.

Ci sono più metodi semplici combattere sequenze di zeri o uno, che sono anche indicati come metodi di rimescolamento.

Per migliorare l'AMI bipolare vengono utilizzati:

B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) - corregge solo le sequenze composte da 8 zeri.

Per fare ciò, dopo i primi tre zeri, invece dei restanti cinque, inserisce cinque segnali V-1 * -0-V-1 *, dove V indica un segnale proibito per un dato ciclo di polarità, cioè un segnale che non cambia la polarità del precedente, 1 * - un segnale di un'unità di polarità corretta, e il segno dell'asterisco segna il fatto che nel codice sorgente in questo ciclo non c'era un'unità, ma uno zero. Di conseguenza, il ricevitore vede 2 distorsioni su 8 cicli: è molto improbabile che ciò sia accaduto a causa del rumore sulla linea. Pertanto, il ricevente tratta tali violazioni come la codifica di 8 zeri consecutivi. In questo codice, la componente costante è zero per qualsiasi sequenza di cifre binarie.

Il codice HDB3 corregge quattro zeri consecutivi nella sequenza originale. Ogni quattro zeri vengono sostituiti da quattro segnali che hanno un segnale V. Per sopprimere la componente CC, la polarità del segnale V viene invertita in successive modifiche. Inoltre, per la sostituzione vengono utilizzati due modelli di codici a quattro cicli. Se prima della sostituzione fonte conteneva un numero dispari di unità, viene utilizzata la sequenza 000V e, se il numero di unità era pari, la sequenza 1*00V.

I codici candidati migliorati hanno una larghezza di banda abbastanza ristretta per tutte le sequenze di zero e uno che si verificano nei dati trasmessi.

Le informazioni iniziali che devono essere trasmesse su una linea di comunicazione possono essere discrete (dati di output del computer) o analogiche (parlato, immagine televisiva).

La trasmissione di dati discreti si basa sull'utilizzo di due tipi di codifica fisica:

a) modulazione analogica, quando la codifica viene effettuata modificando i parametri di un segnale portante sinusoidale;

b) codifica digitale modificando i livelli della sequenza di impulsi informativi rettangolari.

La modulazione analogica porta a uno spettro del segnale risultante molto più piccolo rispetto alla codifica digitale, alla stessa velocità di trasferimento delle informazioni, ma la sua implementazione richiede apparecchiature più complesse e costose.

Attualmente, i dati originali, che hanno una forma analogica, vengono sempre più trasmessi sui canali di comunicazione in forma discreta (sotto forma di una sequenza di uno e zero), ovvero viene eseguita la modulazione discreta dei segnali analogici.

modulazione analogica. Viene utilizzato per trasmettere dati discreti su canali con una larghezza di banda ridotta, un tipico rappresentante dei quali è un canale di frequenza vocale fornito agli utenti delle reti telefoniche. I segnali con una frequenza da 300 a 3400 Hz vengono trasmessi su questo canale, ovvero la sua larghezza di banda è di 3100 Hz. Tale banda è del tutto sufficiente per la trasmissione del parlato con una qualità accettabile. La limitazione della larghezza di banda del canale a toni è associata all'uso di apparecchiature multiplexing e di commutazione di circuito nelle reti telefoniche.

Prima della trasmissione di dati discreti sul lato trasmittente utilizzando un modulatore-demodulatore (modem) viene eseguita la modulazione della sinusoide portante della sequenza originale di cifre binarie. La conversione inversa (demodulazione) viene eseguita dal modem ricevente.

Esistono tre modi per convertire i dati digitali in forma analogica o tre metodi di modulazione analogica:

Modulazione di ampiezza, quando solo l'ampiezza della portante delle oscillazioni sinusoidali cambia in base alla sequenza dei bit di informazioni trasmessi: ad esempio, quando si trasmette uno, l'ampiezza dell'oscillazione è impostata su grande e quando si trasmette zero, è piccola o c'è nessun segnale portante;

Modulazione di frequenza, quando sotto l'influenza di segnali modulanti (bit di informazioni trasmessi) cambia solo la frequenza portante delle oscillazioni sinusoidali: ad esempio, quando viene trasmesso zero, è basso e quando viene trasmesso uno, è alto;

Modulazione di fase, quando, in accordo con la sequenza dei bit di informazione trasmessi, cambia solo la fase della portante delle oscillazioni sinusoidali: quando si passa dal segnale 1 al segnale 0 o viceversa, la fase cambia di 180 °. Nella sua forma pura, la modulazione di ampiezza è usata raramente nella pratica a causa della bassa immunità al rumore. La modulazione di frequenza non richiede circuiti complessi nei modem ed è tipicamente utilizzata nei modem a bassa velocità che operano a 300 o 1200 bps. L'aumento della velocità dei dati è fornito dall'uso di metodi di modulazione combinati, più spesso modulazione di ampiezza in combinazione con la fase.

Il metodo analogico di trasmissione di dati discreti fornisce la trasmissione a banda larga utilizzando segnali di diverse frequenze portanti in un canale. Ciò garantisce l'interazione di un gran numero di abbonati (ogni coppia di abbonati opera alla propria frequenza).

Codifica digitale. Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati due tipi di codici:

a) potenziali codici quando presentare unità informative e zeri, viene applicato solo il valore del potenziale del segnale e le sue cadute non vengono prese in considerazione;

b) codici di impulsi, quando i dati binari sono rappresentati da impulsi di una certa polarità o da potenziali gocce di una certa direzione.

I seguenti requisiti sono imposti ai metodi di codifica digitale di informazioni discrete quando si utilizzano impulsi rettangolari per rappresentare segnali binari:

Garantire la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore;

Garantire l'ampiezza dello spettro più piccola del segnale risultante alla stessa velocità in bit (poiché uno spettro di segnali più ristretto consente di

le reti con la stessa larghezza di banda raggiungono velocità più elevate

trasmissione dati);

Capacità di riconoscere errori nei dati trasmessi;

Costo di implementazione relativamente basso.

Tramite il livello fisico viene eseguito solo il riconoscimento dei dati corrotti (rilevamento degli errori), il che consente di risparmiare tempo, poiché il ricevitore, senza attendere che il frame ricevuto sia completamente inserito nel buffer, lo rifiuta immediatamente quando riconosce errori bit nel telaio. Un'operazione più complessa - la correzione dei dati corrotti - viene eseguita da protocolli di livello superiore: canale, rete, trasporto o applicazione.

La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria in modo che il ricevitore sappia esattamente quando leggere i dati in arrivo. I segnali di clock sintonizzano il ricevitore sul messaggio trasmesso e mantengono il ricevitore sincronizzato con i bit di dati in arrivo. Il problema della sincronizzazione è facilmente risolto quando si trasmettono informazioni su brevi distanze (tra blocchi all'interno di un computer, tra un computer e una stampante) utilizzando una linea di comunicazione di temporizzazione separata: le informazioni vengono lette solo nel momento in cui arriva il successivo impulso di clock. Nelle reti di computer, l'uso degli impulsi di clock viene abbandonato per due motivi: per risparmiare conduttori in cavi costosi e per l'eterogeneità delle caratteristiche dei conduttori nei cavi (su lunghe distanze la velocità non uniforme di propagazione dei segnali può portare alla desincronizzazione degli impulsi di clock nella linea di temporizzazione e degli impulsi di informazione nella linea principale, a seguito della quale un bit di dati verrà saltato o riletto).

Attualmente, la sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore nelle reti si ottiene utilizzando codici di autosincronizzazione (SC). La codifica dei dati trasmessi utilizzando la SC serve a garantire cambiamenti regolari e frequenti (transizioni) dei livelli del segnale informativo nel canale. Ogni transizione del livello del segnale da alto a basso o viceversa viene utilizzata per regolare il ricevitore. I migliori sono quegli SC che forniscono una transizione del livello del segnale almeno una volta durante l'intervallo di tempo richiesto per ricevere un bit di informazione. Più frequenti sono le transizioni del livello del segnale, più affidabile è la sincronizzazione del ricevitore e più sicura è l'identificazione dei bit di dati ricevuti.

Questi requisiti per i metodi di codifica digitale di informazioni discrete sono reciprocamente contraddittori in una certa misura, pertanto, ciascuno dei metodi di codifica considerati di seguito presenta vantaggi e svantaggi rispetto ad altri.

Codici autosincronizzanti. I più comuni sono i seguenti SC:

Codice potenziale senza ritorno a zero (NRZ - Non Return to Zero);

Codice di impulso bipolare (codice RZ);

codice Manchester;

Codice bipolare con inversione di livello alternativo.

Sulla fig. 32 mostra gli schemi di codifica per il messaggio 0101100 utilizzando questi CK.

Per la caratterizzazione e valutazione comparativa SC utilizza i seguenti indicatori:

Livello (qualità) di sincronizzazione;

Affidabilità (confidenza) del riconoscimento e della selezione dei bit di informazioni ricevuti;

La velocità di variazione richiesta del livello del segnale nella linea di comunicazione quando si utilizza l'SC, se è impostata la larghezza di banda della linea;

La complessità (e quindi il costo) delle apparecchiature che implementano la SC.

Il codice NRZ è facile da codificare e a basso costo da implementare. Ha ricevuto un tale nome perché durante la trasmissione di una serie di bit con lo stesso nome (uno o zero), il segnale non ritorna a zero durante il ciclo, come avviene in altri metodi di codifica. Il livello del segnale rimane invariato per ciascuna serie, il che riduce significativamente la qualità della sincronizzazione e l'affidabilità del riconoscimento dei bit ricevuti (il timer del ricevitore potrebbe non allinearsi con il segnale in arrivo e potrebbe verificarsi un polling intempestivo delle linee).

Per il codice N^ valgono le seguenti relazioni:

dove VI è la velocità di variazione del livello del segnale nella linea di comunicazione (baud);

Y2 - throughput della linea di comunicazione (bit / s).

Oltre al fatto che questo codice non ha la proprietà dell'auto-sincronizzazione, presenta anche un altro grave inconveniente: la presenza di una componente a bassa frequenza che si avvicina allo zero durante la trasmissione di lunghe sequenze di uno o zero. Di conseguenza, il codice NRZ nella sua forma pura non viene utilizzato nelle reti. Vengono applicate le sue varie modifiche, in cui vengono eliminate la scarsa autosincronizzazione del codice e la presenza di un componente costante.

Il codice RZ, o codice di impulso bipolare (codice di ritorno a zero), differisce in quanto durante la trasmissione di un bit di informazione, il livello del segnale cambia due volte, indipendentemente dal fatto che una serie di bit con lo stesso nome o bit alternati siano trasmesso. Un'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e uno zero è rappresentato da un'altra. Ogni impulso dura mezzo ciclo. Tale codice ha eccellenti proprietà di auto-sincronizzazione, ma il costo della sua implementazione è piuttosto elevato, poiché è necessario garantire il rapporto

Lo spettro di un codice RZ è più ampio di quello dei potenziali codici. A causa del suo spettro troppo ampio, è usato raramente.

Il codice Manchester fornisce un cambiamento nel livello del segnale quando si presenta ogni bit e quando si trasmettono una serie di bit con lo stesso nome, un doppio cambiamento. Ogni misura è divisa in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano nel mezzo di ogni ciclo. Un'unità è codificata da una transizione dal basso all'alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. Il rapporto di velocità per questo codice è:

Il codice Manchester ha buone proprietà di self-clocking, poiché il segnale cambia almeno una volta per ciclo di trasmissione di un bit di dati. La sua larghezza di banda è più stretta di quella del codice RZ (una volta e mezza in media). Contrariamente al codice a impulsi bipolari, in cui vengono utilizzati tre livelli di segnale per la trasmissione dei dati (che a volte è molto indesiderabile, ad esempio, solo due stati sono riconosciuti in modo coerente nei cavi ottici: luce e oscurità), il codice Manchester ha due livelli.

Il codice Manchester è ampiamente utilizzato nelle tecnologie Ethernet e Token Ring.

Il codice bipolare di inversione di livello alternativo (codice AMI) è una modifica del codice NRZ. Utilizza tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. L'unità è codificata da un potenziale positivo o negativo. Il potenziale zero viene utilizzato per codificare lo zero. Il codice ha buone proprietà di sincronizzazione durante la trasmissione di serie di unità, poiché il potenziale di ogni nuova unità è opposto al potenziale della precedente. Quando si trasmettono sequenze di zeri, non c'è sincronizzazione. Il codice AMI è relativamente facile da implementare. Per lui

Quando si trasmettono varie combinazioni di bit sulla linea, l'uso del codice AMI porta a uno spettro di segnale più ristretto rispetto al codice NRZ, e quindi a un throughput di linea più elevato.

Si noti che i codici potenziali migliorati (codice Manchester aggiornato e codice AMI) hanno uno spettro più ristretto rispetto ai codici di impulso, quindi vengono utilizzati in tecnologie ad alta velocità, come FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Modulazione discreta di segnali analogici. Come già notato, una delle tendenze nello sviluppo del moderno reti di computerè la loro digitalizzazione, cioè la trasmissione digitale di segnali di qualsiasi natura. Le fonti di questi segnali possono essere computer (per dati discreti) o dispositivi come telefoni, videocamere, apparecchiature video e audio (per dati analogici). Fino a poco tempo fa (prima dell'avvento delle reti di comunicazione digitale), nelle reti territoriali tutti i tipi di dati venivano trasmessi in forma analogica ei dati informatici, di natura discreta, venivano convertiti in forma analogica tramite modem.

Tuttavia, la trasmissione di informazioni in forma analogica non migliora la qualità dei dati ricevuti se si è verificata una distorsione significativa durante la trasmissione. Pertanto, la tecnica analogica per la registrazione e la trasmissione di suoni e immagini è stata sostituita dalla tecnologia digitale, che utilizza la modulazione discreta dei segnali analogici.

La modulazione discreta si basa sul campionamento di segnali continui sia in ampiezza che nel tempo. Uno dei metodi ampiamente utilizzati per convertire i segnali analogici in digitali è la modulazione del codice di impulso (PCM), proposta nel 1938 da A.Kh. Reeves (Stati Uniti).

Quando si utilizza PCM, il processo di conversione comprende tre fasi: mappatura, quantizzazione e codifica (Fig. 33).

La prima fase è la visualizzazione. L'ampiezza del segnale continuo originale viene misurata con un dato periodo, a causa del quale si verifica la discretizzazione temporale. In questa fase, il segnale analogico viene convertito in segnali di modulazione di ampiezza dell'impulso (PAM). L'esecuzione della fase si basa sulla teoria della mappatura di Nyquist-Kotelnikov, la cui posizione principale è: se il segnale analogico viene visualizzato (cioè rappresentato come una sequenza dei suoi valori a tempo discreto) su un intervallo regolare con una frequenza di almeno il doppio della frequenza dello spettro armonico più alto del segnale continuo originale, allora il display conterrà informazioni sufficienti per ripristinare il segnale originale. Nella telefonia analogica si sceglie per la trasmissione della voce la gamma da 300 a 3400 Hz, sufficiente per la trasmissione di alta qualità di tutte le principali armoniche degli interlocutori. Pertanto, nelle reti digitali in cui è implementato il metodo PCM per la trasmissione vocale, viene adottata una frequenza di visualizzazione di 8000 Hz (questo è superiore a 6800 Hz, che fornisce un certo margine di qualità).

Nella fase di quantizzazione, a ciascun segnale IAM viene assegnato un valore quantizzato corrispondente al livello di quantizzazione più vicino. L'intero intervallo di variazione dell'ampiezza del segnale IAM è suddiviso in 128 o 256 livelli di quantizzazione. Maggiore è il numero di livelli di quantizzazione, più accuratamente l'ampiezza del segnale IAM è rappresentata dal livello quantizzato.

In fase di codifica, ad ogni mappatura quantizzata viene assegnato un codice binario a 7 bit (se il numero di livelli di quantizzazione è 128) oa 8 bit (se il numero di livelli di quantizzazione è 128). Sulla fig. 33 mostra i segnali del codice binario a 8 elementi 00101011 corrispondente a un segnale quantizzato con livello 43. Quando si codifica con codici a 7 elementi, la velocità dati sul canale dovrebbe essere di 56 Kbps (questo è il prodotto della frequenza di visualizzazione e il profondità di bit del codice binario) e durante la codifica di codici a 8 elementi - 64 Kbps. Lo standard è un canale digitale a 64 kbit/s, detto anche canale elementare delle reti telefoniche digitali.

Il dispositivo che esegue questi passaggi di conversione di un valore analogico in un codice digitale è chiamato convertitore analogico-digitale (ADC). Sul lato ricevente, utilizzando un convertitore digitale-analogico (DAC), viene eseguita una conversione inversa, ovvero le ampiezze digitalizzate di un segnale continuo vengono demodulate, l'originale funzione continua tempo.

Nelle moderne reti di comunicazione digitale vengono utilizzati anche altri metodi di modulazione discreta, che consentono di rappresentare le misure vocali in una forma più compatta, ad esempio come una sequenza di numeri a 4 bit. Viene utilizzato anche il concetto di conversione di segnali analogici in segnali digitali, in cui non i segnali IAM stessi vengono quantizzati e quindi codificati, ma solo le loro modifiche e si presume che il numero di livelli di quantizzazione sia lo stesso. È ovvio che un tale concetto consente la conversione dei segnali con maggiore precisione.

I metodi digitali per la registrazione, la riproduzione e la trasmissione di informazioni analogiche forniscono la capacità di controllare l'affidabilità dei dati letti da un vettore o ricevuti tramite una linea di comunicazione. A tal fine vengono utilizzate le stesse modalità di controllo previste per i dati informatici (cfr. 4.9).

La trasmissione di un segnale continuo in forma discreta impone severi requisiti sulla sincronizzazione del ricevitore. Se la sincronizzazione non viene rispettata, il segnale originale viene ripristinato in modo errato, il che porta alla distorsione della voce o dell'immagine trasmessa. Se i frame con misurazioni vocali (o altri valori analogici) arrivano in modo sincrono, la qualità della voce può essere piuttosto elevata. Tuttavia, nelle reti di computer, i frame possono essere ritardati sia nei nodi finali che nei dispositivi di commutazione intermedi (bridge, switch, router), il che influisce negativamente sulla qualità della trasmissione vocale. Pertanto, per la trasmissione di alta qualità di segnali continui digitalizzati, reti digitali speciali (ISDN, ATM, reti televisione digitale), sebbene le reti Frame Relay siano ancora utilizzate per trasmettere conversazioni telefoniche intraaziendali, poiché i ritardi di trasmissione dei frame in esse contenuti sono entro limiti accettabili.

Argomento 2. Strato fisico

Piano

Fondamenti teorici della trasmissione dei dati

Le informazioni possono essere trasmesse tramite cavi modificando alcune quantità fisiche, come la tensione o la corrente. Rappresentando il valore della tensione o della corrente come funzione del tempo a valore singolo, è possibile modellare il comportamento del segnale e sottoporlo ad analisi matematica.

serie di Fourier

All'inizio del XIX secolo, il matematico francese Jean-Baptiste Fourier dimostrò che qualsiasi funzione periodica con periodo T può essere espansa in una serie (possibilmente infinita) costituita da somme di seni e coseni:
(2.1)
dove è la frequenza fondamentale (armonica), e sono le ampiezze dei seni e dei coseni dell'ennesima armonica, e c è una costante. Tale espansione è chiamata serie di Fourier. La funzione espansa nella serie di Fourier può essere ripristinata dagli elementi di questa serie, cioè, se il periodo T e le ampiezze delle armoniche sono note, allora la funzione originaria può essere ripristinata utilizzando la somma della serie (2.1).
Un segnale informativo che ha una durata finita (tutti i segnali informativi hanno una durata finita) può essere espanso in una serie di Fourier se immaginiamo che l'intero segnale si ripeta indefinitamente più e più volte (ovvero, l'intervallo da T a 2T ripete completamente il intervallo da 0 a T, ecc.).
Le ampiezze possono essere calcolate per ogni data funzione. Per fare ciò, devi moltiplicare i lati sinistro e destro dell'equazione (2.1) per, quindi integrare da 0 a T. Dato che:
(2.2)
rimane solo un membro della serie. La linea scompare completamente. Allo stesso modo, moltiplicando l'equazione (2.1) per e integrando nel tempo da 0 a T, si possono calcolare i valori. Se integriamo entrambe le parti dell'equazione senza cambiarla, possiamo ottenere il valore della costante Con. I risultati di queste azioni saranno i seguenti:
(2.3.)

Supporti di archiviazione gestiti

Lo scopo del livello fisico di una rete è trasferire il flusso di bit grezzi da una macchina all'altra. Vari supporti fisici, chiamati anche mezzi di propagazione del segnale, possono essere utilizzati per la trasmissione. Ognuno di essi ha un insieme caratteristico di larghezze di banda, ritardi, prezzi e facilità di installazione e utilizzo. I media possono essere divisi in due gruppi: media gestiti come filo di rame e cavo in fibra ottica e non gestito, come la comunicazione radio e la trasmissione su un raggio laser senza cavo.

Supporti magnetici

Una delle più modi semplici trasferire i dati da un computer a un altro: scriverli su un nastro magnetico o su un altro supporto rimovibile (ad esempio un DVD riscrivibile), trasferire fisicamente questi nastri e dischi nella destinazione e leggerli lì.
Alto rendimento. Una cartuccia a nastro Ultrium standard contiene 200 GB. Circa 1000 di queste cassette sono collocate in una scatola 60x60x60, che offre una capacità totale di 1600 Tbit (1,6 Pbit). Una scatola di cassette può essere spedita negli Stati Uniti entro 24 ore tramite Federal Express o un'altra società. La larghezza di banda effettiva per questa trasmissione è di 1600 Tbps/86400 s o 19 Gbps. Se la destinazione è a solo un'ora di distanza, il throughput sarà superiore a 400 Gbps. Nessuna rete di computer è ancora in grado di avvicinarsi nemmeno a tali indicatori.
Redditività. Il prezzo all'ingrosso della cassetta è di circa $ 40. Una scatola di nastri costerà $ 4.000 e lo stesso nastro può essere utilizzato dozzine di volte. Aggiungiamo $ 1000 per la spedizione (in realtà, molto meno) e otteniamo circa $ 5000 per il trasferimento di 200 TB o 3 centesimi per gigabyte.
Screpolatura. Sebbene la velocità di trasferimento dei dati utilizzando nastri magnetici sia eccellente, tuttavia, la quantità di ritardo in tale trasferimento è molto grande. Il tempo di trasferimento viene misurato in minuti o ore, non in millisecondi. Molte applicazioni richiedono una risposta immediata dal sistema remoto (in modalità connessa).

doppino

Un doppino è costituito da due fili di rame isolati con un diametro tipico di 1 mm. I fili si attorcigliano l'uno intorno all'altro a forma di spirale. Ciò consente di ridurre l'interazione elettromagnetica di più doppini adiacenti.
Applicazione: linea telefonica, rete di computer. Può trasmettere un segnale senza attenuazione di potenza su una distanza di diversi chilometri. I ripetitori sono necessari per distanze maggiori. Sono combinati in un cavo, con un rivestimento protettivo. Una coppia di fili è attorcigliata nel cavo per evitare la sovrapposizione del segnale. Possono essere utilizzati per trasmettere sia dati analogici che digitali. La larghezza di banda dipende dal diametro e dalla lunghezza del cavo, ma nella maggior parte dei casi è possibile raggiungere diversi megabit al secondo su distanze di diversi chilometri. A causa della larghezza di banda piuttosto elevata e del basso costo, i cavi a doppino intrecciato sono ampiamente utilizzati e molto probabilmente continueranno ad essere popolari in futuro.
I cavi a doppino intrecciato sono disponibili in diverse forme, due delle quali sono particolarmente importanti nel campo delle reti di computer. Il doppino intrecciato di categoria 3 (CAT 3) è costituito da due fili isolati intrecciati insieme. Quattro di queste coppie sono solitamente messe insieme in un guscio di plastica.
Il doppino intrecciato di categoria 5 (CAT 5) è simile al doppino intrecciato di categoria 3, ma ha più giri per centimetro di lunghezza del filo. Ciò consente di ridurre ulteriormente le interferenze tra i diversi canali e di fornire una migliore qualità di trasmissione del segnale su lunghe distanze (Fig. 1).

Riso. 1. Categoria UTP 3 (a), categoria UTP 5 (b).
Tutti questi tipi di connessioni sono spesso indicati come UTP (doppino intrecciato non schermato - doppino intrecciato non schermato)
I cavi schermati a doppino intrecciato di IBM non sono diventati popolari al di fuori di IBM.

Cavo coassiale

Un altro mezzo comune di trasmissione dei dati è il cavo coassiale. È meglio schermato del doppino intrecciato, quindi può trasportare dati su distanze maggiori a velocità più elevate. Due tipi di cavi sono ampiamente utilizzati. Uno di questi, 50 ohm, viene solitamente utilizzato per la trasmissione di dati esclusivamente digitali. Un altro tipo di cavo, 75 ohm, viene spesso utilizzato per trasmettere informazioni analogiche, oltre che nella televisione via cavo.
La vista in sezione del cavo è mostrata in Figura 2.

Riso. 2. Cavo coassiale.
Il design e il tipo speciale di schermatura del cavo coassiale garantiscono un'elevata larghezza di banda e un'eccellente immunità ai disturbi. Il throughput massimo dipende dalla qualità, dalla lunghezza e dal rapporto segnale/rumore della linea. I cavi moderni hanno una larghezza di banda di circa 1 GHz.
Applicazione - sistemi telefonici (rete), televisione via cavo, reti regionali.

fibra ottica

L'attuale tecnologia in fibra ottica può raggiungere velocità dati fino a 50.000 Gb/s (50 Tb/s) e molte persone sono alla ricerca di materiali migliori. Il limite pratico odierno di 10 Gbps è dovuto all'impossibilità di convertire i segnali elettrici in segnali ottici e viceversa più velocemente, sebbene 100 Gbps su una singola fibra siano già stati raggiunti in condizioni di laboratorio.
Un sistema di trasmissione dati in fibra ottica è costituito da tre componenti principali: una sorgente luminosa, una portante attraverso la quale si propaga il segnale luminoso e un ricevitore di segnale o rivelatore. Un impulso luminoso è preso come uno e l'assenza di un impulso è presa come zero. La luce si propaga in una fibra di vetro ultrasottile. Quando la luce lo colpisce, il rilevatore genera un impulso elettrico. Collegando una sorgente luminosa a un'estremità di una fibra ottica e un rilevatore all'altra, si ottiene un sistema di trasmissione dati unidirezionale.
Durante la trasmissione segnale di luce la proprietà di riflessione e rifrazione della luce viene utilizzata nella transizione da 2 media. Pertanto, quando la luce viene fornita ad un certo angolo rispetto al confine del mezzo, il raggio di luce viene completamente riflesso e bloccato nella fibra (Fig. 3).

Riso. 3. Proprietà di rifrazione della luce.
Esistono 2 tipi di cavo in fibra ottica: multimodale - trasmette un raggio di luce, monomodale - sottile al limite di diverse lunghezze d'onda, agisce quasi come una guida d'onda, la luce si muove in linea retta senza riflessione. Gli odierni collegamenti in fibra monomodale possono funzionare a 50 Gbps su distanze fino a 100 km.
Nei sistemi di comunicazione vengono utilizzati tre intervalli di lunghezze d'onda: rispettivamente 0,85, 1,30 e 1,55 µm.
La struttura del cavo in fibra ottica è simile a quella del cavo coassiale. L'unica differenza è che il primo non ha una griglia di schermatura.
Al centro del nucleo in fibra ottica si trova un nucleo di vetro attraverso il quale si propaga la luce. La fibra multimodale ha un diametro del nucleo di 50 µm, che è circa lo spessore di un capello umano. Il nucleo in una fibra monomodale ha un diametro compreso tra 8 e 10 µm. Il nucleo è ricoperto da uno strato di vetro con un indice di rifrazione inferiore a quello del nucleo. È progettato per impedire in modo più affidabile alla luce di fuoriuscire dal nucleo. Lo strato esterno è un guscio di plastica che protegge la vetratura. I nuclei in fibra ottica sono solitamente raggruppati in fasci protetti da una guaina esterna. La Figura 4 mostra un cavo a tre conduttori.

Riso. 4. Cavo in fibra ottica a tre fili.
In caso di interruzione, il collegamento dei segmenti di cavo può essere effettuato in tre modi:

All'estremità del cavo può essere collegato un connettore speciale, con il quale il cavo viene inserito in una presa ottica. La perdita è del 10-20% dell'intensità luminosa, ma facilita la modifica della configurazione del sistema.
Giunzione: due estremità del cavo ben tagliate vengono poste una accanto all'altra e fissate con un manicotto speciale. Una migliore trasmissione della luce si ottiene allineando le estremità del cavo. Perdita: 10% della potenza della luce.
Fusione. Non c'è praticamente nessuna perdita.

Due tipi di sorgente luminosa possono essere utilizzati per trasmettere un segnale su un cavo in fibra ottica: diodi emettitori di luce (LED, Light Emitting Diode) e laser a semiconduttore. Le loro caratteristiche comparative sono riportate nella tabella 1.

Tabella 1.
Tabella comparativa dell'utilizzo di LED e laser a semiconduttore
L'estremità ricevente di un cavo ottico è un fotodiodo che genera un impulso elettrico quando la luce cade su di esso.

Caratteristiche comparative di cavo in fibra ottica e filo di rame.

La fibra ottica ha diversi vantaggi:

Ad alta velocità.
Minore attenuazione del segnale, meno ripetitori in uscita (uno per 50 km, non 5)
Inerte alle radiazioni elettromagnetiche esterne, chimicamente neutro.
Più leggero. 1000 doppini in rame lunghi 1 km pesano circa 8000 kg. Una coppia di cavi in ​​fibra ottica pesa solo 100 kg con più larghezza di banda
Bassi costi di posa

Screpolatura:

Difficoltà e competenza nell'installazione.
fragilità
Altro che rame.
trasmissione in modalità simplex, è richiesto un minimo di 2 fili tra le reti.

Connessione senza fili

spettro elettromagnetico

Il movimento degli elettroni genera onde elettromagnetiche che possono propagarsi nello spazio (anche nel vuoto). Il numero di oscillazioni delle oscillazioni elettromagnetiche al secondo è chiamato frequenza e si misura in hertz. La distanza tra due massimi (o minimi) successivi è chiamata lunghezza d'onda. Questo valore è tradizionalmente indicato dalla lettera greca (lambda).
Se dentro circuito elettrico accendere un'antenna di dimensioni adeguate, quindi le onde elettromagnetiche possono essere ricevute con successo dal ricevitore a una certa distanza. Tutti i sistemi di comunicazione wireless si basano su questo principio.
Nel vuoto, tutte le onde elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità, indipendentemente dalla loro frequenza. Questa velocità è chiamata velocità della luce, - 3*108 m/s. Nel rame o nel vetro, la velocità della luce è circa 2/3 di questo valore, e dipende anche leggermente dalla frequenza.
Relazione di quantità, e:

Se la frequenza () è misurata in MHz e la lunghezza d'onda () in metri allora.
La totalità di tutte le onde elettromagnetiche forma il cosiddetto spettro continuo della radiazione elettromagnetica (Fig. 5). Radio, microonde, infrarossi e luce visibile possono essere utilizzati per trasmettere informazioni utilizzando l'ampiezza, la frequenza o la modulazione di fase delle onde. Le radiazioni ultraviolette, X e gamma sarebbero ancora migliori per le loro alte frequenze, ma sono difficili da generare e modulare, non attraversano bene gli edifici e, inoltre, sono pericolose per tutti gli esseri viventi. Il nome ufficiale degli intervalli è riportato nella Tabella 6.

Riso. 5. Spettro elettromagnetico e sua applicazione nelle comunicazioni.
Tavolo 2.
Nomi ufficiali delle band ITU
La quantità di informazioni che un'onda elettromagnetica può trasportare è correlata intervallo di frequenze canale. Le moderne tecnologie consentono di codificare diversi bit per hertz per basse frequenze. In determinate condizioni, questo numero può aumentare di otto volte alle alte frequenze.
Conoscendo l'ampiezza dell'intervallo di lunghezza d'onda, è possibile calcolare l'intervallo di frequenza e la velocità dati corrispondenti.

Esempio: per una gamma di cavi in ​​fibra ottica da 1,3 micron, quindi. Quindi a 8 bps risulta che puoi ottenere una velocità di trasferimento di 240 Tbps.

Comunicazione radiofonica

Le onde radio sono facili da generare, percorrono lunghe distanze, passano attraverso i muri, aggirano gli edifici, si propagano in tutte le direzioni. Le proprietà delle onde radio dipendono dalla frequenza (Fig. 6). Quando si opera a basse frequenze, le onde radio attraversano bene gli ostacoli, ma la potenza del segnale nell'aria diminuisce bruscamente man mano che ci si allontana dal trasmettitore. Il rapporto tra potenza e distanza dalla sorgente è espresso approssimativamente come segue: 1/r2. Alle alte frequenze, le onde radio generalmente tendono a viaggiare solo in linea retta e rimbalzano sugli ostacoli. Inoltre, vengono assorbiti, ad esempio, dalla pioggia. I segnali radio di qualsiasi frequenza sono soggetti all'interferenza dei motori a spazzole e di altre apparecchiature elettriche.

Riso. 6. Le onde delle bande VLF, LF, MF percorrono l'asperità della superficie terrestre (a), le onde delle bande HF e VHF vengono riflesse dalla ionosfera e assorbite dalla terra (b).

Comunicazione nel campo delle microonde

A frequenze superiori a 100 MHz, le onde radio si propagano quasi in linea retta, quindi possono essere focalizzate in fasci stretti. La concentrazione di energia sotto forma di un fascio stretto utilizzando un'antenna parabolica (come la famosa parabola satellitare) porta ad un miglioramento del rapporto segnale/rumore, ma per tale connessione, le antenne trasmittenti e riceventi devono essere abbastanza accuratamente puntati l'uno verso l'altro.
A differenza delle onde radio con frequenze più basse, le microonde non passano bene attraverso gli edifici. La radio a microonde è diventata così ampiamente utilizzata nella telefonia a lunga distanza, nei telefoni cellulari, nelle trasmissioni televisive e in altre aree che c'era una grave carenza di spettro.
Questa connessione presenta una serie di vantaggi rispetto alla fibra ottica. Il principale è che non è necessario posare un cavo e, di conseguenza, non è necessario pagare per l'affitto del terreno lungo il percorso del segnale. È sufficiente acquistare piccoli appezzamenti di terreno ogni 50 km e installarvi torri di trasmissione.

Infrarossi e onde millimetriche

La radiazione infrarossa e millimetrica senza l'uso di un cavo è ampiamente utilizzata per la comunicazione su brevi distanze (ad esempio, telecomandi). Sono relativamente direzionali, economici e facili da installare, ma non passano attraverso oggetti solidi.
La comunicazione nella gamma degli infrarossi viene utilizzata nei sistemi di elaborazione desktop (ad esempio, per collegare i laptop alle stampanti), ma non svolge ancora un ruolo significativo nelle telecomunicazioni.

Satelliti per comunicazioni

Vengono utilizzati satelliti di tipo E: geostazionario (GEO), a media altitudine (MEO) ea bassa orbita (LEO) (Fig. 7).

Riso. 7. Satelliti per comunicazioni e loro proprietà: altezza dell'orbita, ritardo, numero di satelliti necessari per coprire l'intera superficie del globo.

Rete telefonica pubblica commutata

Struttura del sistema telefonico

La struttura di un tipico percorso di comunicazione telefonica su medie distanze è mostrata nella Figura 8.

Riso. 8. Tipico percorso di comunicazione con una distanza media tra gli abbonati.

Linee locali: modem, ADSL, wireless

Poiché il computer funziona con un segnale digitale e la linea telefonica locale è la trasmissione di un segnale analogico, viene utilizzato un dispositivo modem per convertire il digitale in analogico e viceversa e il processo stesso è chiamato modulazione / demodulazione (Fig. 9) .

Riso. 9. Uso di una linea telefonica durante la trasmissione di un segnale digitale.
Esistono 3 metodi di modulazione (Fig. 10):

modulazione di ampiezza - vengono utilizzate 2 diverse ampiezze di segnale (per 0 e 1),
frequenza - vengono utilizzate diverse frequenze di segnale diverse (per 0 e 1),
fase - gli sfasamenti vengono utilizzati durante la transizione tra le unità logiche (0 e 1). Angoli di taglio: 45, 135, 225, 180.

In pratica si utilizzano sistemi di modulazione combinati.

Riso. 10. Segnale binario (a); modulazione di ampiezza (b); modulazione di frequenza (c); modulazione di fase.
Tutti i modem moderni consentono di trasferire dati in entrambe le direzioni, questa modalità operativa è chiamata duplex. Una connessione con capacità di trasmissione seriale è chiamata half-duplex. Una connessione in cui la trasmissione avviene in una sola direzione è detta simplex.
La velocità massima del modem che può essere raggiunta al momento è di 56Kb/s. Norma V.90.

Linee di abbonati digitali. Tecnologia xDSL.

Dopo che la velocità dei modem ha raggiunto il limite, le compagnie telefoniche hanno iniziato a cercare una via d'uscita da questa situazione. Pertanto, molte proposte sono apparse sotto il nome generale xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - linea di abbonato digitale, dove invece di X potrebbero esserci altre lettere. La tecnologia più nota di queste proposte è l'ADSL (Asymmetric DSL).
Il motivo del limite di velocità dei modem era che utilizzavano l'intervallo di trasmissione del linguaggio umano per la trasmissione dei dati, da 300 Hz a 3400 Hz. Insieme alle frequenze limite, la larghezza di banda non era di 3100 Hz, ma di 4000 Hz.
Sebbene lo spettro della linea telefonica locale sia di 1,1 Hz.
La prima proposta di tecnologia ADSL utilizzava l'intero spettro della linea telefonica locale, che si suddivide in 3 bande:

POTS - la portata della rete telefonica convenzionale;
intervallo in uscita;
intervallo di ingresso.

Una tecnologia che utilizza frequenze diverse per scopi diversi è chiamata multiplexing di frequenza o multiplexing di frequenza.
Un metodo alternativo chiamato modulazione multitonale discreta, DMT (Discrete MultiTone) consiste nel dividere l'intero spettro di una linea locale larga 1,1 MHz in 256 canali indipendenti di 4312,5 Hz ciascuno. Il canale 0 è POTS. I canali da 1 a 5 non vengono utilizzati in modo che il segnale vocale non possa interferire con il segnale informativo. Dei restanti 250 canali, uno è occupato dal controllo della trasmissione verso il provider, uno verso l'utente e tutti gli altri sono disponibili per la trasmissione dei dati dell'utente (Fig. 11).

Riso. 11. Funzionamento ADSL utilizzando la modulazione multitono discreta.
Lo standard ADSL consente di ricevere fino a 8 Mb/s e di inviare fino a 1 Mb/s. ADSL2+ - in uscita fino a 24Mb/s, in entrata fino a 1,4 Mb/s.
Una tipica configurazione dell'apparecchiatura ADSL contiene:

DSLAM - Multiplexer di accesso DSL;
NID è un dispositivo di interfaccia di rete che separa la proprietà della compagnia telefonica e dell'abbonato.
Uno splitter (splitter) è uno splitter di frequenza che separa la banda POTS e i dati ADSL.

Riso. 12. Configurazione tipica delle apparecchiature ADSL.

Linee e sigilli

Il risparmio di risorse gioca un ruolo importante nel sistema telefonico. Il costo di posa e manutenzione di una dorsale ad alta capacità e di una linea di bassa qualità è quasi lo stesso (ovvero, la parte del leone di questo costo viene spesa per scavare trincee e non per il cavo in rame o in fibra ottica stesso).
Per questo motivo, le compagnie telefoniche hanno collaborato allo sviluppo di diversi schemi per trasportare più conversazioni su un unico cavo fisico. Gli schemi di multiplexing (compressione) possono essere suddivisi in due categorie principali FDM (Frequency Division Multiplexing - multiplexing a divisione di frequenza) e TDM (Time Division Multiplexing - multiplexing a divisione di tempo) (Fig. 13).
Con il multiplexing di frequenza, lo spettro di frequenza è diviso tra canali logici e ogni utente riceve la proprietà esclusiva della sua sottobanda. Nel multiplexing a divisione di tempo, gli utenti si alternano (ciclicamente) utilizzando lo stesso canale e ciascuno riceve la piena capacità del canale per un breve periodo di tempo.
I canali in fibra ottica utilizzano una variante speciale del multiplexing di frequenza. Si chiama multiplexing a divisione spettrale (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Riso. 13. Un esempio di multiplexing di frequenza: spettri originali di 1 segnali (a), spettri spostati di frequenza (b), canale multiplexato (c).

Commutazione

Dal punto di vista dell'ingegnere telefonico medio, il sistema telefonico è costituito da due parti: apparecchiature esterne (linee telefoniche locali e tronchi, fuori dagli interruttori) e apparecchiature interne (centralini) situate presso la centrale telefonica.
Qualsiasi rete di comunicazione supporta un qualche modo di commutazione (comunicazione) dei propri abbonati tra di loro. È praticamente impossibile fornire a ciascuna coppia di abbonati interagenti una propria linea di comunicazione fisica non commutata, che potrebbero monopolizzare la "propria" per lungo tempo. Pertanto, in qualsiasi rete, viene sempre utilizzato un metodo di commutazione dell'abbonato, che garantisce la disponibilità di canali fisici disponibili contemporaneamente per diverse sessioni di comunicazione tra gli abbonati alla rete.
Nei sistemi telefonici vengono utilizzate due diverse tecniche: commutazione di circuito e commutazione di pacchetto.

Commutazione del circuito

La commutazione di circuito implica la formazione di un canale fisico composito continuo da singole sezioni di canale collegate in serie per la trasmissione diretta dei dati tra i nodi. In una rete a commutazione di circuito, prima della trasmissione dei dati, è sempre necessario eseguire una procedura di instaurazione della connessione, durante la quale viene creato un canale composito (Fig. 14).

Commutazione di pacchetto

Nella commutazione di pacchetto, tutti i messaggi trasmessi dall'utente della rete vengono suddivisi nel nodo sorgente in parti relativamente piccole, chiamate pacchetti. Ogni pacchetto è dotato di un'intestazione che specifica le informazioni sull'indirizzo necessarie per consegnare il pacchetto all'host di destinazione, nonché il numero del pacchetto che verrà utilizzato dall'host di destinazione per assemblare il messaggio. I pacchetti vengono trasportati sulla rete come blocchi di informazioni indipendenti. Gli switch di rete ricevono i pacchetti dai nodi finali e, in base alle informazioni sull'indirizzo, li trasmettono l'un l'altro e, infine, al nodo di destinazione (Fig. 14).
eccetera.................

Per la trasmissione di dati discreti su linee di comunicazione con una banda di frequenza stretta, modulazione analogica. Un tipico rappresentante di tali linee è una linea di comunicazione a frequenza vocale messa a disposizione degli utenti delle reti telefoniche pubbliche. Questo collegamento trasmette segnali analogici nella gamma di frequenza da 300 a 3400 Hz (quindi la larghezza di banda della linea è 3100 Hz). Limitazione rigorosa della larghezza di banda delle linee di comunicazione in questo caso associato all'uso di apparecchiature per il multiplexing e la commutazione di circuito nelle reti telefoniche.

Viene chiamato un dispositivo che svolge le funzioni di modulazione di una sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodulazione sul lato ricevente modem (modulatore-demodulatore).

La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate cambiando ampiezze, frequenze O fasi un segnale sinusoidale della frequenza portante. A modulazione d'ampiezza per uno logico, viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante e per uno zero logico, un altro. Questo metodo è usato raramente nella pratica nella sua forma pura a causa della bassa immunità al rumore, ma è spesso usato in combinazione con altri tipi di modulazione. A modulazione di frequenza i valori 0 e 1 dei dati originali sono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse . Questo metodo di modulazione non richiede complicate circuiti elettronici nei modem ed è tipicamente utilizzato nei modem a bassa velocità che operano a 300 o 1200 bps. A modulazione di fase i valori dei dati 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza ma fase diversa, come 0 e 180 gradi o 0, 90, 180 e 270 gradi. Nei modem ad alta velocità vengono spesso utilizzati metodi di modulazione combinati, di norma l'ampiezza in combinazione con la fase. I metodi di modulazione combinati vengono utilizzati per aumentare la velocità dei dati. I metodi più comuni sono Modulazione di ampiezza in quadratura-QMA). Questi metodi si basano su una combinazione di modulazione di fase con 8 valori di sfasamento e modulazione di ampiezza con 4 livelli di ampiezza. Tuttavia, non vengono utilizzate tutte le possibili 32 combinazioni di segnali. Tale ridondanza di codifica è necessaria affinché il modem riconosca segnali errati, frutto di distorsioni dovute ad interferenze, che sui canali telefonici (soprattutto quelli commutati) sono molto significativi in ​​ampiezza e lunghi nel tempo.

A codifica digitale vengono utilizzate informazioni discrete potenziale E impulso codici. IN potenziale Nei codici, solo il valore del potenziale del segnale viene utilizzato per rappresentare quelli e gli zeri logici e le sue cadute, che formano impulsi completi, non vengono prese in considerazione. Polso i codici consentono di rappresentare i dati binari da impulsi di una certa polarità o da una parte dell'impulso: una potenziale caduta di una certa direzione.

Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi: alla stessa velocità in bit, avere la larghezza più piccola dello spettro del segnale risultante; sincronizzazione fornita tra trasmettitore e ricevitore; aveva la capacità di riconoscere gli errori; aveva un basso costo di implementazione.

Uno spettro di segnale più ristretto consente di ottenere una maggiore velocità di trasferimento dati sulla stessa linea (con la stessa larghezza di banda). La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria in modo che il ricevitore sappia esattamente in quale momento è necessario leggere nuove informazioni dalla linea di comunicazione. Questo problema è più difficile da risolvere nelle reti rispetto a quando si comunica tra dispositivi molto vicini, ad esempio tra dispositivi all'interno di un computer o tra un computer e una stampante. A brevi distanze, uno schema basato su una linea di comunicazione di clock separata funziona bene e le informazioni vengono rimosse dalla linea dati solo nel momento in cui arriva un impulso di clock. Nelle reti, l'uso di questo schema causa difficoltà a causa dell'eterogeneità delle caratteristiche dei conduttori nei cavi. Su lunghe distanze, le increspature della velocità del segnale possono far sì che il clock arrivi così tardi o troppo presto per il corrispondente segnale di dati che un bit di dati viene saltato o riletto. Un altro motivo per cui le reti si rifiutano di utilizzare gli impulsi di clock è quello di risparmiare conduttori in cavi costosi. Pertanto, le reti utilizzano il cosiddetto codici autosincronizzanti, i cui segnali portano indicazioni per il trasmettitore in quale momento è necessario riconoscere il bit successivo (o più bit, se il codice è orientato a più di due stati di segnale). Qualsiasi forte calo del segnale - il cosiddetto davanti- può servire come buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore. Quando si utilizzano sinusoidi come segnale portante, il codice risultante ha la proprietà di auto-sincronizzazione, poiché un cambiamento nell'ampiezza della frequenza portante consente al ricevitore di determinare il momento in cui appare il codice di input.

Il riconoscimento e la correzione dei dati distorti è difficile da implementare tramite il livello fisico, pertanto, molto spesso questo lavoro viene svolto dai protocolli che si trovano sopra: canale, rete, trasporto o applicazione. D'altra parte, il rilevamento degli errori livello fisico consente di risparmiare tempo, poiché il ricevitore non attende che il frame sia completamente bufferizzato, ma lo rifiuta immediatamente dopo il riconoscimento di bit errati all'interno del frame.

I requisiti per i metodi di codifica sono reciprocamente contraddittori, quindi ciascuno dei popolari metodi di codifica digitale discussi di seguito ha i suoi vantaggi e svantaggi rispetto ad altri.

Uno dei metodi più semplici potenziale la codifica è codice potenziale unipolare, detta anche codifica senza tornare a zero (Non Return to Zero-NRZ) (fig.7.1.a). Il cognome riflette il fatto che quando viene trasmessa una sequenza di uno, il segnale non ritorna a zero durante il ciclo. Il metodo NRZ ha un buon rilevamento degli errori (a causa di due potenziali nettamente diversi), ma non ha la proprietà di auto-sincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero, il segnale di linea non cambia, quindi il ricevitore non ha la capacità di determinare segnale di input punti nel tempo in cui è necessario leggere nuovamente i dati. Anche con un generatore di clock estremamente preciso, il ricevitore può sbagliare il momento dell'acquisizione dei dati, poiché le frequenze dei due generatori non sono quasi mai completamente identiche. Pertanto, a velocità di dati elevate e lunghe sequenze di uno o zero, una piccola discrepanza delle frequenze di clock può portare a un errore in un intero ciclo e, di conseguenza, alla lettura di un valore di bit errato.

a B c D e F

Riso. 7.1. Metodi di codifica dei dati binari: a-potenza unipolare

codice sociale; B- codice potenziale bipolare; v- im-

codice a impulsi; G -codice di impulso bipolare; D-codice "Manchester";

e- codice potenziale con quattro livelli di segnale.

Un altro grave svantaggio del metodo NRZ è la presenza di una componente a bassa frequenza che si avvicina allo zero durante la trasmissione di lunghe sequenze di uno o zero. Per questo motivo, molte linee di comunicazione che non forniscono un collegamento galvanico diretto tra il ricevitore e la sorgente non supportano questo tipo di codifica. Di conseguenza, il codice NRZ nella sua forma pura non viene utilizzato nelle reti, ma vengono utilizzate le sue varie modifiche, in cui vengono eliminate sia la scarsa autosincronizzazione del codice NRZ sia la presenza di un componente costante.

Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica del potenziale bipolare con inversione alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI). In questo metodo ( riso. 7.1.b) vengono utilizzati tre livelli potenziali: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e un'unità logica viene codificata da un potenziale positivo o negativo (in questo caso, il potenziale di ogni nuova unità è opposto al potenziale della precedente). Il codice AMI elimina parzialmente il DC e la mancanza di problemi di temporizzazione automatica inerenti al codice NRZ. Questo accade quando si inviano lunghe sequenze di quelli. In questi casi il segnale sulla linea è una sequenza di impulsi bipolari con lo stesso spettro del codice NRZ che trasmette zeri e uno alternati, cioè senza una componente costante e con un'armonica fondamentale di N/2 Hz (dove N è il bit rate dei dati). Anche lunghe sequenze di zeri sono pericolose per il codice AMI, così come per il codice NRZ: il segnale degenera in un potenziale costante di ampiezza zero. In generale, per diverse combinazioni di bit sulla linea, l'uso del codice AMI porta ad uno spettro di segnale più ristretto rispetto al codice NRZ, e quindi ad un throughput di linea più elevato. Ad esempio, quando si trasmettono uno e zero alternati, l'armonica fondamentale f 0 ha una frequenza di N/4 Hz. Il codice AMI fornisce anche alcune funzionalità per il riconoscimento di segnali errati. Pertanto, una violazione della stretta alternanza della polarità dei segnali indica un falso impulso o la scomparsa di un impulso corretto dalla linea. Viene chiamato un segnale con polarità errata segnale proibito (violazione del segnale). Poiché il codice AMI utilizza non due, ma tre livelli di segnale per linea, il livello aggiuntivo richiede un aumento della potenza del trasmettitore per fornire la stessa fedeltà di bit sulla linea, che è uno svantaggio generale dei codici con più stati di segnale rispetto ai codici che solo distinguere due stati.

I metodi più semplici impulsivo le codifiche sono codice impulso unipolare, in cui uno è rappresentato dalla quantità di moto e zero è rappresentato dalla sua assenza ( riso. 7.1c), E codice di impulso bipolare, in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra ( riso. 7,1 g). Ogni impulso dura mezzo ciclo. Il codice di impulso bipolare ha buone proprietà di temporizzazione automatica, ma può essere presente una componente di impulso CC, ad esempio, durante la trasmissione di una lunga sequenza di uno o zero. Inoltre, il suo spettro è più ampio di quello dei potenziali codici. Quindi, quando si trasmettono tutti zeri o uno, la frequenza dell'armonica fondamentale del codice sarà pari a N Hz, che è due volte superiore all'armonica fondamentale del codice NRZ e quattro volte superiore all'armonica fondamentale del codice AMI quando si trasmettono uno e zero alternati. A causa dello spettro troppo ampio, il codice di impulso bipolare viene utilizzato raramente.

Nelle reti locali, fino a poco tempo fa, il metodo di codifica più diffuso era il cosiddetto " Codice di Manchester"(riso. 7.1 d). Nel codice di Manchester, una potenziale caduta, cioè la parte anteriore dell'impulso, viene utilizzata per codificare gli uno e gli zeri. Nella codifica Manchester, ogni orologio è diviso in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano nel mezzo di ogni ciclo. Un'unità è codificata da una transizione dal basso all'alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo, può verificarsi un fronte del segnale di servizio se è necessario rappresentare più uno o zero di seguito. Poiché il segnale cambia almeno una volta per ciclo di trasmissione di un bit di dati, il codice Manchester ha buone proprietà di self-clocking. La larghezza di banda del codice Manchester è più stretta di quella dell'impulso bipolare. Inoltre non ha una componente costante e l'armonica fondamentale nel caso peggiore (quando si trasmette una sequenza di uno o zero) ha una frequenza di N Hz, e nel migliore dei casi (quando si trasmettono uno e zero alternati) è uguale a N / 2 Hz, come nei codici AMI o NRZ. In media, la larghezza di banda del codice di Manchester è una volta e mezza più stretta di quella del codice a impulsi bipolari e l'armonica fondamentale oscilla intorno a 3N/4. Un altro vantaggio del codice Manchester è che ha solo due livelli di segnale, mentre il codice impulsi bipolare ne ha tre.

Ci sono anche potenziali codici con un largo numero livelli di segnale per la codifica dei dati. Mostrato come esempio ( figura 7.1e) potenziale codice 2B1Q con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. In questo codice, ogni due bit vengono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati. Una coppia di bit "00" corrisponde a un potenziale di -2,5 V, una coppia di bit "01" - un potenziale di -0,833 V, una coppia di bit "11" - un potenziale di +0,833 V e una coppia di bit "10" - un potenziale di +2,5 V. Questo metodo di codifica richiede misure aggiuntive per gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche, da allora il segnale si trasforma in un componente costante. Con l'interleaving casuale dei bit, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ (a parità di bit rate, il tempo di ciclo è raddoppiato). Pertanto, utilizzando il codice 2B1Q presentato, è possibile trasferire i dati sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto all'utilizzo del codice AMI. Tuttavia, per la sua implementazione, la potenza del trasmettitore deve essere maggiore in modo che i quattro livelli siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.

Per migliorare potenziali codici come AMI e 2B1Q, codifica logica. La codifica logica è progettata per sostituire lunghe sequenze di bit, portando a un potenziale costante, intervallato da quelli. Due metodi sono caratteristici per la codifica logica: codici ridondanti e scrambling.

Codici ridondanti si basano sulla suddivisione della sequenza originale di bit in porzioni, spesso chiamate caratteri. Quindi ogni carattere originale viene sostituito con uno nuovo che ha più bit dell'originale. Ad esempio, un codice logico 4B/5B sostituisce i caratteri originali a 4 bit con caratteri a 5 bit. Poiché i simboli risultanti contengono bit ridondanti, il numero totale di combinazioni di bit in essi è maggiore rispetto a quelli originali. Quindi, nel codice 4B / 5B, i simboli risultanti possono contenere combinazioni di 32 bit, mentre i simboli originali - solo 16. Pertanto, nel codice risultante, puoi selezionare 16 combinazioni di questo tipo che non contengono un numero elevato di zeri e contare il resto codici proibiti (violazione del codice). Oltre a rimuovere DC e rendere il codice auto-sincronizzante, i codici ridondanti consentono al ricevitore di riconoscere i bit corrotti. Se il ricevitore riceve un codice proibito, significa che il segnale è stato distorto sulla linea. Il codice 4V/5V viene trasmesso sulla linea utilizzando la codifica fisica utilizzando uno dei potenziali metodi di codifica che è sensibile solo a lunghe sequenze di zeri. I simboli del codice 4V/5V, lunghi 5 bit, garantiscono che sulla riga non possano comparire più di tre zeri consecutivi per qualsiasi combinazione di essi. La lettera B nel nome in codice significa che il segnale elementare ha 2 stati (dal binario inglese - binario). Esistono anche codici con tre stati di segnale, ad esempio, nel codice 8B / 6T, per codificare 8 bit di informazioni iniziali, viene utilizzato un codice di 6 segnali, ciascuno dei quali ha tre stati. La ridondanza del codice 8B/6T è superiore a quella del codice 4B/5B, poiché ci sono 729 (3 alla potenza di 6) simboli risultanti per 256 codici sorgente. L'utilizzo della tabella di ricerca è un'operazione molto semplice, quindi questo approccio non complica adattatori di rete e blocchi di interfaccia di switch e router (cfr sezioni 9,11).

Per fornire una data capacità di linea, un trasmettitore che utilizza un codice ridondante deve funzionare a una frequenza di clock maggiore. Quindi, per trasmettere codici 4V / 5V a una velocità di 100 Mbps, il trasmettitore deve funzionare a una frequenza di clock di 125 MHz. In questo caso lo spettro del segnale sulla linea viene ampliato rispetto al caso in cui sulla linea viene trasmesso un codice puro e non ridondante. Tuttavia, lo spettro del codice potenziale ridondante risulta essere più ristretto dello spettro del codice Manchester, il che giustifica la fase aggiuntiva della codifica logica, nonché il funzionamento del ricevitore e del trasmettitore a una frequenza di clock maggiore.

Un altro modo di codifica logica si basa sulla "miscelazione" preliminare delle informazioni iniziali in modo tale che le probabilità della comparsa di uno e zero sulla linea si avvicinino. Vengono chiamati dispositivi o blocchi che eseguono questa operazione scrambler(scramble - dump, assemblea disordinata). A scrambling viene utilizzato un noto algoritmo, quindi il ricevitore, dopo aver ricevuto dati binari, li trasmette a decodificatore, che ripristina la sequenza di bit originale. I bit in eccesso non vengono trasmessi sulla linea. Nella moderna alta velocità vengono utilizzati una ridondanza potenziale migliorata e codici criptati tecnologie di rete invece di "Manchester" e codifica di impulsi bipolari.

7.6. Tecnologie di multiplexing della linea di comunicazione

Per multiplexing("compattazione") delle linee di comunicazione, vengono utilizzate diverse tecnologie. Tecnologia frequenzamultiplexing(Multiplexing a divisione di frequenza - FDM) è stato originariamente sviluppato per le reti telefoniche, ma è utilizzato anche per altri tipi di reti, come le reti televisive via cavo. Questa tecnologia presuppone il trasferimento dei segnali di ciascun canale di abbonato alla propria gamma di frequenza e la trasmissione simultanea di segnali da più canali di abbonato in una linea di comunicazione a banda larga. Ad esempio, gli ingressi di un commutatore FDM ricevono i segnali iniziali dagli abbonati alla rete telefonica. Lo switch esegue una traslazione di frequenza di ciascun canale nella propria banda di frequenza. Tipicamente, la gamma ad alta frequenza è suddivisa in bande allocate per la trasmissione di dati dai canali degli abbonati. Nella linea di comunicazione tra due interruttori FDM, i segnali di tutti i canali dell'abbonato vengono trasmessi contemporaneamente, ma ognuno di essi occupa la propria banda di frequenza. L'interruttore FDM di uscita separa i segnali modulati di ciascuna frequenza portante e li trasmette al canale di uscita corrispondente a cui è direttamente collegato il telefono dell'abbonato. Gli switch FDM possono eseguire sia la commutazione dinamica che quella permanente. Nella commutazione dinamica, un abbonato avvia una connessione con un altro abbonato inviando alla rete il numero dell'abbonato chiamato. Lo switch alloca dinamicamente a questo abbonato una delle corsie libere. Con la commutazione costante, la banda viene assegnata all'abbonato per lungo tempo. Il principio della commutazione basato sulla divisione di frequenza rimane invariato nelle reti di tipo diverso, cambiano solo i confini delle bande assegnate a un canale di abbonamento separato, nonché il loro numero.

Tecnologia di multiplexingmultiproprietà(multiplexing a divisione di tempo - TDM) O temporaneo multiplexing si basa sull'utilizzo di apparecchiature TDM (multiplexer, switch, demultiplexer) operanti in modalità time-sharing, che servono a turno tutti i canali dell'abbonato durante un ciclo. A ogni connessione viene assegnata una porzione di tempo del ciclo operativo dell'hardware, chiamato anche fascia oraria. La durata della fascia oraria dipende dal numero di canali abbonati serviti dall'apparecchiatura. Le reti TDM possono supportare entrambi dinamico, O costante commutazione e talvolta entrambe queste modalità.

Reti con commutazione dinamica richiedono una procedura preliminare per stabilire una connessione tra gli abbonati. Per fare ciò, l'indirizzo dell'abbonato chiamato viene trasmesso alla rete, che passa attraverso gli switch e li configura per la successiva trasmissione dei dati. La richiesta di connessione viene instradata da uno switch all'altro e infine raggiunge la parte chiamata. La rete può rifiutarsi di stabilire una connessione se la capacità del canale di uscita richiesto è già stata esaurita. Per un commutatore FDM, la capacità di uscita è pari al numero di bande di frequenza e per un commutatore TDM è pari al numero di intervalli di tempo in cui è suddiviso il ciclo di funzionamento del canale. La rete rifiuta anche la connessione se l'abbonato richiesto ha già stabilito una connessione con qualcun altro. Nel primo caso, dicono che l'interruttore è occupato e nel secondo l'abbonato. La possibilità di un errore di connessione è uno svantaggio del metodo di commutazione del circuito. Se è possibile stabilire una connessione, viene assegnata una larghezza di banda fissa nelle reti FDM o una larghezza di banda fissa nelle reti TDM. Questi valori rimangono invariati per tutto il periodo di connessione. Il throughput di rete garantito dopo che è stata stabilita una connessione è una caratteristica importante richiesta per applicazioni come la trasmissione di voce e video o il controllo di oggetti in tempo reale.

Se è presente un solo canale di comunicazione fisico, ad esempio durante lo scambio di dati tramite modem via rete telefonica, la modalità di funzionamento duplex è organizzata sulla base della divisione del canale in due sottocanali logici utilizzando tecnologie FDM o TDM. Quando si utilizza la tecnologia FDM, i modem per l'organizzazione del funzionamento duplex su una linea a due fili funzionano a quattro frequenze (due frequenze per la codifica di uno e zero durante la trasmissione di dati in una direzione e le altre due frequenze per la codifica durante la trasmissione nella direzione opposta). Nella tecnologia TDM, alcuni intervalli di tempo vengono utilizzati per trasferire i dati in una direzione e altri vengono utilizzati per trasferire i dati nell'altra direzione. Di solito si alternano fasce orarie di direzioni opposte.

Nei cavi in ​​​​fibra ottica per l'organizzazione del funzionamento duplex quando si utilizza una sola fibra ottica, la trasmissione dei dati in una direzione viene eseguita utilizzando un raggio di luce di una lunghezza d'onda e nella direzione opposta - una lunghezza d'onda diversa. Questa tecnologia è essenzialmente correlata al metodo FDM, ma per i cavi in ​​​​fibra ottica viene chiamata tecnologie di multiplexing della lunghezza d'onda(Wave Division Multiplexing - WDM) O onda multiplexing.

Tecnologiaonda densamultiplexing (spettrale).(Multiplexing a divisione d'onda densa - DWDM) è progettato per creare una nuova generazione di dorsali ottiche operanti a velocità multi-gigabit e terabit. Un tale salto qualitativo nelle prestazioni è fornito dal fatto che le informazioni in una fibra ottica vengono trasmesse simultaneamente da un gran numero di onde luminose. Le reti DWDM funzionano secondo il principio della commutazione di circuito, con ogni onda luminosa che rappresenta un canale spettrale separato e trasporta le proprie informazioni. Uno dei principali vantaggi della tecnologia DWDM è un aumento significativo del fattore di utilizzo del potenziale di frequenza della fibra ottica, la cui larghezza di banda teorica è di 25.000 GHz.

Riepilogo

Nei moderni sistemi di telecomunicazione, le informazioni vengono trasmesse tramite onde elettromagnetiche: segnali elettrici, luminosi o radio.

Le linee di comunicazione, a seconda del tipo di supporto fisico per la trasmissione delle informazioni, possono essere via cavo (cablate) o wireless. Come linee di comunicazione, vengono utilizzati cavi telefonici basati su conduttori paralleli non intrecciati, cavi coassiali, cavi basati su coppie intrecciate di conduttori (non schermati e schermati), cavi in ​​fibra ottica. I più efficaci oggi e promettenti nel prossimo futuro sono i cavi basati su coppie intrecciate di conduttori e cavi in ​​​​fibra ottica. Le linee di comunicazione wireless sono spesso implementate trasmettendo segnali radio in varie bande di onde radio. La tecnologia di trasmissione dati wireless a infrarossi utilizza parte dello spettro elettromagnetico tra la luce visibile e le microonde più corte. La più veloce e resistente al rumore è la tecnologia laser della comunicazione wireless.

Le caratteristiche principali delle linee di comunicazione sono la risposta in frequenza, la larghezza di banda e l'attenuazione ad una certa frequenza.

Il throughput di una linea di comunicazione caratterizza la massima velocità di trasferimento dati possibile su di essa. L'immunità ai disturbi di una linea di comunicazione determina la sua capacità di ridurre il livello di interferenza generata nell'ambiente esterno sui conduttori interni. L'affidabilità della trasmissione dei dati caratterizza la probabilità di distorsione per ogni bit di dati trasmesso.

La rappresentazione di informazioni discrete in una forma o nell'altra dei segnali applicati alla linea di comunicazione è chiamata codifica fisica. La codifica logica implica la sostituzione di bit delle informazioni originali con una nuova sequenza di bit che trasporta le stesse informazioni ma ha proprietà aggiuntive.

Per trasmettere dati discreti su linee di comunicazione con una banda di frequenza ristretta, viene utilizzata la modulazione analogica, in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale di frequenza portante sinusoidale. Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati codici potenziali e di impulso. Per il multiplexing delle linee di comunicazione vengono utilizzate tecnologie di multiplexing di frequenza, tempo e onda.

Controllare le domande e le attività

1. Fornire la classificazione delle linee di comunicazione.

2. Descrivere le linee di comunicazione via cavo più comuni.

3. Presentare le principali linee di comunicazione wireless e fornire le loro caratteristiche comparative.

4. A causa di quali fattori fisici i canali di comunicazione distorcono i segnali trasmessi?

5. Qual è la caratteristica ampiezza-frequenza di un canale di comunicazione?

6. In quali unità viene misurata la larghezza di banda del canale di comunicazione?

7. Descrivere il concetto di "immunità al rumore della linea di comunicazione".

8. Cosa determina la caratteristica "affidabilità della trasmissione dei dati" e in quali unità viene misurata?

9. Cos'è la "modulazione analogica" e quali tipi di essa vengono utilizzati per trasmettere dati discreti?

10. Quale dispositivo svolge le funzioni di modulare la sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodularla sul lato ricevente?

11. Indicare la differenza tra potenziale e codifica degli impulsi dei segnali digitali.

12. Cosa sono i codici autosincronizzanti?

13. Qual è lo scopo della codifica logica dei segnali digitali e quali metodi vengono utilizzati?

14. Descrivi la tecnologia multiplazione di frequenza linee di comunicazione.

15. Quali sono le caratteristiche della tecnologia multiplexing a divisione di tempo?

16. Quale tecnologia di multiplexing viene utilizzata nei cavi in ​​fibra ottica per organizzare il funzionamento duplex quando si utilizza una sola fibra ottica?

17. Qual è lo scopo della tecnologia multiplexing ad onda densa?

Le informazioni trasmesse su una linea di comunicazione sono solitamente soggette a una codifica speciale, che migliora l'affidabilità della trasmissione. In questo caso, sono inevitabili costi hardware aggiuntivi per la codifica e la decodifica e aumenta il costo degli adattatori di rete.

La codifica delle informazioni trasmesse su una rete è legata al rapporto tra la massima velocità di trasmissione consentita e la larghezza di banda del mezzo trasmissivo utilizzato. Ad esempio, con codici diversi, la velocità di trasmissione massima sullo stesso cavo può differire di un fattore due. Anche la complessità delle apparecchiature di rete e l'affidabilità della trasmissione delle informazioni dipendono direttamente dal codice scelto.

Per trasmettere dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due metodi di codifica fisica dei dati discreti iniziali: basati su un segnale portante sinusoidale e basati su una sequenza di impulsi rettangolari. Il primo modo è spesso chiamato modulazione analogica, Perché la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico (ampiezza, fase, frequenza). Il secondo modo è chiamato codifica digitale. Attualmente, i dati che hanno una forma analogica (parlato, immagine televisiva) vengono trasmessi attraverso canali di comunicazione in forma discreta. Viene chiamato il processo di rappresentazione delle informazioni analogiche in forma discreta modulazione discreta.

5.1Modulazione analogica

Viene chiamata la rappresentazione di dati discreti come segnale sinusoidale modulazione analogica. La modulazione analogica consente di rappresentare le informazioni come un segnale sinusoidale con diversi livelli di ampiezza, fase o frequenza. Puoi anche utilizzare combinazioni di parametri variabili: ampiezza e frequenza, ampiezza-fase. Ad esempio, se si forma un segnale sinusoidale con quattro livelli di ampiezza e quattro livelli di frequenza, ciò fornirà 16 stati del parametro informativo, il che significa 4 bit di informazioni per una modifica.

Esistono tre tipi principali di modulazione analogica:

ampiezza,

frequenza,

Modulazione di ampiezza. (AM) Con la modulazione di ampiezza, per uno logico, viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante e per uno zero logico, un altro (vedi Fig. 5.1). La frequenza del segnale rimane costante. Questo metodo viene utilizzato raramente nella sua forma pura nella pratica a causa della bassa immunità al rumore, ma viene spesso utilizzato in combinazione con un altro tipo di modulazione: la modulazione di fase.

Riso. 5.1 Vari tipi modulazione

Modulazione di frequenza. ( Coppa del Mondo) Con la modulazione di frequenza, i valori di 0 logico e 1 logico dei dati iniziali vengono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse - f 1 e f 2 (vedi Fig. 5.1). L'ampiezza del segnale rimane costante. Questo metodo di modulazione non richiede circuiti complicati nei modem e viene solitamente utilizzato nei modem a bassa velocità.

Modulazione di fase. (FM) Con la modulazione di fase, i valori di 0 e 1 logici corrispondono a segnali della stessa frequenza, ma con una fase diversa (invertita), ad esempio 0 e 180 gradi o 0,90,180 e 270 gradi. Il segnale risultante appare come una sequenza di onde sinusoidali invertite (vedi Figura 5.1). L'ampiezza e la frequenza del segnale rimangono costanti.

I metodi di modulazione combinati vengono utilizzati per aumentare la velocità di trasmissione (aumentare il numero di bit per un ciclo del parametro informativo). I metodi più comuni modulazione di ampiezza in quadratura (Quadratura Ampiezza Modulazione, QAM). Questi metodi utilizzano una combinazione di modulazione di fase con 8 valori di sfasamento e modulazione di ampiezza con 4 livelli di ampiezza. Con questo metodo sono possibili 32 combinazioni di segnali. E sebbene non tutti vengano utilizzati, la velocità è ancora notevolmente aumentata e, grazie alla ridondanza, è possibile controllare gli errori nella trasmissione dei dati. Ad esempio, in alcuni codici sono consentite solo 6, 7 o 8 combinazioni per rappresentare i dati originali e le restanti combinazioni sono vietate. Tale ridondanza di codifica è necessaria affinché il modem riconosca segnali errati derivanti da distorsioni dovute ad interferenze, che sui canali telefonici, specie quelli commutati, sono molto significativi in ​​ampiezza e lunghi nel tempo.

Determiniamo su quali linee può funzionare la modulazione analogica e in che misura questo metodo soddisfa la larghezza di banda dell'una o dell'altra linea di trasmissione utilizzata, per la quale consideriamo lo spettro dei segnali risultanti. Ad esempio, prendi il metodo della modulazione di ampiezza. Lo spettro del segnale risultante con modulazione di ampiezza sarà costituito da una sinusoide della frequenza portante F Con e due armoniche laterali:

(F Con -F M ) E (F Con + f M ), Dove F M- frequenza di modulazione (variazioni del parametro informativo della sinusoide), che coinciderà con il data rate se si utilizzano due livelli di ampiezza.

Riso. 5.2 Spettro del segnale con modulazione di ampiezza

Frequenza F M determina la larghezza di banda della linea per un dato metodo di codifica. Con una bassa frequenza di modulazione, anche l'ampiezza dello spettro del segnale sarà piccola (uguale a 2f M vedere Figura 5.2), quindi i segnali non saranno distorti dalla linea se la sua larghezza di banda è maggiore o uguale a 2f M .

Pertanto, con la modulazione di ampiezza, il segnale risultante ha uno spettro ristretto.

Con la modulazione di fase e frequenza, lo spettro del segnale è più complesso che con la modulazione di ampiezza, poiché qui si formano più di due armoniche laterali, ma sono anche posizionate simmetricamente rispetto alla frequenza portante principale e le loro ampiezze diminuiscono rapidamente. Pertanto, questi tipi di modulazione sono adatti anche per la trasmissione di dati su linee con larghezze di banda ridotte. Un tipico rappresentante di tali linee è il canale a frequenza vocale, che viene messo a disposizione degli utenti delle reti telefoniche pubbliche.

Dalla risposta in frequenza tipica di un canale a frequenza vocale, si può vedere che questo canale trasmette frequenze nell'intervallo da 300 a 3400 Hz, e quindi la sua larghezza di banda è di 3100 Hz (vedi Figura 5.3).

Riso. 5.3 risposta in frequenza del canale di frequenza vocale

Sebbene la voce umana abbia uno spettro molto più ampio - da circa 100 Hz a 10 kHz - per una qualità vocale accettabile, una gamma di 3100 Hz è una buona soluzione. La rigorosa limitazione della larghezza di banda del canale a toni è associata all'uso di apparecchiature multiplexing e di commutazione di circuito nelle reti telefoniche.

Pertanto, per un canale di frequenza vocale, la modulazione di ampiezza fornisce una velocità di trasferimento dati non superiore a 3100/2=1550 bit/s. Se si utilizzano diversi livelli del parametro informativo (4 livelli di ampiezza), il throughput del canale della frequenza vocale viene raddoppiato.

Molto spesso, la codifica analogica viene utilizzata durante la trasmissione di informazioni su un canale con una larghezza di banda ridotta, ad esempio su linee telefoniche in reti geografiche. Nelle reti locali, viene utilizzato raramente a causa dell'elevata complessità e del costo delle apparecchiature di codifica e decodifica.

Attualmente, quasi tutte le apparecchiature che funzionano con segnali analogici vengono sviluppate sulla base di costosi microcircuiti. DSP (processore di segnale digitale). In questo caso, dopo la modulazione e la trasmissione del segnale, è necessario effettuare la demodulazione in ricezione, e anche questa è un'apparecchiatura costosa. Per svolgere la funzione di modulazione della sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodulazione sul lato ricevente, viene utilizzato un dispositivo speciale, chiamato modem (modulatore-demodulatore). Un modem a 56.000 bps costa $ 100 e scheda LAN per 100 Mbps costa $ 10.

In conclusione, presentiamo i vantaggi e gli svantaggi della modulazione analogica.

La modulazione analogica ha molti parametri informativi diversi: ampiezza, fase, frequenza. Ciascuno di questi parametri può assumere più stati per cambio di portante. E, quindi, il segnale risultante può trasmettere un gran numero di bit al secondo.

La modulazione analogica fornisce al segnale risultante uno spettro ristretto, e quindi va bene dove è necessario lavorare su linee scadenti (con una larghezza di banda ridotta), è in grado di fornire un'elevata velocità di trasmissione lì. La modulazione analogica può funzionare anche su buone linee, qui un altro vantaggio della modulazione analogica è particolarmente importante: la capacità di spostare lo spettro in zona desiderata, a seconda della larghezza di banda della linea utilizzata.

La modulazione analogica è difficile da implementare e l'attrezzatura che la esegue è molto costosa.

La modulazione analogica viene utilizzata dove non è possibile farne a meno, ma nelle reti locali vengono utilizzati altri metodi di codifica, per la cui implementazione sono necessarie apparecchiature semplici ed economiche. Pertanto, molto spesso nelle reti locali, quando si trasmettono dati nelle linee di comunicazione, viene utilizzato il secondo metodo di codifica fisica: la codifica digitale

5. 2.Codifica digitale

Codifica digitale- rappresentazione delle informazioni mediante impulsi rettangolari. Per l'uso della codifica digitale potenziale E impulso codici.

Codici potenziali. Nei codici potenziali, solo il valore del potenziale del segnale durante il periodo del ciclo viene utilizzato per rappresentare quelli e zeri logici e le sue cadute, che formano impulsi completi, non vengono prese in considerazione. È importante solo quale valore ha il segnale risultante durante il periodo del ciclo.

codici di impulso. I codici di impulso rappresentano uno zero logico e un'unità logica mediante impulsi di una certa polarità o parte dell'impulso - mediante una potenziale caduta di una certa direzione. Il valore del codice dell'impulso include l'intero impulso insieme alle sue transizioni.

Definiamo i requisiti per la codifica digitale. Ad esempio, abbiamo bisogno di trasferire dati discreti (una sequenza di zeri e uno logici) dall'uscita di un computer - la sorgente - all'ingresso di un altro computer - il ricevitore attraverso la linea di comunicazione.

1. Per la trasmissione dei dati, abbiamo linee di comunicazione che non passano tutte le frequenze, hanno determinate larghezze di banda a seconda del loro tipo. Pertanto, durante la codifica dei dati, è necessario tenere conto del fatto che i dati codificati vengono "attraversati" dalla linea di comunicazione.

2. Le sequenze di dati discreti devono essere codificate come impulsi digitali di una certa frequenza. In questo caso, ovviamente, è meglio ottenere:

a) che le frequenze dei segnali codificati siano basse per corrispondere generalmente alle larghezze di banda dei collegamenti di comunicazione.

b) che i segnali codificati forniscano un'elevata velocità di trasmissione.

Così, buon codice deve avere meno Hertz e più bit al secondo.

3. I dati da trasmettere sono una sequenza imprevedibile di zeri e uno logici.

Codifichiamo questi dati in un certo modo con impulsi digitali, quindi come possiamo determinare quale frequenza ha il segnale risultante? Per determinare la frequenza massima di un codice digitale, è sufficiente considerare il segnale risultante durante la codifica di sequenze private come:

sequenza di zeri logici

sequenza di quelli logici

sequenza alternata di zeri e uno logici

Successivamente, è necessario scomporre il segnale utilizzando il metodo di Fourier, trovare lo spettro, determinare le frequenze di ciascuna armonica e trovare la frequenza totale del segnale, mentre è importante che lo spettro principale del segnale rientri nella larghezza di banda del segnale linea di comunicazione. Per non fare tutti questi calcoli, è sufficiente provare a determinare l'armonica fondamentale dello spettro del segnale, per questo è necessario indovinare la prima sinusoide dalla forma del segnale, che ripete il suo contorno della sua forma, quindi trovare il periodo di questa sinusoide. Il periodo è la distanza tra due variazioni di segnale. Quindi puoi anche determinare la frequenza dell'armonica fondamentale dello spettro del segnale come F = 1/T, Dove F- frequenza, T- periodo del segnale. Per comodità di ulteriori calcoli, assumiamo che il bit rate della variazione del segnale sia uguale a N.

Tali calcoli possono essere effettuati per ciascun metodo di codifica digitale per determinare la frequenza del segnale risultante. Il segnale risultante nella codifica digitale è una sequenza specifica di impulsi rettangolari. Per rappresentare una sequenza di impulsi rettangolari come somma di sinusoidi per trovare lo spettro, è necessario un gran numero di tali sinusoidi. Lo spettro di una sequenza di onde quadre sarà generalmente molto più ampio di quello dei segnali modulati.

Se viene utilizzato un codice digitale per trasmettere dati su un canale a frequenza vocale, il limite superiore per la codifica potenziale viene raggiunto per una velocità di trasferimento dati di 971 bps e il limite inferiore è inaccettabile per qualsiasi velocità, poiché la larghezza di banda del canale inizia a 300 Hz.

Ecco perché codici digitali sui canali a frequenza vocale semplicemente non vengono mai utilizzati. Ma d'altra parte funzionano molto bene nelle reti locali che non utilizzano le linee telefoniche per la trasmissione dei dati.

Così, la codifica digitale richiede un'ampia larghezza di banda per una trasmissione di alta qualità.

4. Quando si trasmettono informazioni su linee di comunicazione da un nodo sorgente a un nodo ricevente, è necessario fornire una tale modalità di trasmissione in cui il ricevitore saprà sempre esattamente in quale momento riceve i dati dalla sorgente, ad es. è necessario fornire sincronizzazione sorgente e ricevitore. Nelle reti, il problema della sincronizzazione è più difficile da risolvere rispetto allo scambio di dati tra blocchi all'interno di un computer o tra un computer e una stampante. A brevi distanze, uno schema basato su una linea di comunicazione di clock separata funziona bene. In un tale schema, le informazioni vengono rimosse dalla linea dati solo nel momento in cui arriva l'impulso di clock (vedi Fig. 5.4).

Riso. 5.4 Sincronizzazione di ricevitore e trasmettitore su brevi distanze

Questa opzione di sincronizzazione non è assolutamente adatta a nessuna rete a causa dell'eterogeneità delle caratteristiche dei conduttori nei cavi. Su lunghe distanze, le increspature della velocità del segnale possono far sì che il clock arrivi così tardi o troppo presto per il corrispondente segnale di dati che un bit di dati viene saltato o riletto. Un altro motivo per cui le reti si rifiutano di utilizzare gli impulsi di clock è quello di risparmiare conduttori in cavi costosi. Pertanto, le reti utilizzano il cosiddetto codici autosincronizzanti.

Codici autosincronizzanti- segnali che indicano al ricevitore in quale momento è necessario riconoscere il bit successivo (o più bit, se il codice è orientato a più di due stati di segnale). Qualsiasi forte calo del segnale - il cosiddetto davanti- può servire come buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore. Un esempio di codice auto-sincronizzante sarebbe un'onda sinusoidale. Poiché la modifica dell'ampiezza della frequenza portante consente al ricevitore di determinare il momento in cui appare il codice di input. Ma questo vale per la modulazione analogica. Nella codifica digitale esistono anche metodi che creano codici auto-sincronizzati, ma ne parleremo più avanti.

Così, un buon codice digitale dovrebbe fornire la sincronizzazione

Dopo aver considerato i requisiti per un buon codice digitale, passiamo alla considerazione dei metodi di codifica digitale stessi.

5. 2.1Codice potenziale senza ritorno a zero NRZ

Questo codice ha preso il nome perché quando viene trasmessa una sequenza di 1, il segnale non ritorna a zero durante il ciclo (come vedremo in seguito, in altri metodi di codifica, in questo caso si verifica un ritorno a zero).

Codice NRZ (Non Ritorno a Zero)- senza tornare a zero - questo è il codice a due livelli più semplice. Il segnale risultante ha due livelli potenziali:

Zero corrisponde al livello inferiore, unità - superiore. Le transizioni di informazioni avvengono in corrispondenza di un limite di bit.

Consideriamo tre casi particolari di trasmissione dati da parte del codice NRZ: una sequenza alternata di zeri e uno, una sequenza di zeri e una sequenza di uno (vedi Fig. 5.5, a).

Riso. 5.5 Codice NRZ

Proviamo a determinare se questo codice soddisfa i requisiti elencati. Per fare ciò, è necessario determinare l'armonica fondamentale dello spettro con potenziale codifica in ciascuno dei casi presentati al fine di determinare con maggiore precisione quale codice NRZ ha requisiti per la linea di comunicazione utilizzata.

Il primo caso: vengono trasmesse informazioni, costituite da una sequenza infinita di uno e zero alternati (vedi Fig. 5.5, b).

Questa figura mostra che quando si alternano uno e zero, in un ciclo verranno trasmessi due bit 0 e 1. Con la forma della sinusoide mostrata in fig. 4.22 b N- bit rate, il periodo di questa sinusoide è uguale a T=2N. La frequenza dell'armonica fondamentale in questo caso è uguale a F 0 = N/2.

Come puoi vedere, con una tale sequenza di questo codice, la velocità di trasferimento dei dati è il doppio della frequenza del segnale.

Quando si trasmettono sequenze di zeri e uno, il segnale risultante è corrente continua, la frequenza della variazione del segnale è zero F 0 = 0 .

Lo spettro di un segnale reale cambia costantemente a seconda di quali dati vengono trasmessi sulla linea di comunicazione, e bisogna diffidare delle trasmissioni di lunghe sequenze di zeri o di quelli che spostano lo spettro del segnale verso basse frequenze. Perché Il codice NRZ durante la trasmissione di lunghe sequenze di zeri o uno ha una componente costante.

È noto dalla teoria del segnale che, oltre ai requisiti di larghezza, viene proposto un altro requisito molto importante per lo spettro del segnale trasmesso: nessuna componente costante(la presenza di corrente continua tra il ricevitore e il trasmettitore), perché l'uso di vari scambi di trasformatori non passa nella linea di comunicazione DC.

Pertanto, alcune delle informazioni verranno semplicemente ignorate da questo collegamento. Pertanto, in pratica, cercano sempre di eliminare la presenza di una componente costante nello spettro del segnale portante già in fase di codifica.

Pertanto, abbiamo identificato un ulteriore requisito per un buon codice digitale il codice digitale non dovrebbe avere una componente costante.

Un altro svantaggio di NRZ è: mancanza di sincronizzazione. In questo caso, solo ulteriori metodi di sincronizzazione aiuteranno, di cui parleremo più avanti.

Uno dei principali vantaggi del codice NRZ è la semplicità. Per generare impulsi rettangolari sono necessari due transistor e sono necessari microcircuiti complessi per implementare la modulazione analogica. Il potenziale segnale non ha bisogno di essere codificato e decodificato, poiché lo stesso metodo viene utilizzato per la trasmissione dei dati all'interno del computer.

Come risultato di tutto ciò che è stato mostrato sopra, trarremo diverse conclusioni che ci aiuteranno quando considereremo altri metodi di codifica digitale:

NRZ è molto facile da implementare, ha un buon rilevamento degli errori (a causa di due potenziali nettamente diversi).

NRZ ha una componente CC durante la trasmissione di zeri e uno, il che rende impossibile la trasmissione su linee isolate dal trasformatore.

NRZ non è un codice autosincronizzante e questo ne complica la trasmissione su qualsiasi linea.

L'attrattiva del codice NRZ, per cui ha senso migliorarlo, risiede nella frequenza piuttosto bassa dell'armonica fondamentale fo, che è pari a N/2 Hz, come mostrato sopra. Così il cod NRZ funziona a basse frequenze da 0 a N/2 Hz.

Di conseguenza, nella sua forma pura, il codice NRZ non viene utilizzato nelle reti. Tuttavia, vengono utilizzate le sue varie modifiche, in cui vengono eliminate con successo sia la scarsa autosincronizzazione del codice NRZ che la presenza di un componente costante.

I seguenti metodi di codifica digitale sono stati sviluppati con l'obiettivo di migliorare in qualche modo la capacità del codice NRZ

5. 2.2. Metodo di codifica bipolare ad inversione alternativa AMI

Metodo di codifica bipolare con inversione alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)è una modifica del metodo NRZ.

Questo metodo utilizza tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. Tre livelli di segnale sono uno svantaggio del codice, perché per distinguere tra tre livelli è necessario un migliore rapporto segnale/rumore all'ingresso del ricevitore. Lo strato aggiuntivo richiede un aumento della potenza del trasmettitore di circa 3 dB per fornire la stessa fedeltà di bit sulla linea, che è uno svantaggio generale dei codici multistato rispetto ai codici bilivello. Nel codice AMI, un potenziale zero viene utilizzato per codificare uno zero logico, uno logico è codificato da un potenziale positivo o negativo, mentre il potenziale di ogni nuovo è opposto al potenziale del precedente.

Riso. 5.6 Codice AMI

Questa tecnica di codifica elimina parzialmente i problemi della componente DC e la mancanza di auto-sincronizzazione insita nel codice NRZ durante la trasmissione di lunghe sequenze di uno. Ma il problema della componente costante rimane per lui quando trasmette sequenze di zeri (vedi Fig. 5.6).

Consideriamo casi particolari dell'operazione del codice e determiniamo l'armonica fondamentale dello spettro del segnale risultante per ciascuno di essi. Con una sequenza di zeri - segnale - corrente continua - fo \u003d 0 (Fig. 5.7, a)

Riso. 5.7 Determinazione delle frequenze fondamentali dello spettro AMI

Per questo motivo anche il codice AMI necessita di ulteriori miglioramenti. Quando si trasmette una sequenza di unità, il segnale sulla linea è una sequenza di impulsi bipolari con lo stesso spettro del codice NRZ che trasmette zeri e uno alternati, cioè senza una componente costante e con un'armonica fondamentale fo = N/2 Hz .

Quando si trasmette alternando uno e zero, l'armonica fondamentale fo = N/4 Hz, che è due volte inferiore a quella del codice NRZ.

In generale, per varie combinazioni di bit sulla linea, l'uso del codice AMI porta ad uno spettro di segnale più ristretto rispetto al codice NRZ, e quindi ad un throughput di linea più elevato. Il codice AMI fornisce anche alcune funzionalità per il riconoscimento di segnali errati. Pertanto, una violazione della stretta alternanza della polarità dei segnali indica un falso impulso o la scomparsa di un impulso corretto dalla linea. Un segnale con polarità errata è chiamato segnale proibito. (violazione del segnale).

Si possono trarre le seguenti conclusioni:

AMI annulla la componente DC durante la trasmissione di una sequenza di uno;

L'AMI ha uno spettro ristretto - da N/4 - N/2;

AMI elimina parzialmente i problemi di sincronizzazione

L'AMI utilizza non due, ma tre livelli di segnale sulla linea e questo è il suo svantaggio, ma il seguente metodo è riuscito a eliminarlo.

5. 2.3 Codice potenziale con inversione all'unità NRZI

Questo codice è completamente simile al codice AMI, ma utilizza solo due livelli di segnale. Quando viene trasmesso zero, trasmette il potenziale che era stato impostato nel ciclo precedente (cioè non lo cambia), e quando viene trasmesso uno, il potenziale viene invertito al contrario.

Questo codice si chiama codice potenziale con inversione a uno (Non ritorno a zero con quelli invertiti, NRZI).

È conveniente nei casi in cui l'uso del terzo livello di segnale è altamente indesiderabile, ad esempio nei cavi ottici, in cui vengono riconosciuti in modo affidabile due stati di segnale: chiaro e scuro.

Riso. 5.8 Codice NRZI

Il codice NRZI differisce nella forma del segnale risultante dal codice AMI, ma se calcoli le armoniche fondamentali, per ogni caso, risulta che sono le stesse. Per una sequenza di uno e zero alternati, la frequenza fondamentale del segnale è fo=N/4.(vedi Fig. 5.9, a). Perché con una sequenza di unità - fo=N/2. Con una sequenza di zeri, rimane lo stesso inconveniente fo=0- corrente continua in linea.

Riso. 5.9 Determinazione delle frequenze fondamentali dello spettro per NRZI

Le conclusioni sono le seguenti:

NRZI - fornisce le stesse capacità del codice AMI, ma utilizza solo due livelli di segnale per questo ed è quindi più adatto per ulteriori miglioramenti. Gli svantaggi di NRZI sono un componente DC con una sequenza di zeri e la mancanza di sincronizzazione durante la trasmissione. Il codice NRZI è diventato la base per lo sviluppo di metodi di codifica più avanzati a livelli più alti.

5. 2.4 Codice MLT3

Codice di trasmissione a tre livelli MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) ha molto in comune con il codice NRZI. La sua differenza più importante sono i tre livelli di segnale.

Uno corrisponde alla transizione da un livello di segnale a un altro. Una variazione del livello del segnale lineare avviene solo se in ingresso viene ricevuta un'unità, tuttavia, a differenza del codice NRZI, l'algoritmo di generazione è scelto in modo tale che due variazioni adiacenti abbiano sempre direzioni opposte.

Riso. 5.10 Potenziale codice MLT-3

Considera casi speciali, come in tutti gli esempi precedenti.

Quando si trasmettono zeri, il segnale ha anche una componente costante, il segnale non cambia - fo = 0 Hz. (Vedi figura 5.10). Quando vengono trasmessi tutti, le transizioni delle informazioni sono fissate al limite di bit e un ciclo di segnale può contenere quattro bit. In questo caso fo=N/4 Hz - frequenza massima del codice MLT-3 durante il trasferimento di tutte le unità (Fig. 5.11, a).

Riso. 5.11 Determinazione delle frequenze fondamentali dello spettro per MLT-3

Nel caso di una sequenza alternata, il codice MLT-3 ha una frequenza massima pari a fo=N/8, che è due volte inferiore al codice NRZI, quindi questo codice ha una larghezza di banda più stretta.

Come hai notato, lo svantaggio del codice MLT-3, come il codice NRZI, è la mancanza di sincronizzazione. Questo problema viene risolto con un'ulteriore trasformazione dei dati che elimina lunghe sequenze di zeri e la possibilità di desincronizzazione. La conclusione generale può essere tratta come segue: l'uso della codifica a tre livelli MLT-3 consente di ridurre la frequenza di clock del segnale di linea e quindi aumentare la velocità di trasmissione.

5. 2.5 Codice del polso bipolare

Oltre ai potenziali codici, i codici di impulso vengono utilizzati anche quando i dati sono rappresentati da un impulso completo o da una sua parte: un fronte.

Il caso più semplice di questo approccio è codice di impulso bipolare, in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra. Ogni impulso dura mezzo ciclo (Fig. 5.12). Codice di impulso bipolare - codice a tre livelli. Consideriamo i segnali risultanti durante la trasmissione dei dati mediante codifica bipolare negli stessi casi speciali.

Riso. 5.12 Codice impulso bipolare

Una caratteristica del codice è che c'è sempre una transizione (positiva o negativa) al centro del bit. Pertanto, ogni bit è etichettato. Il ricevitore può estrarre dal segnale stesso un impulso di sincronismo (strobo) avente una frequenza di ripetizione dell'impulso. L'associazione viene eseguita su ciascun bit, il che garantisce la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore. Tali codici, che portano uno stroboscopio, sono chiamati autosincronizzante. Considera lo spettro dei segnali per ogni caso (Fig. 5.13). Quando si trasmettono tutti zeri o uno, la frequenza dell'armonica fondamentale del codice fo=N Hz, che è il doppio della fondamentale del codice NRZ e quattro volte la fondamentale del codice AMI. Quando si trasmettono uno e zero alternati - fo=N/2

Riso. 5.13 Determinazione delle frequenze principali dello spettro per un codice impulsivo bipolare.

Questo difetto del codice non aumenta la velocità di trasferimento dei dati e indica chiaramente che i codici impulsivi sono più lenti di quelli potenziali.

Ad esempio, un collegamento a 10 Mbps richiede una frequenza portante di 10 MHz. Quando si trasmette una sequenza di zeri e uno alternati, la velocità aumenta, ma non di molto, perché la frequenza dell'armonica fondamentale del codice f®=N/2 Hz.

Il codice a impulsi bipolare ha un grande vantaggio rispetto ai codici precedenti: è autosincronizzante.

Il codice di impulso bipolare ha un ampio spettro di segnali ed è quindi più lento.

Il codice di impulso bipolare utilizza tre livelli.

5. 2.6 Codice di Manchester

Codice Manchesterè stato sviluppato come un codice di impulso bipolare migliorato. Il codice Manchester si riferisce anche ai codici autosincronizzanti, ma a differenza del codice bipolare, non ha tre, ma solo due livelli, il che fornisce una migliore immunità al rumore.

Nel codice di Manchester, una potenziale caduta, cioè la parte anteriore dell'impulso, viene utilizzata per codificare gli uno e gli zeri. Nella codifica Manchester, ogni orologio è diviso in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano nel mezzo di ogni ciclo. Succede così:

Un'unità è codificata da una transizione dal basso all'alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo, può verificarsi un fronte del segnale di servizio se è necessario rappresentare più uno o zero di seguito.

Considera casi speciali di codifica (sequenze di zeri e uno alternati, alcuni zeri, alcuni uno), quindi determineremo le armoniche principali per ciascuna delle sequenze (vedi Fig. 5.14). In tutti i casi, si può vedere che con la codifica Manchester, il cambio di segnale al centro di ciascun bit rende facile isolare il segnale di clock. Pertanto, il codice Manchester ha buone proprietà di sincronizzazione automatica.

Riso. 5.14 Codice di Manchester

L'auto-sincronizzazione consente sempre di trasmettere grandi pacchetti di informazioni senza perdite dovute a differenze nella frequenza di clock del trasmettitore e del ricevitore.

Quindi, determiniamo la frequenza fondamentale quando si trasmettono solo uno o solo zeri.

Riso. 5.15 Determinazione delle principali frequenze dello spettro per il codice di Manchester.

Come si può vedere quando si trasmettono sia zeri che uno, non c'è una componente costante. Frequenza fondamentale fo=nHz, come nella codifica bipolare. A causa di ciò, l'isolamento galvanico dei segnali nelle linee di comunicazione può essere eseguito nei modi più semplici, ad esempio utilizzando trasformatori di impulsi. Quando si trasmettono uno e zero alternati, la frequenza dell'armonica fondamentale è uguale a fo=N/2Hz.

Pertanto, il codice Manchester è un codice bipolare migliorato, migliorato utilizzando solo due livelli di segnale per la trasmissione dei dati, e non tre, come nel bipolare. Ma questo codice è ancora lento rispetto a NRZI che è due volte più veloce.

Considera un esempio. Prendi per la trasmissione dei dati una linea di comunicazione con una larghezza di banda 100MHz e velocità 100Mbps. Se prima determinavamo la velocità dei dati a una data frequenza, ora dobbiamo determinare la frequenza del segnale a una data velocità della linea. Sulla base di ciò, determiniamo che per la trasmissione dei dati tramite il codice NRZI, l'intervallo di frequenza da N / 4-N / 2 è sufficiente per noi: si tratta di frequenze da 25 a 50 MHz, queste frequenze sono incluse nella larghezza di banda della nostra linea - 100Mhz. Per il codice Manchester, abbiamo bisogno di un intervallo di frequenza da N / 2 a N - queste sono frequenze da 50 a 100 MHz, in questo intervallo si trovano le principali armoniche dello spettro del segnale. Per il codice Manchester, non soddisfa la larghezza di banda della nostra linea e, pertanto, la linea trasmetterà tale segnale con grandi distorsioni (tale codice non può essere utilizzato su questa linea).

5.2.7Codice differenziale di Manchester.

Codice differenziale di Manchesterè un tipo di codifica Manchester. Utilizza la metà dell'intervallo di clock del segnale di linea solo per la sincronizzazione e vi è sempre un cambiamento nel livello del segnale. Lo 0 e l'1 logici vengono trasmessi rispettivamente dalla presenza o dall'assenza di un cambiamento di livello del segnale all'inizio dell'intervallo di clock (Fig. 5.16)

Riso. 5.16 Codice differenziale di Manchester

Questo codice ha gli stessi vantaggi e svantaggi di quello di Manchester. Ma, in pratica, viene utilizzato il codice Manchester differenziale.

Pertanto, il codice di Manchester era molto attivo nelle reti locali (quando le linee ad alta velocità erano un grande lusso per una rete locale), a causa della sua auto-sincronizzazione e della mancanza di una componente costante. È ancora ampiamente utilizzato nelle reti in fibra ottica ed elettriche. Di recente, tuttavia, gli sviluppatori sono giunti alla conclusione che è ancora meglio utilizzare la codifica potenziale, eliminando i suoi difetti utilizzando il cosiddetto codifica logica.

5.2.8Potenziale codice 2B1Q

Codice 2B1Q- potenziale codice con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. Il suo nome riflette la sua essenza - ogni due bit (2B) sono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati (1Q).

Pare un po' 00 corrisponde potenziale (-2,5V), un paio di bit 01 corrisponde potenziale (-0,833 V), coppia 11 - potenziale (+0,833 V), e una coppia 10 - potenziale ( +2,5V).

Riso. 5.17 Potenziale codice 2B1Q

Come si può vedere nella Figura 5.17, questo metodo di codifica richiede misure aggiuntive per gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche, poiché questo trasforma il segnale in un componente CC. Pertanto, quando si trasmettono sia zeri che uno fo=0Hz. Quando si alternano uno e zero, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ, poiché a parità di bit rate la durata del ciclo è raddoppiata - fo=N/4Hz.

Pertanto, utilizzando il codice 2B1Q, è possibile trasferire i dati sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto all'utilizzo del codice AMI o NRZI. Tuttavia, per la sua implementazione, la potenza del trasmettitore deve essere maggiore in modo che i quattro livelli di potenziale (-2,5 V, -0,833 V, +0,833 V, +2,5 V) siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.

5. 2.9 Codice PAM5

Tutti gli schemi di codifica dei segnali che abbiamo considerato sopra erano basati su bit. Con la codifica a bit, ogni bit corrisponde a un valore di segnale determinato dalla logica del protocollo.

Con la codifica byte, il livello del segnale è impostato da due o più bit. In un codice a cinque livelli PAM5 Vengono utilizzati 5 livelli di tensione (ampiezze) e codifica a due bit. Ogni combinazione ha il proprio livello di tensione. Con la codifica a due bit, sono necessari quattro livelli per trasmettere le informazioni (due al secondo grado - 00, 01, 10, 11 ). La trasmissione di due bit contemporaneamente fornisce un dimezzamento del tasso di variazione del segnale. Il quinto livello viene aggiunto per creare ridondanza nel codice utilizzato per la correzione degli errori. Ciò fornisce un ulteriore margine di rapporto segnale/rumore.

Riso. 5.18 Codice PAM 5

5. 3. Codifica logica

Codifica logica corre fino a codifica fisica.

Nella fase di codifica logica, la forma d'onda non si forma più, ma vengono eliminate le carenze dei metodi di codifica digitale fisica, come la mancanza di sincronizzazione, la presenza di una componente costante. Pertanto, in primo luogo, vengono formate sequenze corrette di dati binari utilizzando strumenti di codifica logica, che vengono poi trasmesse su linee di comunicazione utilizzando metodi di codifica fisica.

La codifica logica implica la sostituzione di bit delle informazioni originali con una nuova sequenza di bit che trasporta le stesse informazioni, ma ha, in aggiunta, proprietà aggiuntive, ad esempio la capacità del lato ricevente di rilevare errori nei dati ricevuti. L'accompagnamento di ogni byte dell'informazione originale con un bit di parità è un esempio di un metodo di codifica logica molto comunemente usato durante la trasmissione di dati tramite modem.

Separare due metodi di codifica logica:

Codici ridondanti

Rimescolare.

5. 3.1 Codici ridondanti

Codici ridondanti si basano sulla suddivisione della sequenza originale di bit in porzioni, spesso chiamate caratteri. Quindi ogni carattere originale viene sostituito con uno nuovo che ha più bit dell'originale. Un chiaro esempio di codice ridondante è il codice logico 4V/5V.

Codice logico 4V/5V sostituisce i caratteri originali a 4 bit con caratteri a 5 bit. Poiché i simboli risultanti contengono bit ridondanti, il numero totale di combinazioni di bit in essi è maggiore rispetto a quelli originali. Pertanto, lo schema a cinque bit fornisce 32 (2 5) caratteri alfanumerici a due cifre, con un valore in codice decimale da 00 a 31. Mentre i dati originali possono contenere solo quattro bit o 16 (2 4) caratteri.

Pertanto, nel codice risultante, puoi selezionare 16 combinazioni di questo tipo che non contengono un numero elevato di zeri e contare il resto codici proibiti (violazione del codice). In questo caso, le lunghe stringhe di zeri vengono interrotte e il codice diventa auto-sincronizzante per tutti i dati trasmessi. Anche la componente costante scompare, il che significa che lo spettro del segnale si restringe ancora di più. Ma questo metodo riduce la larghezza di banda utile della linea, poiché le unità ridondanti di informazioni dell'utente non trasportano e solo "occupano il tempo di trasmissione". I codici ridondanti consentono al ricevitore di riconoscere i bit corrotti. Se il ricevitore riceve un codice proibito, significa che il segnale è stato distorto sulla linea.

Quindi diamo un'occhiata al lavoro. codice logico 4V/5V. Il segnale convertito ha 16 valori per il trasferimento delle informazioni e 16 valori ridondanti. Nel decodificatore del ricevitore, cinque bit vengono decodificati come informazioni e segnali di servizio.

Nove simboli sono assegnati per i segnali di servizio, sette simboli sono esclusi.

Sono escluse le combinazioni con più di tre zeri (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Tali segnali sono interpretati dal simbolo v e la squadra ricevente VIOLAZIONE- fallimento. Il comando indica un errore dovuto ad elevata interferenza o guasto del trasmettitore. L'unica combinazione di cinque zeri (00 - 00000 ) si riferisce ai segnali di servizio, indica il simbolo Q e ha lo stato TRANQUILLO- nessun segnale sulla linea.

Tale codifica dei dati risolve due problemi: la sincronizzazione e il miglioramento dell'immunità al rumore. La sincronizzazione si verifica a causa dell'eliminazione di una sequenza di più di tre zeri e un'elevata immunità al rumore viene raggiunta dal ricevitore di dati in un intervallo di cinque bit.

Il prezzo di questi vantaggi con questo metodo di codifica dei dati è una diminuzione della velocità di trasmissione. informazioni utili. Ad esempio, come risultato dell'aggiunta di un bit ridondante a quattro bit di informazioni, l'efficienza della larghezza di banda nei protocolli con codice MLT-3 e la codifica dei dati 4B/5B diminuisce rispettivamente del 25%.

Schema di codifica 4V/5V presentato nella tabella.

Codice binario 4B	Codice risultato 5V

Quindi, secondo questa tabella, si forma il codice 4V/5V, quindi trasmesso sulla linea utilizzando la codifica fisica utilizzando uno dei potenziali metodi di codifica che è sensibile solo a lunghe sequenze di zeri, ad esempio utilizzando il codice digitale NRZI.

I simboli del codice 4V/5V, lunghi 5 bit, garantiscono che sulla riga non possano comparire più di tre zeri consecutivi per qualsiasi combinazione di essi.

Lettera IN nel nome in codice significa che il segnale elementare ha 2 stati - dall'inglese binario- binario. Esistono anche codici con tre stati di segnale, ad esempio nel codice 8V/6T per codificare 8 bit dell'informazione originale, viene utilizzato un codice di 6 segnali, ognuno dei quali ha tre stati. Ridondanza del codice 8V/6T superiore al codice 4V/5V, poiché ci sono 3 6 = 729 simboli risultanti per 256 codici sorgente.

Come abbiamo detto, la codifica logica avviene prima di quella fisica, pertanto viene eseguita dall'apparecchiatura a livello di collegamento di rete: adattatori di rete e blocchi di interfaccia di switch e router. Poiché, come hai visto tu stesso, l'uso di una tabella di ricerca è un'operazione molto semplice, quindi il metodo di codifica logica con codici ridondanti non complica i requisiti funzionali di questa apparecchiatura.

L'unico requisito è che il trasmettitore che utilizza il codice ridondante deve funzionare a una frequenza di clock superiore per fornire una data capacità di linea. Sì, per inviare codici 4V/5V con velocità 100 MB/sec il trasmettitore deve funzionare a una frequenza di clock 125MHz. In questo caso lo spettro del segnale sulla linea viene ampliato rispetto al caso in cui sulla linea viene trasmesso un codice puro e non ridondante. Tuttavia, lo spettro del codice potenziale ridondante è più ristretto dello spettro del codice Manchester, il che giustifica la fase aggiuntiva della codifica logica, nonché il funzionamento del ricevitore e del trasmettitore a una frequenza di clock maggiore.

Pertanto, si può trarre la seguente conclusione:

Principalmente per reti locali più semplice, più affidabile, migliore, più veloce: utilizzare la codifica logica dei dati utilizzando codici ridondanti, che elimineranno lunghe sequenze di zeri e garantiranno la sincronizzazione del segnale, quindi utilizzare un codice digitale veloce per la trasmissione a livello fisico NRZI, piuttosto che utilizzare un lento ma auto-sincronizzazione Codice Manchester.

Ad esempio, per trasmettere dati su una linea con una larghezza di banda di 100M bit / se una larghezza di banda di 100 MHz, il codice NRZI richiede frequenze di 25 - 50 MHz, questo è senza codifica 4V / 5V. E se applicato a NRZI anche la codifica 4V/5V, ora la banda di frequenza si espanderà da 31,25 a 62,5 MHz. Tuttavia, questa gamma "si adatta" ancora alla larghezza di banda della linea. E per il codice Manchester, senza l'utilizzo di alcuna codifica aggiuntiva, sono necessarie frequenze da 50 a 100 MHz, e queste sono le frequenze del segnale principale, ma non passeranno più dalla linea dei 100 MHz.

5. 3.2 Rimescolamento

Un altro metodo di codifica logica si basa sulla "miscelazione" preliminare delle informazioni originali in modo tale che la probabilità di occorrenza di uno e zero sulla linea si avvicini.

Vengono chiamati dispositivi o blocchi che eseguono questa operazione scrambler (scramble - dump, assemblaggio casuale).

A scrambling i dati vengono mescolati secondo un certo algoritmo e il ricevitore, dopo aver ricevuto i dati binari, li trasmette a descrambler, che ripristina la sequenza di bit originale.

I bit in eccesso non vengono trasmessi sulla linea.

L'essenza dello scrambling è semplicemente un cambiamento bit per bit nel flusso di dati che passa attraverso il sistema. Quasi l'unica operazione utilizzata negli scrambler è XOR - "XOR bit per bit", oppure dicono - aggiunta di modulo 2. Quando due unità vengono aggiunte tramite OR esclusivo, l'unità più alta viene scartata e il risultato viene scritto - 0.

Il metodo di scrambling è molto semplice. Prima trova uno scrambler. In altre parole, escogitano quale rapporto mescolare i bit nella sequenza originale usando "OR esclusivo". Quindi, in base a questo rapporto, i valori di determinati bit vengono selezionati dalla sequenza di bit corrente e sommati in base a XOR tra di loro. In questo caso, tutti i bit vengono spostati di 1 bit e il valore appena ricevuto ("0" o "1") viene posto nel bit meno significativo liberato. Il valore che si trovava nel bit più significativo prima dello spostamento viene aggiunto alla sequenza di codifica, diventando il bit successivo. Quindi questa sequenza viene emessa sulla linea, dove, utilizzando metodi di codifica fisica, viene trasmessa al nodo destinatario, all'ingresso del quale questa sequenza viene decodificata in base al rapporto inverso.

Ad esempio, uno scrambler potrebbe implementare la seguente relazione:

Dove Bi- cifra binaria del codice risultante ottenuto sull'i-esimo ciclo dello scrambler, AI- cifra binaria del codice sorgente, che arriva all'i-esimo ciclo all'ingresso dello scrambler, B io-3 e B io-5- cifre binarie del codice risultante ottenuto nei cicli precedenti dello scrambler, rispettivamente, 3 e 5 cicli prima del ciclo corrente,  - operazione XOR (addizione modulo 2).

Ora definiamo la sequenza codificata, ad esempio, per tale sequenza sorgente 110110000001 .

Lo scrambler definito sopra produrrà il seguente codice risultato:

B 1 \u003d A 1 \u003d 1 (le prime tre cifre del codice risultante saranno le stesse di quella originale, poiché non sono ancora necessarie cifre precedenti)

Pertanto, l'output dello scrambler sarà la sequenza 110001101111 . In cui non esiste una sequenza di sei zeri che era presente nel codice sorgente.

Dopo aver ricevuto la sequenza risultante, il ricevitore la passa al descrambler, che ricostruisce la sequenza originale in base alla relazione inversa.

Esistono altri diversi algoritmi di scrambling, differiscono per il numero di termini che danno la cifra del codice risultante e lo spostamento tra i termini.

Il problema principale della codifica basata scrambler - sincronizzazione dei dispositivi di trasmissione (codifica) e ricezione (decodifica).. Se almeno un bit viene omesso o inserito erroneamente, tutte le informazioni trasmesse vengono irreversibilmente perse. Pertanto, nei sistemi di codifica basati su scrambler, viene prestata molta attenzione ai metodi di sincronizzazione. .

In pratica, una combinazione di due metodi viene solitamente utilizzata per questi scopi:

a) aggiunta di bit di sincronizzazione al flusso di informazioni, che sono noti in anticipo al lato ricevente, che gli consente, se tale bit non viene trovato, di avviare attivamente la ricerca della sincronizzazione con il mittente,

b) l'utilizzo di generatori di impulsi temporali ad alta precisione, che consentono di decodificare i bit di informazione ricevuti "dalla memoria" senza sincronizzazione nei momenti di perdita di sincronizzazione.

Esistono anche metodi più semplici per gestire sequenze di uno, anch'esse classificate come scrambling.

Per migliorare il codice IMA bipolare vengono utilizzati due metodi, basati sulla distorsione artificiale della sequenza di zeri da parte di simboli proibiti.

Riso. 5.19 Codici B8ZS e HDB3

Questa figura mostra l'uso del metodo B8ZS (bipolare con sostituzione di 8 zeri) e metodo HDB3 (bipolare ad alta densità 3 zeri) per correggere il codice AMI. Il codice sorgente è costituito da due lunghe sequenze di zeri (8- nel primo caso e 5 nel secondo).

Codice B8ZS corregge solo le sequenze composte da 8 zeri. Per fare ciò, dopo i primi tre zeri, invece dei restanti cinque zeri, inserisce cinque cifre: V-1*-0-V-1*.v qui denota un segnale di un'unità proibita per un dato ciclo di polarità, cioè un segnale che non cambia la polarità dell'unità precedente, 1 * - un segnale dell'unità di polarità corretta, e il segno dell'asterisco segna il fatto che nel codice sorgente in questo ciclo non c'era un'unità, ma uno zero. Di conseguenza, il ricevitore rileva 2 distorsioni in 8 cicli di clock: è molto improbabile che ciò sia accaduto a causa del rumore sulla linea o di altri guasti di trasmissione. Pertanto, il ricevente considera tali violazioni come codifica di 8 zeri consecutivi e, alla ricezione, le sostituisce con gli 8 zeri originari.

Il codice B8ZS è costruito in modo tale che la sua componente costante sia zero per qualsiasi sequenza di cifre binarie.

Codice HDB3 corregge eventuali 4 zeri consecutivi nella sequenza originale. Le regole per la generazione del codice HDB3 sono più complesse del codice B8ZS. Ogni quattro zeri vengono sostituiti da quattro segnali che hanno un segnale V. Per sopprimere la componente CC, la polarità del segnale v si alterna con sostituzioni successive.

Inoltre, per la sostituzione vengono utilizzati due modelli di codici a quattro cicli. Se il codice sorgente conteneva un numero dispari di unità prima della sostituzione, viene utilizzata la sequenza 000 V, e se il numero di unità era pari, la sequenza 1*00V.

Pertanto, l'uso della codifica logica insieme alla codifica potenziale offre i seguenti vantaggi:

I codici candidati avanzati hanno una larghezza di banda abbastanza ristretta per qualsiasi sequenza di 1 e 0 che si verifica nei dati trasmessi. Di conseguenza, i codici derivati ​​dal potenziale mediante codifica logica hanno uno spettro più ristretto rispetto a Manchester, anche a una frequenza di clock maggiore.