Metodi di trasferimento a livello fisico. Metodi per la trasmissione di dati discreti a livello fisico. Fondamenti teorici della trasmissione dei dati

Quando si trasmettono dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basati su segnale portante sinusoidale e basato su una sequenza di impulsi rettangolari. Il primo metodo è spesso chiamato anche modulazione o modulazione analogica, sottolineando il fatto che la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico. Il secondo metodo è solitamente chiamato codifica digitale. Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità dell'apparecchiatura richiesta per la loro implementazione.
Modulazione analogica utilizzato per la trasmissione di dati discreti su canali a banda stretta, caratterizzati dal canale fonia-frequenza messo a disposizione degli utenti di pubblici reti telefoniche. Una tipica risposta in frequenza di un canale a frequenza vocale è mostrata in fig. 2.12. Questo canale trasmette frequenze nell'intervallo da 300 a 3400 Hz, quindi la sua larghezza di banda è di 3100 Hz. Un dispositivo che svolge le funzioni di modulazione di una sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodulazione sul lato ricevente è chiamato modem (modulatore - demodulatore).
Metodi di modulazione analogica
La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale portante sinusoidale.
Il diagramma (Fig. 2.13, a) mostra la sequenza di bit dell'informazione iniziale, rappresentata da potenziali di alto livello per un'unità logica e il potenziale livello zero per lo zero logico. Questo metodo di codifica è chiamato codice potenziale, che viene spesso utilizzato durante il trasferimento di dati tra blocchi di computer.
Con la modulazione di ampiezza (Fig. 2.13, b), per un'unità logica, viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante e per uno zero logico, un altro. 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.
Con la modulazione di frequenza (Fig. 2.13, c), i valori 0 e 1 dei dati iniziali vengono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse - f0 e f1. Questo metodo di modulazione non richiede circuiti complessi nei modem ed è tipicamente utilizzato nei modem a bassa velocità che operano a 300 o 1200 bps.
Nella modulazione di fase, i valori dei dati di 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza ma con fasi diverse, 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.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi:
· aveva a parità di bit rate la più piccola ampiezza dello spettro del segnale risultante;
Sincronizzazione fornita tra trasmettitore e ricevitore;
aveva la capacità di riconoscere gli errori;
Ha un basso costo di implementazione.
Uno spettro di segnali più ristretto consente sulla stessa linea (con lo stesso larghezza di banda) raggiungono velocità di trasferimento dati più elevate. Inoltre lo spettro del segnale richiede spesso l'assenza di una componente costante, cioè la presenza di una corrente continua tra trasmettitore e ricevitore. In particolare, l'utilizzo di vari circuiti di isolamento galvanico del trasformatore impedisce il passaggio di corrente continua.
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.
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 riconoscimento degli errori a livello fisico fa risparmiare tempo, poiché il ricevitore non attende che il frame sia completamente bufferizzato, ma lo rifiuta immediatamente quando vengono riconosciuti 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.

Quando si trasmettono dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basati su un segnale portante sinusoidale e basati su una sequenza di impulsi rettangolari. Il primo metodo è spesso chiamato anche modulazione O modulazione analogica, sottolineando il fatto che la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico. Il secondo modo è solitamente chiamato codifica digitale. Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità dell'apparecchiatura richiesta per la loro implementazione.

Quando si utilizzano impulsi rettangolari, lo spettro del segnale risultante è molto ampio. Ciò non sorprende se ricordiamo che lo spettro di una quantità di moto ideale ha un'ampiezza infinita. L'uso di una sinusoide si traduce in uno spettro molto più piccolo alla stessa velocità di informazione. Tuttavia, l'implementazione della modulazione sinusoidale richiede apparecchiature più complesse e costose rispetto all'implementazione di impulsi rettangolari.

Attualmente, sempre più spesso, i dati che inizialmente hanno una forma analogica - discorso, immagine televisiva - vengono trasmessi sui canali di comunicazione in forma discreta, cioè sotto forma di una sequenza di uno e zero. Viene chiamato il processo di rappresentazione delle informazioni analogiche in forma discreta modulazione discreta. I termini "modulazione" e "codifica" sono spesso usati in modo intercambiabile.

2.2.1. Modulazione analogica

La modulazione analogica viene utilizzata per trasmettere dati discreti su canali a larghezza di banda ridotta, caratterizzati da canale di frequenza di tono, messi a disposizione degli utenti delle reti telefoniche pubbliche. Una tipica risposta in frequenza di un canale a frequenza vocale è mostrata in fig. 2.12. Questo canale trasmette frequenze nell'intervallo da 300 a 3400 Hz, quindi la sua larghezza di banda è di 3100 Hz. Sebbene la voce umana abbia uno spettro molto più ampio - da circa 100 Hz a 10 kHz - per una qualità vocale accettabile, la gamma di 3100 Hz è buona decisione. 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.

2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico 133

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).

Metodi di modulazione analogica

La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale portante sinusoidale. I principali metodi di modulazione analogica sono mostrati in fig. 2.13. Sul diagramma (Fig. 2.13, UN) viene mostrata una sequenza di bit dell'informazione originale, rappresentata da potenziali di alto livello per uno logico e da un potenziale di livello zero per uno zero logico. Questo metodo di codifica è chiamato codice potenziale, che viene spesso utilizzato durante il trasferimento di dati tra blocchi di computer.

A modulazione d'ampiezza(Fig. 2.13, 6) per uno logico, viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante e per uno zero logico, un altro. 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.

A modulazione di frequenza(Fig. 2.13, c) i valori 0 e 1 dei dati iniziali sono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse - fo e fi. Questo metodo di modulazione non richiede circuiti complessi nei modem ed è tipicamente utilizzato nei modem a bassa velocità che operano a 300 o 1200 bps.

A modulazione di fase(Fig. 2.13, d) i valori dei dati 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza, ma con una fase diversa, ad esempio 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.

Capitolo 2. Fondamenti di comunicazione di dati discreti

Spettro del segnale modulato

Lo spettro del segnale modulato risultante dipende dal tipo di modulazione e dal tasso di modulazione, cioè dal bit rate desiderato dell'informazione originale.

Consideriamo dapprima lo spettro del segnale con potenziale codifica. Lascia che un'unità logica sia codificata da un potenziale positivo e uno zero logico da un potenziale negativo della stessa grandezza. Per semplificare i calcoli, assumiamo che le informazioni vengano trasmesse costituite da una sequenza infinita di uno e zero alternati, come mostrato in Fig. 2.13, UN. Nota che dentro questo caso baud e bit al secondo sono gli stessi.

Per la potenziale codifica, lo spettro è ottenuto direttamente dalle formule di Fourier per la funzione periodica. Se i dati discreti vengono trasmessi a un bit rate N bit/s, allora lo spettro è costituito da una componente costante di frequenza zero e da una serie infinita di armoniche con frequenze fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., dove fo = N/ 2. Le ampiezze di queste armoniche diminuiscono piuttosto lentamente - con coefficienti 1/3, 1/5,1/7,... dell'ampiezza armonica fo (Fig. 2.14, UN). Di conseguenza, il potenziale spettro del codice richiede un'ampia larghezza di banda per una trasmissione di alta qualità. Inoltre, bisogna tenere conto del fatto che in realtà lo spettro del segnale cambia costantemente a seconda di quali dati vengono trasmessi sulla linea di comunicazione. Ad esempio, la trasmissione di una lunga sequenza di zeri o uno sposta lo spettro verso basse frequenze, e nel caso estremo, quando i dati trasmessi sono costituiti da soli uno (o solo zeri), lo spettro è costituito dall'armonica a frequenza zero. Quando si trasmettono uno e zero alternati, non c'è componente CC. Pertanto, lo spettro del segnale di codice potenziale risultante durante la trasmissione di dati arbitrari occupa una banda da un valore vicino a 0 Hz a circa 7fo (le armoniche con frequenze superiori a 7fo possono essere trascurate a causa del loro piccolo contributo al segnale risultante). Per un canale a frequenza vocale, il limite superiore per la codifica potenziale viene raggiunto per una velocità dati di 971 bps e il limite inferiore è inaccettabile per qualsiasi velocità, poiché la larghezza di banda del canale inizia a 300 Hz. Di conseguenza, i potenziali codici sui canali di frequenza vocale non vengono mai utilizzati.

2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico 135

Con la modulazione di ampiezza, lo spettro è costituito da una sinusoide della frequenza portante f c e da due armoniche laterali: (f c + f m) e (f c - f m), dove f m è la frequenza di variazione del parametro informativo della sinusoide, che coincide con la velocità dei dati quando si utilizzano due livelli di ampiezza (Fig. 2.14, 6). La frequenza f m determina la capacità della linea a questo metodo codifica. Con una piccola frequenza di modulazione, anche l'ampiezza dello spettro del segnale sarà piccola (pari a 2f m), quindi i segnali non saranno distorti dalla linea se la sua larghezza di banda è maggiore o uguale a 2f m . Per un canale di frequenza vocale, questo metodo di modulazione è accettabile a una velocità dati non superiore a 3100/2=1550 bps. Se vengono utilizzati 4 livelli di ampiezza per rappresentare i dati, la capacità del canale aumenta a 3100 bps.

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, queste modulazioni sono adatte anche per la trasmissione di dati su un canale a frequenza vocale.

I metodi di modulazione combinati vengono utilizzati per aumentare la velocità dei dati. I metodi più comuni sono modulazione di ampiezza in quadratura (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). 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. Ad esempio, nei codici Traliccio sono consentite solo 6, 7 o 8 combinazioni per rappresentare i dati originali e le combinazioni rimanenti 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.

2.2.2. Codifica digitale

Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati codici potenziali e di impulso.

Nei codici potenziali, 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. I codici a impulsi consentono di rappresentare i dati binari da impulsi di una certa polarità o da una parte dell'impulso, da una potenziale caduta di una certa direzione.

Requisiti per i metodi di codifica digitale

Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi:

Aveva alla stessa velocità in bit la larghezza più piccola dello spettro del segnale risultante;

Sincronizzazione fornita tra trasmettitore e ricevitore;

Aveva la capacità di riconoscere gli errori;

Ha un basso costo di implementazione.

136 Capitolo 2 Nozioni di base sul trasferimento di dati discreti

Uno spettro di segnali più ristretto consente di ottenere una maggiore velocità di trasferimento dati sulla stessa linea (con la stessa larghezza di banda). Inoltre lo spettro del segnale richiede spesso l'assenza di una componente costante, cioè la presenza di una corrente continua tra trasmettitore e ricevitore. In particolare, l'uso di vari circuiti del trasformatore isolamento galvanico impedisce il flusso di corrente continua.

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 che nello scambio di dati tra dispositivi ravvicinati, ad esempio tra unità all'interno di un computer o tra un computer e una stampante. SU brevi distanze un circuito basato su una linea di comunicazione di clock separata (Fig. 2.15) funziona bene, in modo che le informazioni vengano rimosse dalla linea dati solo nel momento in cui arriva l'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 bordo tagliente nel segnale - il cosiddetto fronte - può essere una 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 riconoscimento degli errori a livello fisico fa risparmiare tempo, poiché il ricevitore non attende che il frame sia completamente bufferizzato, ma lo rifiuta immediatamente quando vengono riconosciuti 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.

______________________________2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico _______137

Codice potenziale senza ritorno a zero

Sulla fig. 2.16, e mostra il metodo di potenziale codifica precedentemente menzionato, chiamato anche codifica senza tornare a zero (Non Return to Zero, NRZ). Il cognome riflette il fatto che quando si trasmette una sequenza di uno, 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). Il metodo NRZ è facile da implementare, ha un buon riconoscimento 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 di zero, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non è in grado di determinare dal segnale di ingresso gli orari in cui è necessario rileggere 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 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.

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, molti canali di comunicazione non forniscono

138 Capitolo 2 Nozioni di base sulla comunicazione discreta

quelli con collegamento galvanico diretto tra ricevitore e sorgente non supportano questo tipo di codifica. 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 sia la scarsa autosincronizzazione del codice NRZ sia la presenza di un componente costante. L'attrattiva del codice NRZ, che vale la pena migliorarlo, è la frequenza fondamentale piuttosto bassa fo, che è pari a N/2 Hz, come mostrato nella sezione precedente. Altri metodi di codifica, come Manchester, hanno una frequenza fondamentale più alta.

Metodo di codifica bipolare con inversione alternativa

Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica bipolare con inversione alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). In questo metodo (Fig. 2.16, 6) vengono utilizzati tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e un'unità logica è codificata da un potenziale positivo o negativo, mentre 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. Pertanto, il codice AMI necessita di ulteriori miglioramenti, sebbene il compito sia semplificato: rimangono solo le sequenze di zeri da gestire.

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 una maggiore larghezza di banda linee. Ad esempio, quando si trasmettono uno e uno zero alternati, l'armonica fondamentale fo 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).

Il codice AMI utilizza non due, ma tre livelli di segnale per linea. Il livello 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 con più stati di segnale rispetto ai codici che distinguono solo tra due stati.

Codice potenziale con inversione all'unità

Esiste un codice simile all'AMI, ma con 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 all'unità

2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico 139

(Non ritorno a zero con quelli invertiti, NRZI). Questo codice è utile nei casi in cui l'uso di un terzo livello di segnale è altamente indesiderabile, ad esempio nei cavi ottici, dove vengono riconosciuti in modo affidabile due stati di segnale: chiaro e scuro. Vengono utilizzati due metodi per migliorare potenziali codici come AMI e NRZI. Il primo metodo si basa sull'aggiunta fonte bit ridondanti contenenti unità logiche. Ovviamente in questo caso si interrompono lunghe sequenze di zeri e il codice diventa autosincronizzante per ogni dato trasmesso. 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 non vengono trasportate unità ridondanti di informazioni utente. Un altro metodo si basa sulla "miscelazione" preliminare delle informazioni iniziali in modo tale che la probabilità della comparsa di uno e zero sulla linea si avvicini. Vengono chiamati dispositivi o blocchi che eseguono questa operazione scrambler(scramble - dump, assemblea disordinata). Durante lo scrambling, viene utilizzato un algoritmo noto, 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. Entrambi i metodi si riferiscono alla codifica logica piuttosto che fisica, poiché non determinano la forma dei segnali sulla linea. Sono studiati in modo più dettagliato nella sezione successiva.

Codice di impulso bipolare

Oltre ai potenziali codici, le reti utilizzano anche codici a impulsi, 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 impulsi bipolare, in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra (Fig. 2.16, V). Ogni impulso dura mezzo ciclo. Tale codice ha eccellenti proprietà di self-clocking, ma può essere presente un componente 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.

Codice Manchester

Nelle reti locali, fino a poco tempo fa, il metodo di codifica più comune era il cosiddetto Codice Manchester(Fig. 2.16, d). Viene utilizzato nelle tecnologie Ethernet e Token Ring.

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 è buono

140 Capitolo 2 Nozioni di base sulla comunicazione discreta _____________________________________________

proprietà autosincronizzanti. 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. Il codice Manchester ha un altro vantaggio rispetto al codice a impulsi bipolari. Quest'ultimo utilizza tre livelli di segnale per la trasmissione dei dati, mentre Manchester ne utilizza due.

Potenziale codice 2B1Q

Sulla fig. 2.16 D mostra un potenziale codice con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. Questo è il codice 2B1Q il cui nome riflette la sua essenza: ogni due bit (2B) vengono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati (1Q). Il bit 00 è -2,5 V, il bit 01 è -0,833 V, AND è +0,833 V e 10 è +2,5 V. sequenze di coppie identiche di bit, poiché in questo caso il segnale viene convertito in una componente costante. Con l'interleaving casuale dei bit, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ, poiché a parità di bit rate la durata del clock è raddoppiata. 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 siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.

2.2.3. Codifica logica

La codifica logica viene utilizzata per migliorare potenziali codici di tipo AMI, NRZI o 2Q1B. La codifica logica dovrebbe sostituire lunghe sequenze di bit che portano a un potenziale costante con altri intervallati. Come notato sopra, due metodi sono caratteristici della codifica logica: codici ridondanti e scrambling.

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. Ad esempio, il codice logico 4V/5V utilizzato in Tecnologie FDDI e Fast Ethernet, 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 eliminare la componente DC e conferire al codice la proprietà di auto-sincronizzazione, i codici ridondanti consentono

2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico 141

ricevitore per riconoscere i bit confusi. Se il ricevitore riceve un codice proibito, significa che il segnale è stato distorto sulla linea.

La corrispondenza dei codici sorgente e risultanti 4V/5V è presentata di seguito.

Il codice 4B/5B viene quindi 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 - dall'inglese binario - 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 3 6 =729 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.

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 Mb / s, 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.

Rimescolare

Mescolare i dati con uno scrambler prima di metterli in linea con un codice candido è un altro modo di codifica logica.

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 ricevuti nei cicli precedenti. Ad esempio, uno scrambler potrebbe implementare la seguente relazione:

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

dove bi è la cifra binaria del codice risultante ricevuto all'i-esimo ciclo dello scrambler, ai è la cifra binaria del codice sorgente ricevuto all'i-esimo ciclo dello scrambler

142 Capitolo 2 Nozioni di base sul trasferimento di dati discreti

ingresso scrambler, В^з e B t .5 - cifre binarie del codice risultante ottenuto nei cicli precedenti dello scrambler, rispettivamente, 3 e 5 cicli prima del ciclo corrente, 0 - Operazione XOR (addizione modulo 2).

Ad esempio, per la sequenza sorgente 110110000001, lo scrambler fornirà il seguente codice risultato:

bi = ai - 1 (le prime tre cifre del codice risultante saranno le stesse di quella originale, poiché non ci sono ancora cifre precedenti necessarie)

Pertanto, l'output dello scrambler sarà la sequenza 110001101111, che non contiene la 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:

Vari algoritmi di rimescolamento differiscono per il numero di termini che danno la cifra del codice risultante e lo spostamento tra i termini. Pertanto, nelle reti ISDN, quando si trasferiscono dati da una rete a un abbonato, viene utilizzata una trasformazione con turni di 5 e 23 posizioni e quando si trasferiscono dati da un abbonato a una rete, con turni di 18 e 23 posizioni.

Ci sono più metodi semplici lotta contro sequenze di unità, riferite anche alla classe dello scrambling.

Per migliorare il codice Bipolar AMI, vengono utilizzati due metodi basati sulla distorsione artificiale della sequenza di zeri da parte di caratteri proibiti.

Sulla fig. La Figura 2.17 mostra l'uso del metodo B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) e del metodo HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) per correggere il codice AMI. Il codice sorgente è costituito da due lunghe sequenze di zeri: nel primo caso - da 8 e nel secondo - da 5.

Il 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 uno, proibito per un dato ciclo di polarità, cioè un segnale che non cambia la polarità del precedente, 1* è un segnale di un'unità di polarità corretta, e un asterisco indica che

2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico 143

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.

Il codice HDB3 corregge quattro 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 viene invertita in successive modifiche. Inoltre, per la sostituzione vengono utilizzati due modelli di codici a quattro cicli. Se il codice originale conteneva un numero dispari di 1 prima della sostituzione, viene utilizzata la sequenza OOOV e se il numero di 1 era pari, viene utilizzata la sequenza 1*OOV.

I codici candidati avanzati hanno una larghezza di banda abbastanza ristretta per qualsiasi sequenza di 1 e 0 che si verifica nei dati trasmessi. Sulla fig. 2.18 mostra gli spettri di segnali di codici diversi ottenuti trasmettendo dati arbitrari, in cui sono ugualmente probabili varie combinazioni di zeri e uno nel codice sorgente. Durante la costruzione dei grafici, lo spettro è stato mediato su tutti i possibili insiemi di sequenze iniziali. Naturalmente, i codici risultanti possono avere una diversa distribuzione di zeri e uno. Dalla fig. 2.18 mostra che il potenziale codice NRZ ha un buon spettro con uno svantaggio: ha una componente costante. I codici ottenuti dal potenziale mediante codifica logica hanno uno spettro più ristretto di quello di Manchester, anche a frequenza di clock maggiore (nella figura lo spettro del codice 4V/5V dovrebbe approssimativamente coincidere con il codice B8ZS, ma è spostato

144 Glovo2 Fondamenti di trasmissione dati discreta

alla regione delle frequenze più alte, poiché la sua frequenza di clock è aumentata di 1/4 rispetto ad altri codici). Questo spiega l'uso di potenziali codici ridondanti e criptati nelle moderne tecnologie come FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN, ecc. invece di Manchester e codifica a impulsi bipolari.

2.2.4. Modulazione discreta di segnali analogici

Una delle principali tendenze nello sviluppo delle tecnologie di rete è la trasmissione di dati sia discreti che analogici nella stessa rete. Le origini dati discrete sono computer e altri dispositivi informatici, mentre le origini dati analogiche sono dispositivi come telefoni, videocamere, apparecchiature audio e video. Nelle prime fasi della soluzione di questo problema nelle reti territoriali, tutti i tipi di dati venivano trasmessi in forma analogica, mentre i dati informatici, di natura discreta, venivano convertiti in forma analogica mediante modem.

Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia di ricezione e trasmissione di dati analogici, è diventato chiaro che la loro trasmissione in forma analogica non migliora la qualità dei dati ricevuti all'altro capo della linea se sono notevolmente distorti durante la trasmissione. Il segnale analogico stesso non fornisce alcuna indicazione né sull'avvenuta distorsione né su come correggerla, poiché la forma d'onda può essere qualsiasi cosa, inclusa quella registrata dal ricevitore. Migliorare la qualità delle linee, soprattutto quelle territoriali, richiede sforzi e investimenti ingenti. Pertanto, la tecnologia analogica per la registrazione e la trasmissione di suoni e immagini è stata sostituita dalla tecnologia digitale. Questa tecnica utilizza la cosiddetta modulazione discreta dei processi analogici continui nel tempo originali.

I metodi di modulazione discreta si basano sulla discretizzazione dei processi continui sia in ampiezza che nel tempo (Fig. 2.19). Considera i principi della modulazione della scintilla usando l'esempio modulazione del codice di impulso, PCM (Pulse Amplitude Modulation, PAM), ampiamente utilizzato nella telefonia digitale.

L'ampiezza della funzione continua originale viene misurata con un dato periodo - a causa di ciò, si verifica la discretizzazione del tempo. Quindi ogni misura è rappresentata come un numero binario di una certa capacità, il che significa discretizzazione per valori di funzione: un insieme continuo di possibili valori di ampiezza viene sostituito da un insieme discreto dei suoi valori. Viene chiamato un dispositivo che esegue questa funzione convertitore analogico-digitale (ADC). Successivamente, le misurazioni vengono trasmesse sui canali di comunicazione sotto forma di una sequenza di uno e zero. In questo caso, vengono utilizzati gli stessi metodi di codifica come nel caso di trasmissione di informazioni inizialmente discrete, ovvero, ad esempio, metodi basati sul codice B8ZS o 2B1Q.

Sul lato ricevente della linea, i codici vengono convertiti nella sequenza di bit originale e viene chiamata un'apparecchiatura speciale convertitore digitale-analogico (DAC), esegue la demodulazione delle ampiezze digitalizzate di un segnale continuo, ripristinando l'originaria funzione continua del tempo.

La modulazione discreta si basa su teoria della mappatura di Nyquist-Kotelnikov. Secondo questa teoria, analogico funzione continua, trasmessa come sequenza dei suoi valori discreti nel tempo, può essere accuratamente ricostruita se la frequenza di campionamento fosse due o più volte superiore alla frequenza dell'armonica più alta dello spettro funzione originaria.

Se questa condizione non è soddisfatta, la funzione ripristinata differirà in modo significativo da quella originale.

Il vantaggio dei metodi digitali per la registrazione, la riproduzione e la trasmissione di informazioni analogiche è la capacità di controllare l'affidabilità dei dati letti da un vettore o ricevuti tramite una linea di comunicazione. Per fare ciò, è possibile applicare gli stessi metodi utilizzati per i dati informatici (e discussi più dettagliatamente di seguito): il calcolo del checksum, la ritrasmissione di frame danneggiati, l'uso di codici di autocorrezione.

Per la trasmissione vocale di alta qualità nel metodo PCM, viene utilizzata una frequenza di quantizzazione dell'ampiezza delle vibrazioni sonore di 8000 Hz. Ciò è dovuto al fatto che nella telefonia analogica è stata scelta la gamma da 300 a 3400 Hz per la trasmissione della voce, che trasmette con sufficiente qualità tutte le principali armoniche degli interlocutori. Secondo il teorema di Nyquist-Koteltkov per una trasmissione vocale di qualità

146 Capitolo 2 Nozioni di base sulla comunicazione discreta

è sufficiente selezionare una frequenza di campionamento che sia il doppio dell'armonica più alta del segnale continuo, cioè 2 x 3400 = 6800 Hz. La frequenza di campionamento di 8000 Hz effettivamente scelta fornisce un certo margine di qualità. Il metodo PCM utilizza in genere 7 o 8 bit di codice per rappresentare l'ampiezza di un singolo campione. Di conseguenza, ciò fornisce 127 o 256 gradazioni del segnale audio, che è abbastanza sufficiente per una trasmissione vocale di alta qualità. Quando si utilizza il metodo PCM, è necessaria una larghezza di banda di 56 o 64 Kbps per trasmettere un canale vocale, a seconda di quanti bit è rappresentato ciascun campione. Se utilizzato per questo scopo

7 bit, quindi con una frequenza di trasmissione della misura di 8000 Hz si ottiene:

8000 x 7 = 56000 bps o 56 kbps; e per il caso di 8 bit:

8000 x 8 - 64000 bps o 64 Kbps.

Lo standard è un canale digitale a 64 kbps, chiamato anche canale elementare delle reti telefoniche digitali.

La trasmissione di un segnale continuo in forma discreta richiede che le reti rispettino rigorosamente un intervallo di tempo di 125 μs (corrispondente a una frequenza di campionamento di 8000 Hz) tra misurazioni adiacenti, ovvero richiede la trasmissione sincrona dei dati tra i nodi della rete. Se il sincronismo delle misurazioni in entrata non viene rispettato, il segnale originale non viene ripristinato correttamente, il che porta alla distorsione della voce, dell'immagine o di altre informazioni multimediali trasmesse sulle reti digitali. Ad esempio, una distorsione temporale di 10 ms può portare a un effetto "eco" e spostamenti tra campioni di 200 ms portano alla perdita del riconoscimento delle parole pronunciate. Allo stesso tempo, la perdita di una misura, pur mantenendo il sincronismo tra le restanti misure, non ha praticamente alcun effetto sul suono riprodotto. Ciò è dovuto ai dispositivi di livellamento nei convertitori digitale-analogico, che si basano sulla proprietà di inerzia di qualsiasi segnale fisico- l'ampiezza delle vibrazioni sonore non può cambiare istantaneamente di una grande quantità.

La qualità del segnale dopo il DAC è influenzata non solo dal sincronismo delle misure ricevute al suo ingresso, ma anche dall'errore di discretizzazione delle ampiezze di queste misure.

8 del teorema di Nyquist-Kotelnikov, si presume che le ampiezze della funzione siano misurate esattamente, allo stesso tempo, l'uso di numeri binari con una lunghezza di parola limitata per la loro memorizzazione distorce in qualche modo queste ampiezze. Di conseguenza, il segnale continuo ripristinato è distorto, che è chiamato rumore di campionamento (in ampiezza).

Esistono altri metodi di modulazione discreta che consentono di rappresentare le misurazioni vocali in una forma più compatta, ad esempio come una sequenza di numeri a 4 o 2 bit. Allo stesso tempo, un canale vocale richiede meno larghezza di banda, ad esempio 32 Kbps, 16 Kbps o anche meno. Dal 1985 è stato utilizzato lo standard di codifica vocale CCITT, chiamato Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). I codici ADPCM si basano sulla ricerca di differenze tra campioni vocali successivi, che vengono poi trasmessi sulla rete. Il codice ADPCM utilizza 4 bit per memorizzare una differenza e la voce viene trasmessa a 32 Kbps. Un metodo più moderno, Linear Predictive Coding (LPC), rende il campionamento della funzione originale più raro, ma utilizza metodi per prevedere la direzione del cambiamento nell'ampiezza del segnale. Usando questo metodo, puoi abbassare la velocità vocale a 9600 bps.

2.2. Metodi discreti di trasferimento dei dati a livello fisico 147

I dati continui presentati digitalmente possono essere facilmente trasferiti attraverso una rete di computer. Per fare ciò, è sufficiente inserire diverse misure nel quadro di uno standard tecnologia di rete, fornire al frame l'indirizzo di destinazione corretto e inviarlo alla destinazione. Il destinatario deve estrarre le misure dal frame e inviarle con una frequenza di quantizzazione (per la voce - a una frequenza di 8000 Hz) a un convertitore digitale-analogico. Man mano che arrivano i frame successivi con le misurazioni vocali, l'operazione dovrebbe essere ripetuta. Se i frame arrivano in modo sufficientemente sincrono, la qualità della voce può essere piuttosto elevata. Tuttavia, come già sappiamo, i frame nelle reti di computer possono essere ritardati sia nei nodi finali (in attesa dell'accesso a un supporto condiviso) sia nei dispositivi di comunicazione intermedi: bridge, switch e router. Pertanto, la qualità della voce durante la trasmissione digitale tramite reti di computer solitamente basso. Per la trasmissione di alta qualità di segnali continui digitalizzati - voci, immagini - oggi vengono utilizzate reti digitali speciali, come ISDN, ATM e reti televisione digitale. Tuttavia, per la trasmissione di conversazioni telefoniche intracorporate sono ormai tipiche le reti frame relay i cui ritardi di trasmissione frame sono entro limiti accettabili.

2.2.5. Trasmissione asincrona e sincrona

Il livello di collegamento opera sui frame di dati e fornisce la sincronizzazione tra il ricevitore e il trasmettitore a livello di frame. È responsabilità del destinatario riconoscere l'inizio del primo byte del frame, riconoscere i confini dei campi del frame e riconoscere la fine del flag del frame.

Di solito è sufficiente garantire la sincronizzazione a questi due livelli - bit e frame - in modo che il trasmettitore e il ricevitore possano garantire uno scambio stabile di informazioni. Tuttavia, se la qualità della linea di comunicazione è scadente (di solito questo vale per i canali telefonici commutati), per ridurre il costo delle apparecchiature e aumentare l'affidabilità della trasmissione dei dati, fondi aggiuntivi sincronizzazione a livello di byte.

Questa modalità di funzionamento è chiamata asincrono O start-stop. Un altro motivo per utilizzare questa modalità operativa è la presenza di dispositivi che generano byte di dati in momenti casuali tempo. È così che funziona la tastiera di un display o altro dispositivo terminale, da cui una persona inserisce i dati per l'elaborazione da parte di un computer.

In modalità asincrona, ogni byte di dati è accompagnato da speciali segnali di "avvio" e "arresto" (Fig. 2.20, UN). Lo scopo di questi segnali è, in primo luogo, notificare al ricevitore l'arrivo dei dati e, in secondo luogo, dare al ricevitore tempo sufficiente per eseguire alcune funzioni relative alla temporizzazione prima che arrivi il byte successivo. Il segnale di avvio ha una durata di un intervallo di clock e il segnale di arresto può durare uno, uno e mezzo o due clock, quindi si dice che uno, uno e mezzo o due bit vengono utilizzati come segnale di arresto, sebbene questi segnali non rappresentano bit utente.

La modalità descritta è detta asincrona perché ogni byte può essere leggermente spostato nel tempo rispetto ai cicli bit per bit del precedente.

148 Capitolo 2 Nozioni di base sul trasferimento di dati discreti

byte. Tale trasmissione asincrona di byte non influisce sulla correttezza dei dati ricevuti, poiché all'inizio di ogni byte il ricevitore è inoltre sincronizzato con la sorgente grazie ai bit "start". Tolleranze di tempo più "libere" determinano il basso costo delle apparecchiature del sistema asincrono.

Nella modalità di trasferimento sincrono, non ci sono bit start-stop tra ogni coppia di byte. I dati dell'utente vengono raccolti in un frame, che è preceduto da byte di sincronizzazione (Fig. 2.20, B). Il byte di sincronizzazione è un byte contenente un codice pre-noto, come 0111110, che notifica al destinatario che è arrivato un frame di dati. Dopo averlo ricevuto, il ricevitore deve entrare in sincronizzazione di byte con il trasmettitore, ovvero comprendere correttamente l'inizio del byte successivo del frame. A volte vengono utilizzati diversi byte di sincronizzazione per fornire una sincronizzazione più affidabile tra il ricevitore e il trasmettitore. Poiché il ricevitore potrebbe avere problemi con la sincronizzazione dei bit durante la trasmissione di un frame lungo, in questo caso vengono utilizzati codici di autosincronizzazione.

» Quando si trasmettono dati discreti su un canale a frequenza vocale a banda stretta utilizzato nella telefonia, i metodi di modulazione analogica sono i più adatti, in cui la sinusoide portante è modulata dalla sequenza originale di cifre binarie. Questa operazione viene eseguita da dispositivi speciali: i modem.

* Per la trasmissione di dati a bassa velocità, viene applicata una modifica della frequenza dell'onda sinusoidale portante. I modem ad alta velocità operano su metodi combinati di modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), che sono caratterizzati da 4 livelli di ampiezza sinusoidale della portante e 8 livelli di fase. Non tutte le possibili 32 combinazioni del metodo QAM sono utilizzate per la trasmissione dei dati, le combinazioni proibite consentono di riconoscere i dati distorti a livello fisico.

* Sui canali di comunicazione a banda larga vengono utilizzati metodi di codifica del potenziale e dell'impulso, in cui i dati sono rappresentati da diversi livelli di un potenziale di segnale costante o polarità di un impulso o del suo fronte.

* Quando si utilizzano codici potenziali, il compito di sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore è di particolare importanza, poiché durante la trasmissione di lunghe sequenze di zeri o uno, il segnale all'ingresso del ricevitore non cambia ed è difficile per il ricevitore determinare il momento di prelevare il successivo bit di dati.

___________________________________________2.3. Metodi di trasmissione del livello di collegamento dati _______149

* Il codice potenziale più semplice è il codice di non ritorno a zero (NRZ), tuttavia non è self-clocking e crea un componente DC.

» Il codice a impulsi più popolare è il codice Manchester, in cui l'informazione è trasportata dalla direzione del fronte del segnale nel mezzo di ogni ciclo. Il codice Manchester viene utilizzato nelle tecnologie Ethernet e Token Ring.

» Per migliorare le proprietà di un potenziale codice NRZ, vengono utilizzati metodi di codifica logica che escludono lunghe sequenze di zeri. Questi metodi si basano su:

Sull'introduzione di bit ridondanti nei dati originali (codici di tipo 4V/5V);

Scrambling dei dati originali (codici come 2B1Q).

» I codici potenziali migliorati hanno uno spettro più ristretto rispetto ai codici di impulso, quindi vengono utilizzati in tecnologie ad alta velocità come FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Quando si trasmettono dati discreti su canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica -basato segnale portante sinusoidale e basato su una sequenza di impulsi rettangolari. Il primo metodo è spesso chiamato anche modulazione O modulazione analogica, sottolineando il fatto che la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico. Il secondo modo è solitamente chiamato codifica digitale. Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità dell'apparecchiatura richiesta per la loro implementazione.

A codifica digitale vengono utilizzate informazioni discrete, potenziali e codici di impulso. Nei codici potenziali, 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. I codici a impulsi 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.

Le reti utilizzano i cosiddetti 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 bordo tagliente nel segnale - il cosiddetto bordo - può servire come una buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore. 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 riconoscimento degli errori a livello fisico fa risparmiare tempo, poiché il ricevitore non attende che il frame sia completamente inserito nel buffer, ma lo rifiuta immediatamente dopo il posizionamento. conoscere gli errori di bit all'interno di un frame.

Potenziale codice di non ritorno a zero, un metodo di potenziale codifica, chiamato anche codifica senza tornare a zero (Non ritorno A Zero, NRZ). Il cognome riflette il fatto che quando si trasmette una sequenza di uno, 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). Il metodo NRZ è facile da implementare, ha un buon riconoscimento 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 di zero, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non è in grado di determinare dal segnale di ingresso gli orari in cui è necessario rileggere 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 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.

Metodo di codifica bipolare con inversione alternativa. Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica bipolare con inversione alternativa (Bipolare Alternato Segno inversione, AMI). Questo metodo utilizza tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e un'unità logica è codificata da un potenziale positivo o negativo, mentre il potenziale di ogni nuova unità è opposto al potenziale della precedente. 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 (segnale violazione). Nel codice AMI vengono utilizzati non due, ma tre livelli di segnale per linea. Il livello 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 con più stati di segnale rispetto ai codici che distinguono solo tra due stati.

Codice potenziale con inversione all'unità. Esiste un codice simile all'AMI, ma con 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 all'unità (Non ritorno A Zero con quelli invertito, NRZI). Questo codice è utile nei casi in cui l'uso di un terzo livello di segnale è altamente indesiderabile, ad esempio nei cavi ottici, dove vengono riconosciuti in modo affidabile due stati di segnale: chiaro e scuro.

Codice di impulso bipolare Oltre ai potenziali codici, le reti utilizzano anche codici a impulsi 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 impulsi bipolare, in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra . Ogni impulso dura mezzo ciclo. Tale codice ha eccellenti proprietà di self-clocking, ma può essere presente un componente 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 uguale a MHz, che è due volte superiore all'armonica fondamentale del codice NRZ e quattro volte superiore all'armonica fondamentale del codice AMI quando trasmettendo uno e zero alternati. A causa dello spettro troppo ampio, il codice di impulso bipolare viene utilizzato raramente.

Codice Manchester. Nelle reti locali, fino a poco tempo fa, il metodo di codifica più comune era il cosiddetto Codice Manchester. Viene utilizzato nelle tecnologie Ethernet e TokenRing. 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 un livello di segnale da basso ad 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 auto-sincronizzazione. La larghezza di banda del codice Manchester è più stretta di quella dell'impulso bipolare. 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. Il codice Manchester ha un altro vantaggio rispetto al codice a impulsi bipolari. Quest'ultimo utilizza tre livelli di segnale per la trasmissione dei dati, mentre Manchester ne utilizza due.

Potenziale codice 2B 1Q. Codice potenziale con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. Questo è il codice 2 IN 1Q, il cui nome riflette la sua essenza: ogni due bit (2B) vengono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati (1Q). Il bit 00 è -2,5 V, il bit 01 è -0,833 V, 11 è +0,833 V e 10 è +2,5 V. Con questo metodo di codifica, sono necessarie ulteriori misure per gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche, poiché il segnale viene quindi convertito in un componente costante. Con l'interleaving casuale dei bit, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ, poiché a parità di bit rate la durata del clock è raddoppiata. Pertanto, utilizzando il codice 2B 1Q, è possibile trasferire dati due volte più velocemente sulla stessa linea 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 siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.

Codifica logica La codifica logica viene utilizzata per migliorare potenziali codici come AMI, NRZI o 2Q.1B. La codifica logica dovrebbe sostituire lunghe sequenze di bit che portano a un potenziale costante con altri intervallati. Come notato sopra, due metodi sono caratteristici della codifica logica -. codici ridondanti e scrambling.

Rimescolare. Mescolare i dati con uno scrambler prima di metterli in linea con un codice candido è un altro modo di codifica logica. 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 ricevuti nei cicli precedenti. Ad esempio, uno scrambler potrebbe implementare la seguente relazione:

Trasmissione asincrona e sincrona

Quando i dati vengono scambiati a livello fisico, l'unità di informazione è un bit, quindi il livello fisico significa mantenere sempre la sincronizzazione bit per bit tra il ricevitore e il trasmettitore. Di solito è sufficiente garantire la sincronizzazione a questi due livelli - bit e frame - in modo che il trasmettitore e il ricevitore possano garantire uno scambio stabile di informazioni. Tuttavia, se la qualità della linea di comunicazione è scarsa (di solito questo vale per i canali telefonici commutati), vengono introdotti ulteriori mezzi di sincronizzazione a livello di byte per ridurre il costo delle apparecchiature e aumentare l'affidabilità della trasmissione dei dati.

Questa modalità di funzionamento è chiamata asincrono O start-stop. In modalità asincrona, ogni byte di dati è accompagnato da speciali segnali di avvio e arresto. Lo scopo di questi segnali è, in primo luogo, notificare al ricevitore l'arrivo dei dati e, in secondo luogo, dare al ricevitore tempo sufficiente per eseguire alcune funzioni relative alla temporizzazione prima che arrivi il byte successivo. Il segnale di avvio ha una durata di un intervallo di clock e il segnale di arresto può durare uno, uno e mezzo o due clock, quindi si dice che uno, uno e mezzo o due bit vengono utilizzati come segnale di arresto, sebbene questi segnali non rappresentano bit utente.

Nella modalità di trasferimento sincrono, non ci sono bit start-stop tra ogni coppia di byte. conclusioni

Quando si trasmettono dati discreti su un canale a frequenza vocale a banda stretta utilizzato nella telefonia, i metodi di modulazione analogica sono i più adatti, in cui la sinusoide portante è modulata dalla sequenza originale di cifre binarie. Questa operazione viene eseguita da dispositivi speciali: i modem.

Per la trasmissione di dati a bassa velocità, viene utilizzato un cambiamento nella frequenza della sinusoide portante. I modem ad alta velocità operano su metodi combinati di modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), che sono caratterizzati da 4 livelli di ampiezza sinusoidale della portante e 8 livelli di fase. Non tutte le possibili 32 combinazioni del metodo QAM sono utilizzate per la trasmissione dei dati, le combinazioni proibite consentono di riconoscere dati distorti a livello fisico.

Sui canali di comunicazione a banda larga vengono utilizzati metodi di codifica del potenziale e dell'impulso, in cui i dati sono rappresentati da diversi livelli di un potenziale di segnale costante o polarità dell'impulso o il suo davanti.

Quando si utilizzano codici potenziali, il compito di sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore è di particolare importanza, poiché durante la trasmissione di lunghe sequenze di zeri o uno, il segnale all'ingresso del ricevitore non cambia ed è difficile per il ricevitore determinare il momento di raccogliendo il successivo bit di dati.

Il codice potenziale più semplice è il codice di non ritorno a zero (NRZ), ma non è self-clocking e crea un componente DC.

Il codice a impulsi più popolare è il codice Manchester, in cui le informazioni vengono trasportate dalla direzione del fronte del segnale nel mezzo di ogni ciclo. Il codice Manchester è utilizzato nelle tecnologie Ethernet e TokenRing.

Per migliorare le proprietà di un potenziale codice NRZ, vengono utilizzati metodi di codifica logica che escludono lunghe sequenze di zeri. Questi metodi si basano su:

Sull'introduzione di bit ridondanti nei dati originali (codici di tipo 4V/5V);

Scrambling dei dati originali (codici come 2B 1Q).

I potenziali codici migliorati hanno uno spettro più ristretto rispetto ai codici a impulsi, quindi vengono utilizzati in tecnologie ad alta velocità come FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

Fisico layer si occupa della trasmissione effettiva dei bit grezzi

canale di comunicazione.

Il trasferimento dei dati nelle reti di computer da un computer all'altro viene eseguito in sequenza, bit per bit. Fisicamente, i bit di dati vengono trasmessi su canali di dati sotto forma di segnali analogici o digitali.

Un insieme di mezzi (linee di comunicazione, apparecchiature per la trasmissione e la ricezione di dati) che serve a trasmettere dati nelle reti di computer è chiamato canale di trasmissione dati. A seconda della forma delle informazioni trasmesse, i canali di trasmissione dei dati possono essere suddivisi in analogico (continuo) e digitale (discreto).

Poiché l'apparecchiatura per la trasmissione e la ricezione dei dati funziona con i dati in forma discreta (vale a dire, unità discrete e zeri di dati corrispondono a discreti segnali elettrici), quindi quando vengono trasmessi canale analogicoè richiesta la conversione di dati discreti in dati analogici (modulazione).

Quando si ricevono tali dati analogici, è necessaria una conversione inversa: la demodulazione. Modulazione / demodulazione: i processi di conversione delle informazioni digitali in segnali analogici e viceversa. Durante la modulazione, l'informazione è rappresentata da un segnale sinusoidale della frequenza che il canale dati trasmette bene.

I metodi di modulazione includono:

modulazione d'ampiezza;

· modulazione di frequenza;

modulazione di fase.

Durante il trasferimento segnali discreti attraverso un canale dati digitale, viene utilizzata la codifica:

· potenziale;

impulsivo.

Pertanto, la codifica del potenziale o dell'impulso viene applicata ai canali Alta qualità, e la modulazione sinusoidale è preferibile nei casi in cui il canale introduce una forte distorsione nei segnali trasmessi.

Di solito viene utilizzata la modulazione reti globali durante la trasmissione di dati su circuiti telefonici analogici, che sono stati progettati per trasmettere la voce in forma analogica e quindi non sono adatti per la trasmissione diretta di impulsi.

A seconda dei metodi di sincronizzazione, canali di trasmissione dati reti di computer possono essere distinti in sincroni e asincroni. La sincronizzazione è necessaria affinché il nodo di trasmissione dei dati possa inviare un qualche tipo di segnale al nodo di ricezione, in modo che il nodo di ricezione sappia quando iniziare a ricevere i dati in arrivo.

La trasmissione dati sincrona richiede una linea di comunicazione aggiuntiva per trasmettere gli impulsi di clock. La trasmissione dei bit da parte della stazione trasmittente e la loro ricezione da parte della stazione ricevente viene effettuata al momento della comparsa degli impulsi di clock.

Con il trasferimento dati asincrono non è necessaria una linea di comunicazione aggiuntiva. In questo caso, il trasferimento dei dati avviene in blocchi di lunghezza fissa (byte). La sincronizzazione viene eseguita da bit aggiuntivi (bit di start e bit di stop) che vengono trasmessi prima e dopo il byte trasmesso.

Quando si scambiano dati tra nodi di reti di computer, vengono utilizzati tre metodi di trasferimento dei dati:

trasmissione simplex (unidirezionale) (televisione, radio);

half-duplex (la ricezione / trasmissione delle informazioni viene eseguita alternativamente);

duplex (bidirezionale), ogni nodo trasmette e riceve contemporaneamente dati (ad esempio conversazioni telefoniche).

	\|	prossima lezione ==>

Le informazioni trasmesse su una linea di comunicazione sono generalmente 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 Diversi tipi di 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

Inoltre, 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 lavora per basse frequenze da 0 a N/2Hz.

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 uno, 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.

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

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, 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:

Fondamentalmente, per le reti locali è più facile, più affidabile, migliore, più veloce: utilizzare la codifica dei dati logici 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 i-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.

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