Применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция) и на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Аналоговая модуляция - для передачи дискретных данных по каналом с узкой полосой пропускания - телефонные сети канал тональной частоты (полоса пропускания от 300 до 3400 Гц) Устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию - модем.

Методы аналоговой модуляции

n амплитудная модуляция (низкая помехоустойчивость, часто применяется совместно с фазовой модуляцией);

n частотная модуляция (сложная техническая реализация, обчно применяется в низкоскоростных модемах).

n фазовая модуляция.

Спектр модулированного сигнала

Потенциальный код - если дискретные данные передаются со скоростью N бит в секунду, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотой f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., где f0 = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают медленно - с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, ... от амплитуды f0. Спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0, до примерно 7f0. Для канала тональной частоты верхняя граница скорости передачи достигается для скорости передачи данных 971 бит в секунду, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. То есть на каналах тональной частоты потенциальные коды не используются.

Амплитудная модуляция - спектр состоит из синусоиды несущей частоты fc и двух боковых гармоник fc+fm и fc-fm, где fm - частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды. Частота fm определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой чпстоте модуляции ширина спектра сгнала будет таеже небольшой (равной 2fm), и сигналы не будет искажаться линие, если полоса пропускания будет больше или равна 2fm. Для канала тональной частоты такой способ приемлем при скорости передачи данных не выше 3100 / 2 =1550 бит в сек.

Фазовая и частотная модуляция - спектр более сложный, но симметричный, с большим количеством быстро убывающих гармоник. Эти методы подходят для передачи по каналу тональной частоты.

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrate Amplitude Modulation) - фазовая модуляция с 8 значениям величин сдвига фаз и амплитудная с 4 значениями амплитуды. Используются не все 32 комбинации сигнала.

Цифровое кодирование

Потенциальные коды – для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формулирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются.

Импульсные коды – представляют двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методу цифрового кодирования:

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала (более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных, предъявляется также требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником);

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником (приемник должен точно знать, в какой момент времени считывать нужную информацию с линии, в локальных системах – тактирующие линии, в сетях – самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита);

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

Потенциальный код без возвращения к нулю. NRZ (Non Retrurn to Zero). Сигнал не возвращается к нулю в течение такта.

Прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок благодаря двум резко различающимся сигналам, но не обладает свойством синхронизации. При передаче длинной последовательности нулей или единиц сигнал на линии не меняется, поэтому приемник не может определить, когда очередной раз нужно считывать данные. Еще одни недостаток – наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц и нулей. В чистом виде код используется редко, используются модификации. Привлекательность – низкая частота основной гармоники f0 = N /2.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией . (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), модификация метода NRZ.

Для кодирования нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется либо положительные потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой следующей единицы противоположен потенциалу предыдущей. Частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации. В случае передачи длинной последовательности единиц – последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего последовательность чередующихся импульсов, то есть без постоянной составляющей и основной гармоникой N/2. В целом использование AMI приводит к более узкому спектру, чем NRZ, а значит, к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся нуляе и единиц основная гармоника f0 имеет частоту N/4. Есть возможность распознавать ошибочные передачи, но для обеспечения достоверности приема необходимо повышение мощности примерно на 3 дБ, так как используются тру уровня сигнала.

Потенциальный код с инверсией при единице . (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Код, похожий на AMI, по с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля передается потенциал предыдущего такта, а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня не желательно (оптический кабель).

Для улучшения AMI, NRZI используются два метода. Первый – добавление в код избыточных единиц. Появляется свойство самосинхронизации, исчезает постоянная составляющая и сужается спектр, но снижается полезная пропускная способность.

Другой метод – “перемешивание” исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой - скрэмблирование. Оба метода – логическое кодирование, так как форму сигналов на линии они не определяют.

Биполярный импульсный код . Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта.

Код обладает отличными свойствами самосинхронизации, но при передаче длинной последовательности нулей или единиц может присутствовать постоянная составляющая. Спектр шире, чем у потенциальных кодов.

Манчестерский код . Самый распространенный код, применяющийся в сетях Ethernet, Token Ring.

Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебных перепад сигнала, елси нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Код обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами. Полоса пропускания уже, что у биполярного импульсного, нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае имеет частоту N, а в лучшем - N/2.

Потенциальный код 2В1Q . Каждые два бита передаются за одни такт сигналом, имеющим четыре состояния. 00 - -2,5 В, 01 - -0,833 В, 11 - +0,833 В, 10 - +2,5 В. Требуются дополнительные средства для борьбы с длинными последовательностями одинаковых пар бит. При случайном чередовании бит спектр в два раза уже, чем у NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза, то есть можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью AMI, NRZI, но нужна большая мощность передатчика.

Логическое кодирование

Призвано улучшать потенциальные коды типа AMI, NRZI, 2B1Q, заменяя длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Используется два метода – избыточное кодирование и скремблирование.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами, после чего каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.

Код 4В/5В заменяет последовательности из 4 бит последовательностями из 5 бит. Тогда вместо 16 битовых комбинаций получается 32. Из них отбирается 16, которые не содержат большого количества нулей, остальные считаются запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенные код, значит на линии произошло искажение сигнала.

Этот код передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Код гарантирует, что на линии не встретится более трех нулей подряд. Существуют другие коды, например 8В/6Т.

Для обеспечения заданной пропускной способности передатчик должен работать с повышенной тактовой частотой (для 100 Мб/с – 125 Мгц). Спектр сигнала, расширяется по сравнению с первоначальным, но остается уже спектра манчестерского кода.

Скрэмблирование – перемешивание данных скрэмблером перед передачей из в линию.

Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например,

B i = A i xor B i -3 xor B i -5 ,

где B i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-ом такте работы скрэмблера, A i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-ом такте на вход скремблера, B i -3 и B i -5 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы.

Для последовательности 110110000001 скремблер даст 110001101111, то есть последовательности из шести подряд идущих нулей не будет.

После получения результирующей последовательности приемник передаст ее дескремблеру, который применит обратное преобразование

С i = В i xor B i-3 xor B i-5 ,

Различные системы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых и сдвигом между ними.

Существуют более простые методы борьбы с последовательностями нулей или единиц, которые тоже относят к методам скремблирования.

Для улучшения Bipolar AMI используются:

B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) – исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей.

Для этого он после трех первых нулей вместо оставшихся пяти вставляет пять сигналов V-1*-0-V-1*, где V обозначает сигнал единицы, запрещенный для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемнике наблюдает 2 искажения – очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей. В этом коде постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным – последовательность 1*00V.

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей нулей и единиц, которые встречаются в передаваемых данных.

Исходная информация, которую необходимо передавать по линии связи, может быть либо дискретной (выходные данные компьютеров), либо аналоговой (речь, телевизионное изображение).

Передача дискретных данных базируется на использовании двух типов физического кодирования:

а) аналоговой модуляции, когда кодирование осуществляется за счет изменения параметров синусоидального несущего сигнала;

б) цифрового кодирования путем изменения уровней последовательности прямоугольных информационных импульсов.

Аналоговая модуляция приводит к спектру результирующего сигнала гораздо меньшей ширины, чем при цифровом кодировании, при той же скорости передачи информации, однако для ее реализации требуется более сложная и дорогая аппаратура.

В настоящее время исходные данные, имеющие аналоговую форму, все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде (в виде последовательности единиц и нулей), т. е. осуществляется дискретная модуляция аналоговых сигналов.

Аналоговая модуляция. Применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый пользователям телефонных сетей. По этому каналу передаются сигналы с частотой от 300 до 3400 Гц, т. е. его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая полоса вполне достаточна для передачи речи с приемлемым качеством. Ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Перед передачей дискретных данных на передающей стороне с помощью модулятора-демодулятора (модема) осуществляется модуляция несущей синусоиды исходной последовательности двоичных цифр. Обратное преобразование (демодуляция) выполняется принимающим модемом.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму, или три метода аналоговой модуляции:

Амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля - малой, или сигнал несущей вообще отсутствует;

Частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля - низкая, а при передаче единицы - высокая;

Фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°. В чистом виде амплитудная модуляция на практике используется редко из-за низкой помехоустойчивости. Частотная модуляция не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/ с. Повышение скорости передачи данных обеспечивается использованием комбинированных способов модуляции, чаще амплитудной в сочетании с фазовой.

Аналоговый способ передачи дискретных данных обеспечивает широкополосную передачу путем использования в одном канале сигналов различных несущих частот. Это гарантирует взаимодействие большого количества абонентов (каждая пара абонентов работает на своей частоте).

Цифровое кодирование. При цифровом кодировании дискретной информации используются два вида кодов:

а) потенциальные коды, когда для представления информационных единиц и нулей применяется только значение потенциала сигнала, а его перепады во внимание не принимаются;

б) импульсные коды, когда двоичные данные представляются либо импульсами определенной полярности, либо перепадами потенциала определенного направления.

К способам цифрового кодирования дискретной информации при использовании прямоугольных импульсов для представления двоичных сигналов предъявляются такие требования:

Обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

Обеспечение наименьшей ширины спектра результирующего сигнала при одной и той же битовой скорости (так как более узкий спектр сигналов позволяет на ли-

нии с одной и той же полосой пропускания добиваться более высокой скорости

передачи данных);

Возможность распознавания ошибок в передаваемых данных;

Относительно низкая стоимость реализации.

Средствами физического уровня осуществляется только распознавание искаженных данных (обнаружение ошибок), что позволяет экономить время, так как приемник, не ожидая полного помещения принимаемого кадра в буфер, сразу его отбраковывает при распознавании ошибочных бит в кадре. Более сложная операция - коррекция искаженных данных - выполняется протоколами более высокого уровня: канального, сетевого, транспортного или прикладного.

Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент следует осуществлять считывание поступающих данных. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных. Проблема синхронизации легко решается при передаче информации на небольшие расстояния (между блоками внутри компьютера, между компьютером и принтером) путем использования отдельной тактирующей линии связи: информация считывается только в момент прихода очередного тактового импульса. В компьютерных сетях отказываются от использования тактирующих импульсов по двум причинам: ради экономии проводников в дорогостоящих кабелях и из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях (на больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигналов может привести к рассинхронизации тактовых импульсов в тактирующей линии и информационных импульсов в основной линии, вследствие чего бит данных будет либо пропущен, либо считан повторно).

В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Указанные требования к способам цифрового кодирования дискретной информации являются в определенной степени взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже способов кодирования имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими.

Самосинхронизирующие коды. Наиболее распространенными являются следующие СК:

Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero);

Биполярный импульсный код (RZ-код);

Манчестерский код;

Биполярный код с поочередной инверсией уровня.

На рис. 32 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Для характеристики и сравнительной оценки СК используются такие показатели:

Уровень (качество) синхронизации;

Надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

Требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

Сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Такое название он получил потому, что при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) сигнал не возвращается к нулю в течение такта, как это имеет место в других способах кодирования. Уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линий).

Для Ы^-кода имеют место соотношения

где VI - скорость изменения уровня сигнала в линии связи (бод);

У2 - пропускная способность линии связи (бит/ с).

Кроме того, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, у него есть и другой серьезный недостаток: наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных серий единиц или нулей. Вследствие этого код NRZ в чистом виде в сетях не используется. Применяются его различные модификации, в которых устраняют плохую самосинхронизацию кода и наличие постоянной составляющей.

RZ-код, или биполярный импульсный код (код с возвращением к нулю), отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение

Спектр у RZ-кода шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра он используется редко.

Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов - двойное изменение. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. Соотношение скоростей для этого кода такое:

Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных. Его полоса пропускания уже, чем у RZ-кода (в среднем в полтора раза). В отличие от биполярного импульсного кода, где для передачи данных используются три уровня сигнала (что иногда весьма нежелательно, например, в оптических кабелях устойчиво распознаются только два состояния - свет и темнота), в манчестерском коде - два уровня.

Манчестерский код широко применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Биполярный код с поочередной инверсией уровня (код AMI) является одной из модификаций кода NRZ. В нем используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Для кодирования нуля используется нулевой потенциал. Код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц, так как потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче серий нулей синхронизация отсутствует. Код AMI сравнительно прост в реализации. Для него

При передаче различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а следовательно, и к более высокой пропускной способности линии.

Заметим, что улучшенные потенциальные коды (модернизированные манчестерский код и код AMI) обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, например в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Как уже отмечалось, одной из тенденций развития современных компьютерных сетей является их цифровизация, т. е. передача в цифровой форме сигналов любой природы. Источниками этих сигналов могут быть компьютеры (для дискретных данных) или такие устройства, как телефоны, видеокамеры, видео- и звуковоспроизводящая аппаратура (для аналоговых данных). До недавнего времени (до появления цифровых сетей связи) в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, причем дискретные по своему характеру компьютерные данные с помощью модемов преобразовывались в аналоговую форму.

Однако передача информации в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принимаемых данных, если имело место их существенное искажение при передаче. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передаче звука и изображения пришла цифровая техника, которая использует дискретную модуляцию аналоговых сигналов.

Дискретная модуляция основана на дискретизации непрерывных сигналов как по амплитуде, так и по времени. Одним из широко распространенных методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США).

При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 33).

Первый этап - отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала. В аналоговой телефонии для передачи голоса выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточен для качественной передачи всех основных гармоник собеседников. Поэтому в цифровых сетях, где для передачи голоса реализуется метод ИКМ, принята частота отображения, равная 8000 Гц (это больше 6800 Гц, что обеспечивает некоторый запас качества).

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ - сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256- шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 33 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами - 64 Кбит/ с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/ с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т. е. производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстановление исходной непрерывной функции времени.

В современных цифровых сетях связи используются и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме, например, в виде последовательности 4-разряных чисел. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Цифровые методы записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации обеспечивают возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. С этой целью применяются те же методы контроля, что и для компьютерных данных (см. п. 4.9).

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде предъявляет жесткие требования к синхронизации приемника. В случае несоблюдения синхронности исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажениям голоса или передаваемого изображения. Если кадры с замерами голоса (или другой аналоговой величины) будут прибывать синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако в компьютерных сетях кадры могут задерживаться как в конечных узлах, так и в промежуточных коммутационных устройствах (мостах, коммутаторах, маршрутизаторах), что негативно сказывается на качестве передачи голоса. Поэтому для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов используются специальные цифровые сети (ISDN, ATM, сети цифрового телевидения), хотя для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров и сегодня применяются сети Frame Relay, поскольку задержки передачи кадров в них находятся в допустимых пределах.

Тема 2. Физический уровень

План

Теоретические основы передачи данных

Информация может передаваться по проводам за счет изменения какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Представив значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени, можно смоделировать поведение сигнала и подвергнуть его математическому анализу.

Ряды Фурье

В начале XIX столетия французский математик Жан-Батист Фурье (JeanBaptiste Fourier) доказал, что любая периодическая функция с периодом Т может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный), состоящий из сумм синусов и косинусов:
(2.1)
где - основная частота (гармоника), и - амплитуды синусов и косинусов n-й гармоники, а с - константа. Подобное разложение называется рядом Фурье. Разложенная в ряд Фурье функция может быть восстановлена по элементам этого ряда, то есть если период T и амплитуды гармоник известны, то исходная функция может быть восстановлена с помощью суммы ряда (2.1).
Информационный сигнал, имеющий конечную длительность (все информационные сигналы имеют конечную длительность), может быть разложен в ряд Фурье, если представить, что весь сигнал бесконечно повторяется снова и снова (то есть интервал от Т до 2Т полностью повторяет интервал от 0 до Т, и т. д.).
Амплитуды могут быть вычислены для любой заданной функции. Для этого нужно умножить левую и правую стороны уравнения (2.1) на, а затем проинтегрировать от 0 до Т. Поскольку:
(2.2)
остается только один член ряда. Ряд исчезает полностью. Аналогично, умножая уравнение (2.1) на и интегрируя по времени от 0 до Т, можно вычислить значения. Если проинтегрировать обе части уравнения, не изменяя его, то можно получить значение константы с . Результаты этих действий будут следующими:
(2.3.)

Управляемые носители информации

Назначением физического уровня сети является передача необработанного потока битов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Носители можно разделить на две группы: управляемые носители, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и неуправляемые, например радиосвязь и передача по лазерному лучу без кабеля.

Магнитные носители

Один из самых простых способов перенести данные с одного компьютера на другой - записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения и там прочитать их.
Высокая пропускная способность. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 200 Гбайт. В коробку размером 60x60x60 помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 1600 Тбит (1,6 Пбит). Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часов службой Federal Express или другой компанией. Эффективная полоса пропускания при такой передаче составляет 1600 Тбит/86 400 с, или 19 Гбит/с. Если же пункт назначения находится всего в часе езды, то пропускная способность составит свыше 400 Гбит/с. Ни одна компьютерная сеть пока не в состоянии даже приблизиться к таким показателям.
Экономичность. Оптовая цена кассеты составляет около $40. Коробка с лентами обойдется в $4000, при этом одну и ту же ленту можно использовать десятки раз. Прибавим $1000 на перевозку (а на самом деле, гораздо меньше) и получим около $5000 за передачу 200 Тбайт или 3 цента за гигабайт.
Недостатки. Хотя скорость передачи данных с помощью магнитных лент отличная, однако величина задержки при такой передаче очень велика. Время передачи измеряется минутами или часами, а не миллисекундами. Для многих приложений требуется мгновенная реакция удаленной системы (в подключенном режиме).

Витая пара

Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.
Применение – телефонная линия, компьютерная сеть. Может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях требуются повторители. Объединяются в кабель, с защитным покрытием. В кабеле пары проводов свиты, для избежание наложения сигнала. Могут использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но в большинстве случаев на расстоянии до нескольких километров может быть достигнута скорость несколько мегабит в секунду. Благодаря довольно высокой пропускной способности и небольшой цене витые пары широко распространены и, скорее всего, будут популярны и в будущем.
Витые пары применяются в нескольких вариантах, два из которых особенно важны в области компьютерных сетей. Витые пары категории 3 (CAT 3) состоят из двух изолированных проводов, свитых друг с другом. Четыре такие пары обычно помещаются вместе в пластиковую оболочку.
Витые пары категории 5 (CAT 5) похожи на витые пары третьей категории, но имеют большее число витков на сантиметр длины проводов. Это позволяет еще сильнее уменьшить наводки между различными каналами и обеспечить улучшенное качество передачи сигнала на большие расстояния (рис. 1).

Рис. 1. UTP категории 3 (а), UTP категории 5 (б).
Все эти типы соединений часто называются UTP (unshielded twisted pair - неэкранированная витая пара)
Экранированные кабели из витых пар корпорации IBM не стали популярными за пределами фирмы IBM.

Коаксиальный кабель

Другим распространенным средством передачи данных является коаксиальный кабель. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один из них, 50-омный, обычно используется для передачи исключительно цифровых данных. Другой тип кабеля, 75-омный, часто применяется для передачи аналоговой информации, а также в кабельном телевидении.
Вид кабеля в разрезе показан на рисунке 2.

Рис. 2. Коаксиальные кабель.
Конструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность. Максимальная пропускная способность зависит от качества, длины и соотношения сигнал/шум линии. Современные кабели имеют полосу пропускания около 1 ГГц.
Применение – телефонные системы (магистрали), кабельное телевиденье, региональные сети.

Волоконная оптика

Существующая ныне оптоволоконная технология, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и при этом много специалистов занято поиском более совершенных материалов. Сегодняшний практический предел в 10 Гбит/с обусловлен неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно, хотя в лабораторных условиях уже достигнута скорость 100 Гбит/с на одинарном волокне.
Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса - за ноль. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на него света детектор генерирует электрический импульс. Присоединив к одному концу оптического волокна источник света, а к другому - детектор, получается однонаправленная система передачи данных.
При передачи светового сигнала используется свойство отражения и преломления света при переходе из 2-х сред. Таким образом при подаче света под определенным углом на границу сред световой пучок полностью отражается и запирается в волокне (рис. 3).

Рис. 3. Свойство преломления света.
Существует 2 типа оптоволоконного кабеля: многомодный - передает пучок света, одномодный - тонкий до предела нескольких длин волны, действует практически как волновод, свет двигается по прямой без отражения. Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км.
В системах связи используются три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм соответственно.
Структура оптоволоконного кабеля схожа с структурой коаксиального провода. Разница состоит лишь в том, что в первом нет экранирующей сетки.
В центре оптоволоконной жилы располагается стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет. В многомодовом оптоволокне диаметр сердечника составляет 50 мкм, что примерно равно толщине человеческого волоса. Сердечник в одномодовом волокне имеет диаметр от 8 до 10 мкм. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника. Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Оптоволоконные жилы обычно группируются в пучки, защищенные внешней оболочкой. На рисунке 4 показан трехжильный кабель.

Рис. 4. Трехжильный оптоволоконный кабель.
При обрыве соединение отрезков кабеля может осуществляться тремя способами:

На конец кабеля может прикрепляться специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в оптическую розетку. Потеря - 10-20 % силы света, зато позволяет легко изменить конфигурацию системы.
Сращивание - два аккуратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой. Улучшение прохождения света достигается выравниванием концов кабеля. Потеря - 10 % мощности света.
Сплавление. Потеря практически отсутствуют.

Для передачи сигнала по оптоволоконному кабелю могут использоваться два типа источника света: светоизлучающие диоды (LED, Light Emitting Diode) и полупроводниковые лазеры. Их сравнительная характеристика приведена в таблице 1.

Таблица 1.
Сравнительная таблица использования светодиода и полупроводникового лазера
Приемный конец оптического кабеля представляет собой фотодиод, генерирующий электрический импульс, когда на него падает свет.

Сравнительная характеристика оптоволоконного кабеля и медного провода.

Оптическое волокно обладает рядом преимуществ:

Высокая скорость.
Меньше ослабление сигнала, вывод меньше повторителей (один на 50км, а не на 5)
Инертен к внешним электромагнитным излучениям, химически нейтрально.
Легче по весу. 1000 медных витых пар длиной в 1 км весит около 8000 кг. Пара оптоволоконных кабелей весит всего 100 кг при большей пропускной способности
Низкие затраты на прокладку

Недостатки:

Сложность и компетентность при монтаже.
Хрупкость
Дороже медного.
передачи в режиме simplex, между сетями требуется минимум 2 жилы.

Беспроводная связь

Электромагнитный спектр

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число колебаний электромагнитных колебаний в секунду называется частотой, и измеряется в герцах. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны. Эта величина традиционно обозначается греческой буквой (лямбда).
Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приемником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи.
В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света, - 3*108 м/с. В меди или стекле скорость света составляет примерно 2/3 от этой величины, кроме того, слегка зависит от частоты.
Связь величин, и:

Если частота () измеряется в МГц, а длина волны () в метрах то.
Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения (рис. 5). Радио, микроволновый, инфракрасный диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако их сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, они опасны для всего живого. Официальное название диапазонов приведено в таблице 6.

Рис. 5. Электромагнитный спектр и его применение в связи.
Таблица 2.
Официальные названия диапазонов по ITU
Количество информации, которое может переносить электромагнитная волна связана с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрастать восьмикратно на высоких частотах.
Зная ширину диапазона длин волн, можно вычислить соответствующий ей диапазон частот и скорость передачи данных.

Пример: Для 1,3 микронного диапазона оптоволоконного кабеля получается, то. Тогда при 8 бит/с получается можно получить скорость передачи 240 Тбит/с.

Радиосвязь

Радиоволны легко генерировать, преодолевают большие расстояния, проходят сквозь стены, огибают здания, распространяются во всех направлениях. Свойство радиоволн зависят от частоты (рис. 6). При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, однако мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удаленности от источника выражается примерно так: 1/r2. На высоких частотах радиоволны вообще имеют тенденцию распространяться исключительно по прямой линии и отражаться от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождем. Радиосигналы любых частот подвержены помехам со стороны двигателей с искрящими щетками и другого электрического оборудования.

Рис. 6. Волны диапазонов VLF, LF, MF огибают неровности поверхности земли (а), волны диапазонов HF и VHF отражаются от ионосферы, поглощаются землей (б).

Связь в микроволновом диапазоне

На частотах выше 100 МГц радиоволны распространяются почти по прямой, поэтому могут быть сфокусированы в узкие пучки. Концентрация энергии в виде узкого пучка при помощи параболической антенны (вроде всем известной спутниковой телевизионной тарелки) приводит к улучшению соотношения сигнал/шум, однако для подобной связи передающая и принимающая антенны должны быть довольно точно направлены друг на друга.
В отличие от радиоволн с более низкими частотами, микроволны плохо проходят сквозь здания. Микроволновая радиосвязь стала настолько широко использоваться в междугородной телефонии, сотовых телефонах, телевещании и других областях, что начала сильно ощущаться нехватка ширины спектра.
Данная связь имеет ряд преимуществ перед оптоволокном. Главное из них состоит в том, что не нужно прокладывать кабель, соответственно, не нужно платить за аренду земли на пути сигнала. Достаточно купить маленькие участки земли через каждые 50 км и установить на них ретрансляционные вышки.

Инфракрасные и миллиметровые волны

Инфракрасное и миллиметровое излучения без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях (пример дистанционные пульты). Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но не проходит сквозь твердые объекты.
Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Спутники связи

Используются е типа спутников: геостационные (GEO), средневысотные (MEO) и низкоорбитальные (LEO) (рис. 7).

Рис. 7. Спутники связи и их свойства: высота орбиты, задержка, число спутников, необходимое для покрытия всей поверхности земного шара.

Коммутируемая телефонная сеть общего пользования

Структура телефонной системы

Структура типичного маршрута телефонной связи на средние дистанции представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Типичный маршрут связи при средней дистанции между абонентами.

Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь

Так как компьютер работает с цифровым сигналом, а местная телефонная линия представляет собой передачу аналогового сигнала для выполнения преобразования цифрового в аналоговый и обратно используется устройство - модем, а сам процесс называется модуляцией/демодуляцией (рис. 9).

Рис. 9. Использование телефонной линии при передачи цифрового сигнала.
Существует 3 способа модуляции (рис. 10):

амплитудная модуляция - используются 2 разные амплитуды сигнала (для 0 и 1),
частотная - используются несколько разных частот сигнала (для 0 и 1),
фазовая - используются сдвиги фаз при переходе между логическими единицами (0 и 1). Углы сдвига - 45, 135, 225, 180.

На практике используются комбинированные системы модуляции.

Рис. 10. Двоичный сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в); фазовая модуляция.
Все современные модемы позволяют передавать данные в обоих направлениях, такой режим работы называется дуплексным. Соединение с возможностью поочередной передачи называется полудуплексным. Соединения при котором происходит передача только в одном направлении называется симплексным.
Максимальная скорость модемов которая может быть достигнута на текущий момент равна 56Кб/с. Стандарт V.90.

Цифровые абонентские линии. Технология xDSL.

После того, как скорость через модемы достигла своего предела телефонные компании стали искать выход из данной ситуации. Таким образом появилось множество предложений под общим названием xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - цифровая абонентская линия, где вместо x могуть быть другие буквы. Наиболее известная технология из данных предложений является ADSL (Asymmetric DSL).
Причина ограничения скорости модемов заключалась в том, что они для передачи данных использовали диапазон передачи человеческой речи - 300Гц до 3400Гц. Вместе с пограничными частотами, полоса пропускания составляла не 3100 Гц, а 4000 Гц.
Хотя сам спектр местной телефонной линии составляет 1,1Гц.
Первое предложение технологии ADSL использовало весь спектр местной телефонной линии, который разделяется на 3 диапазона:

POTS - диапазон обычной телефонной сети;
исходящий диапазон;
входящий диапазон.

Технология, в которой для разных целей используются разные частоты, называется частотным уплотнением или частотным мультиплексированием.
Альтернативный метод под названием дискретная мультитональная модуляция, DMT (Discrete MultiTone) состоит в разделении всего спектра местной линии шириной 1,1 МГц на 256 независимых каналов по 4312,5 Гц в каждом. Канал 0 - это POTS. Каналы с 1 по 5 не используются, чтобы голосовой сигнал не имел возможности интерферировать с информационным. Из оставшихся 250 каналов один занят контролем передачи в сторону провайдера, один - в сторону пользователя, а все прочие доступны для передачи пользовательских данных (рис. 11).

Рис. 11. Работа ADSL с использованием дискретной мультитональной модуляции.
Стандарт ADSL позволяет принимать до 8 Мб/с, а отправлять до 1Мб/с. ADSL2+ - исходящий до 24Мб/с, входящий до 1,4 Мб/с.
Типичная конфигурация оборудования ADSL содержит:

DSLAM - мультиплексор доступа к DSL;
NID - устройство сопряжения с сетью, разделяет владения телефонной компании и абонента.
Разветвитель (сплиттер) - разделитель частот, отделяющий полосу POTS и данные ADSL.

Рис. 12. Типичная конфигурация оборудования ADSL.

Магистрали и уплотнения

Экономия ресурсов играет важную роль в телефонной системе. Стоимость прокладки и обслуживания магистрали с высокой пропускной способностью и низкокачественной линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей, а не на сам медный или оптоволоконный кабель).
По этой причине телефонные компании совместно разработали несколько схем передачи нескольких разговоров по одному физическому кабелю. Схемы мультиплексирования (уплотнения) могут быть разделены на две основные категории FDM (Frequency Division Multiplexing -частотное уплотнение) и TDM (Time Division Multiplexing - мультиплексирование с временным уплотнением) (рис. 13).
При частотном уплотнении частотный спектр делится между логическими каналами ри этом каждый пользователь получает в исключительное владение свой поддиапазон. При мультиплексировании с временным уплотнением пользователи по очереди (циклически) пользуются одним и тем же каналом, и каждому на короткий промежуток времени предоставляется вся пропускная способность канала.
В оптоволоконных каналах используется особый вариант частотного уплотнения. Он называется спектральным уплотнением (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Рис. 13. Пример частотного уплотнения: исходные спектры 1 сигналов (а), спектры, сдвинутые по частоте (б), уплотненный канал (в).

Коммутация

С точки зрения среднего телефонного инженера, телефонная система состоит из двух частей: внешнего оборудования (местных телефонных линий и магистралей, вне коммутаторов) и внутреннего оборудования (коммутаторов), расположенного на телефонной станции.
Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации (связи) своих абонентов между собой. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
В телефонных системах используются два различных приема: коммутации каналов и коммутации пакетов.

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал (рис. 14).

Коммутация пакетов

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения (рис. 14).
и т.д.................

Для передачи дискретных данных по линиям связи с узкой полосой частот применяется аналоговая модуляция . Типичным представителем таких линий является линия связи тональной частоты, предоставляемая в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Эта линия связи передает аналоговые сигналы в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц (таким образом полоса пропускания линии равна 3100 Гц). Строгое ограничение полосы пропускания линий связи в данном случае связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется на практике в чистом виде из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другими видами модуляции. При частотной модуляции значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с разной частотой. Этот способ модуляции не требует сложных электронных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с. При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180 и 270 градусов. В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой. Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation - QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Однако из возможных 32 комбинаций сигнала используются далеко не все. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах (особенно коммутируемых) весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей: имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала; обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником; обладал способностью распознавать ошибки; обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между устройствами внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, и информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком. При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

Одним из простейших методов потенциального кодирования является униполярный потенциальный код , называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero - NRZ) (рис.7.1.а ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал налинии не изменяется, поэтому приемник не имеет возможность определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов практически никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

а б в г д е

Рис. 7.1. Методы кодирования двоичных данных: а -униполярный потен-

циальный код; б - биполярный потенциальный код; в - униполярный им-

пульсный код; г - биполярный импульсный код; д - «манчестерский» код;

е - потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется, но используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей.

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного потенциального кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion - AMI). В этом методе (рис. 7.1.б ) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным (при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей). Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N - битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ - сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. В целом, для различных комбинаций бит на линии, использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f 0 имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation). Так как в коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии, то дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Наиболее простыми методами импульсного кодирования являются униполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом, а ноль - его отсутствием (рис. 7.1в ), и биполярный импульсный код , в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 7.1г ). Каждый импульс длится половину такта. Биполярный импульсный код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, но постоянная импульсная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый «манчестерский код» (рис. 7.1д ). В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самохронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется около значения 3N/4. Еще одним преимуществом манчестерского кода является то, что он только два уровня сигнала, а биполярный импульсный код – три.

Существуют также потенциальные коды с большим числом уровней сигналов для кодирования данных. В качестве примера показан (рис 7.1е ) потенциальный код 2В1Q с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. В этом коде каждые два бита передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния. Паре бит «00» соответствует потенциал -2,5 В, паре бит «01» - потенциал -0,833 В, паре бит «11» - потенциал +0,833 В, а паре бит «10» - потенциал +2,5 В. В этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как тогда сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ (при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза). Таким образом, с помощью представленного кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Для улучшения потенциальных кодов типа AMI и 2B1Q используетсялогическое кодирование . Логическое кодирование призвано заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скремблирование .

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала. Код 4В/5В передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд. Буква B в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния (от английского binary – двоичный). Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 729 (3 в степени 6) результирующих символов. Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов (см. разделы 9,11 ).

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Другой способ логического кодирования основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятности появления единиц и нулей на линиистановились близкими. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичныеданные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Улучшенные потенциальные избыточные и скрэмблированные коды применяются в современных высокоскоростных сетевых технологиях вместо «манчестерского» и биполярного импульсного кодирования.

7.6. Технологии мультиплексирования линий связи

Для мультиплексирования («уплотнения») линий связи используется несколько технологий. Технология частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing - FDM ) первоначально была разработана для телефонных сетей, но применяется и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения. Эта технология предполагает перенос сигналов каждого абонентского канала в свой собственный диапазон частот и одновременную передачу сигналов нескольких абонентских каналов в одной широкополосной линии связи. Например, на входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов. В линии связи между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон. FDM-коммутаторы могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос. При постоянной коммутации полоса закрепляется за абонентом на длительный срок. Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также их количество.

Технология мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing - TDM ) или временного мультиплексирования основана на использовании TDM-аппаратуры (мультиплексоров, коммутаторов, демультиплексоров), работающей в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла все абонентские каналы. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом . Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых аппаратурой. Сети TDM могут поддерживать режимы либо динамической, либо постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима.

Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора выходная емкость равна количеству частотных полос, а для TDM-коммутатора - количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором - абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов. Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения является важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голоса и изображения или управление объектами в реальном масштабе времени.

При наличии всего одного физического канала связи, например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть, дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала с помощью технологий FDM или ТDМ. При использовании технологии FDM модемы для организации дуплексного режима работы на двухпроводной ли­нии работают на четырех частотах (две частоты – для кодирования единиц и нулей при передаче данных в одном направлении, а две других частоты – для кодирования при передаче в обратном направлении). В технологии ТDМ часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть – для передачи в другом направлении. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются.

В волоконно-оптических кабелях для организации дуплексного режима работы при использовании только одного оптического волокна передача данных в одном направлении производится с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном – другой длины волны. Такая технология по сути относится к методу FDM, однако для волоконно-оптических кабелей она получила название технологии мультиплексированияпо длине волны (Wave Division Multiplexing -WDM ) или волнового мультиплексирования .

Технология плотного волнового (спектрального)мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing - DWDM ) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой качественный скачок производительности обеспечивается за счет того, что информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн. Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию. Одним из основных преимуществ технологии DWDM является существенное повышение коэффициента использования частотного потенциала оптического волокна, теоретическая полоса пропускания которого составляет 25 000 ГГц.

Резюме

В современных телекоммуникационных системах информация передается посредством электромагнитных волн – электрических, световых или радиосигналов.

Линии связи в зависимости от типа физической среды передачи информации могут быть кабельными (проводными) или беспроводными. В качестве линий связи применяются телефонные кабели на основе параллельных нескрученных проводников, коаксиальные кабели, кабели на основе витых пар проводников (неэкранированные и экранированные), волоконно-оптические кабели. Наиболее эффективными на сегодняшний день и перспективными в ближайшем будущем являются кабели на основе витых пар проводников и волоконно-оптические кабели. Беспроводные линии связи чаще всего реализуются посредством передачи радиосигналов в различных диапазонах радиоволн. Инфракрасная технология беспроводной передачи данных использует часть электромагнитного спектра между видимым светом и самыми короткими микроволнами. Наиболее высокоскоро­стной и помехоустойчивой является лазерная технология бес­проводной связи.

Основные характеристики линий связи – амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

Пропускная способность линии связи характеризует максимально возможную скорость передачи данных по ней. Помехоустойчивость линии связи определяет ее способность уменьшать на внутренних проводниках уровень помех, создаваемых во внешней среде. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных.

Представление дискретной информации в том или ином виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим кодированием. Логическое кодирование подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей дополнительными свойствами.

Для передачи дискретных данных по линиям связи с узкой полосой частот применяется аналоговая модуляция, при которой информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. Для мультиплексирования линий связи используются технологии частотного, временного и волнового мультиплексирования.

Контрольные вопросы и задания

1. Приведите классификацию линий связи.

2. Охарактеризуйте наиболее распространенные кабельные линии связи.

3. Представьте основные беспроводные линии связи и дайте их сравнительную характеристику.

4. Из-за каких физических факторов каналы связи искажают передаваемые сигналы?

5. Что такое амплитудно-частотная характеристика канала связи?

6. В каких единицах измеряется пропускная способность канала связи?

7. Опишите понятие «помехоустойчивость линии связи».

8. Что определяет характеристика «достоверность передачи данных» и в каких единицах она измеряется?

9. Что такое «аналоговая модуляция» и какие ее виды применяется для передачи дискретных данных?

10. Какое устройство выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и ее демодуляции на приемной стороне?

11. Укажите различие между потенциальным и импульсным кодированием цифровых сигналов.

12. Что представляют собой самосинхронизирующиеся коды?

13. С какой целью используется логическое кодирование цифровых сигналов и какие методы при этом применяются?

14. Опишите технологию частотного мультиплексирования линий связи.

15. Каковы особенности технологии мультиплексирования с разделением времени?

16. Какая технология мультиплексирования применяется в волоконно-оптических кабелях для организации дуплексного режима работы при использовании только одного оптического волокна?

17. Для каких целей разработана технология плотного волнового мультиплексирования?

Передаваемая по линии связи информация обычно подвергается специальному кодированию, которое способствует повышению надежности передачи. При этом неизбежны дополнительные аппаратурные затраты на кодирование и декодирование, и увеличивается стоимость адаптеров сети.

Кодирование передаваемой по сети информации имеет отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. На­пример, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависит также сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации.

Для передачи дискретных данных по каналам связи применяется два способа физического кодирования исходных дискретных данных - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называют аналоговой модуляцией, т.к. кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала (амплитуды, фазы, частоты). Второй способ называютцифровым кодированием . В настоящее время данные, имеющие аналоговую форму (речь, телевизионное изображение) передаются по каналам связи в дискретном виде. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называютдискретной модуляцией.

5.1Аналоговая модуляция

Представление дискретных данных в виде синусоидального сигнала называется аналоговой модуляцией . Аналоговая модуляция позволяет представить информацию, как синусоидальный сигнал с разными уровнями амплитуды, или фазы, или частоты. Можно использовать также комбинации изменяющихся параметров - амплитуда и частота, амплитуда-фаза. Например, если сформировать синусоидальный сигнал с четырьмя уровнями амплитуды и четырьмя уровнями частоты, это даст 16 состояний информационного параметра, и значит 4 бита информации за одно его изменение.

Различают три основных способа аналоговой модуляции:

амплитудная,

частотная,

Амплитудная модуляция.(АМ) При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля – другой (см. рис. 5.1). Частота сигнала остается постоянной. Этот способ редко используются в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

Рис. 5.1 Различные типы модуляции

Частотная модуляция. ( ЧМ ) При частотной модуляции значения логического 0 и логической 1 исходных данных передают синусоидами с различной частотой – f 1 и f 2 (см. рис. 5.1). Амплитуда сигнала остается постоянной. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах.

Фазовая модуляция. (ФМ) При фазовой модуляции значениям логических 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой (перевернутые), например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов. Результирующий сигнал похож на последовательность перевернутых синусоид(см. рис. 5.1). Амплитуда и частота сигнала остаются постоянными.

Для увеличения скорости передачи (повышения количества бит за один такт информационного параметра) используются комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенны методы квадратурной амплитудной модуляции (Q uadrature Amplitude Modulation , QAM) . Эти методы используют такое сочетание - фазовая модуляция с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудная модуляция с 4 уровнями амплитуды. При таком способе возможно 32 комбинаций сигнала. И хоть используются далеко не все, но все равно скорость существенно повышается, а за счет избыточности можно контролировать ошибки при передаче данных. Например, в некоторых кодах допустимы всего 6,7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

Определим на каких линиях может работать аналоговая модуляция, и в какой степени этот метод удовлетворяет пропускную способность той или иной используемой линии передачи для чего рассмотрим спектр результирующих сигналов. Например, возьмем способ амплитудной модуляции. Спектр результирующего сигнала при амплитудной модуляции будет состоять из синусоиды несущей частоты f с и двух боковых гармоник:

(f с - f m ) и (f с + f m ), гдеf m - частота модуляции (изменения информационного параметра синусоиды), которая будет совпадать со скоростью передачи данных, если использовать два уровня амплитуды.

Рис. 5.2 Спектр сигнала при амплитудной модуляции

Частота f m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной2f m см. рис.5.2), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна2f m .

Таким образом, при амплитудной модуляции результирующий сигнал имеет узкий спектр.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по линиям с узкими полосами пропускания. Типичным представителем таких линий является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей.

Из типичной амплитудно-частотной характеристики канала тональной частоты видно, что этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, и таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3 АЧХ канала тональной частоты

Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, - для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Таким образом, для канала тональной частоты амплитудная модуляция обеспечивает скорость передачи данных не более чем 3100/2=1550бит/с. Если использовать несколько уровней информационного параметра (4 уровня амплитуды), то пропускная способность канала тональной частоты повышается в два раза.

Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче инфор­мации по каналу с узкой полосой пропускания, например по телефонным линиям в глобальных сетях. В локальных сетях оно применяется редко из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодиру­ющего оборудования.

В настоящее время практически все оборудование, которое работает с аналоговыми сигналами, разрабатывается на базе дорогостоящих микросхем DSP (Digital Signal Procerssor) . При этом после модуляции и передачи сигнала нужно проводить демодуляцию при приеме, а это опять дорогостоящее оборудование. Для выполнения функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, используется специальное устройство, которое так и называетсямодем (модулятор-демодулятор) . Модем на 56000 бит/с стоит 100$, а сетевая карта на 100 Мбит/с стоит 10$.

В заключении приведем достоинства и недостатки аналоговой модуляции.

Аналоговая модуляция имеет много различных информационных параметров: амплитуда, фаза, частота. Каждый из этих параметров может принимать несколько состояний за одно изменение несущего сигнала. И, следовательно, результирующий сигнал может передавать большое количество бит за секунду.

Аналоговая модуляция обеспечивает результирующий сигнал с узким спектром, и поэтому она хороша там, где нужно работать на плохих линиях (с узкой полосой пропускания), она способна там обеспечивать высокою скоростью передачи. Аналоговая модуляция способна работать и на хороших линиях, здесь особенно важно еще одно достоинство аналоговой модуляции - возможность сдвигать спектр в нужную область, в зависимости от полосы пропускания используемой линии.

Аналоговая модуляция сложно реализуется и оборудование, которое занимается этим очень дорогостоящее.

Аналоговая модуляция применяется там, где без нее нельзя обойтись, но в локальных сетях используют другие методы кодирования, для реализации которых нужно простое и дешевое оборудование. Поэтому, чаще всего в локальных сетях при передаче данных в линиях связи используется второй метод физического кодирования - цифровое кодирование

5. 2.Цифровое кодирование

Цифровое кодирование - представление информации прямоугольными импульсами. Для цифрового кодирования используютпотенциальные иимпульсные коды.

Потенциальные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используются только значение потенциала сигнала в период такта, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Важно только какое значение в период такта имеет результирующий сигнал.

Импульсные коды. Импульсные коды представляют логический ноль и логическую единицу либо импульсами определенной полярности, или частью импульса - перепадом потенциала определенного направления. В значение импульсного кода включается весь импульс вместе с его перепадами.

Определим требования к цифровому кодированию. Например, нам необходимо произвести передачу дискретных данных (последовательность логических нулей и единиц) с выхода одного компьютера - источника - ко входу другого компьютера - приемника по линии связи.

1. Для передачи данных мы имеем линии связи, которые не пропускают все частоты, они имеют определенные пропускные способности в зависимости от своего типа. Поэтому при кодировании данных нужно учитывать, чтобы в закодированные данные "пропускались" линией связи.

2. Последовательности дискретных данных необходимо закодировать в виде цифровых импульсов определенной частоты. При этом, конечно лучше всего добиться:

а) чтобы частоты закодированных сигналов были низкими, чтобы обеспечивать в общем случае соответствие полосам пропускания линий связи.

б) чтобы закодированные сигналы обеспечивали высокую скорость передачи.

Таким образом, хороший код должен иметь меньше Герц и больше бит за секунду.

3. Данные, которые необходимо передавать - это непредсказуемо изменяющиеся последовательности логических нулей и единиц.

Пусть мы определенным способом закодируем эти данные цифровыми импульсами, то как нам определить какая частота у результирующего сигнала? Для того, чтобы определить нам максимальную частоту цифрового кода достаточно рассмотреть результирующий сигнал при кодировании частных последовательностей таких как:

последовательность логических нулей

последовательность логических единиц

чередующаяся последовательность логических нулей и единиц

Дальше необходимо разложить сигнал методом Фурье, найти спектр, определить частоты каждой гармоники и найти суммарную частоту сигнала при этом важно, чтобы основной спектр сигнала попадал в полосу пропускания линии связи. Чтобы не проделывать все эти вычисления достаточно попытаться определить основную гармонику спектра сигнала, для этого необходимо по форме сигнала угадать первую синусоиду, которая повторяет его контур его формы, затем найти период этой синусоиды. Период - это расстояние между двумя изменениями сигнала . Затем можно определить и частоту основной гармоники спектра сигнала какF = 1/T , гдеF - частота,Т - период сигнала. Для удобства дальнейших расчетов примем, что битовая скорость изменения сигнала равнаN .

Такие расчеты можно провести для каждого метода цифрового кодирования, чтобы определить частоту результирующего сигнала. Результирующий сигнал в цифровом кодировании - это определенная последовательность прямоугольных импульсов. Чтобы представить последовательность прямоугольных импульсов в виде суммы синусоид для нахождения спектра, необходимо большое количество таких синусоид. Спектр последовательности прямоугольных сигналов, в общем случае, будет значительно более широким, по сравнению с модулированными сигналами.

Если применить цифровой код для передачи данных на канале тональной частоты, то верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц.

Поэтому цифровые коды на каналах тональной частоты просто никогда не используются. Но зато они очень неплохо работают в локальных сетях, которые не используют для передачи данных телефонные линии.

Таким образом,цифровое кодирование требует для качественной передачи широкую полосу пропускания.

4. При передачи информации по линиям связи от узла-источника к узлу-приемнику необходимо обеспечить такой режим передачи, при котором приемник всегда будет точно знать, в какой момент времени он принимает данные от источника, т.е нужно обеспечить синхронизацию источника и приемника. В сетях проблема синхронизации решается сложнее, чем при обмене данными между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи. В такой схеме информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса (см. рис.5.4).

Рис. 5.4 Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

Такой вариант синхронизации абсолютно не подходит для любой сети из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Еще одна причина, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, - экономия проводников в дорогостоящих кабелях. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды .

Самосинхронизирующиеся коды - сигналы, которые несут для приемника указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемыйфронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком. Примером самосинхронизирующегося кода может быть синусоида. Так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода. Но это касается аналоговой модуляции. В цифровом кодировании также существуют методы, которые создают самосинхронизирующиеся коды, но об этом позже.

Таким образом, хороший цифровой код должен обеспечивать синхронизацию

Рассмотрев требования к хорошему цифровому коду, перейдем к рассмотрению самих методов цифрового кодирования

5. 2.1Потенциальный код без возвращения к нулю NRZ

Этот код получил такое название потому, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит).

Код NRZ (Non Return to Zero) - без возврата к нулю - это простейший двухуровневый код. Результирующий сигнал имеет два уровня потенциала:

Нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Информационные переходы происходят на границе битов.

Рассмотрим три частных случая передачи данных кодом NRZ : чередующаяся последовательность нулей и единиц, последовательность нулей и последовательность единиц (см. рис. 5.5,а).

Рис. 5.5 Код NRZ

Попытаемся определить удовлетворяет ли этот код перечисленным требованиям. Для этого необходимо определить основную гармонику спектра при потенциальном кодировании в каждом из представленных случаев, чтобы точнее определить какие код NRZ имеет требования к используемой линии связи.

Первый случай - передается информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей (см. рис. 5.5,б).

Этот рисунок показывает, что при чередовании единиц и нулей за один такт будет передаваться два бита 0 и 1. При форме синусоиды показанной на рис. 4.22,б При N - битовой скорости передачи период этой синусоиды равенT = 2N . Частота основная гармоника в этом случае равнаf 0 = N/2 .

Как видно, при такой последовательности этого кода скорость передачи данных вдвое превышает частоту сигнала.

При передаче последовательностей нулей и единиц результирующий сигнал - постоянный ток частота изменения сигнала равна нулю f 0 = 0 .

Спектр реального сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи и следует опасаться передач длинных последовательностей нулей или единиц, которые сдвигают спектр сигнала в сторону низких частот. Т.к. код NRZ при передаче длинных последовательностей нулей или единиц имеет постоянную составляющую.

Из теории сигналов известно, что к спектру передаваемого сигнала помимо требований к ширине, выдвигают еще одно очень важное требование - отсутствие постоянной составляющей (наличия постоянного тока между приемником и передатчиком), потому как применение различныхтрансформаторных развязок в линии связи не пропускает постоянный ток.

Следовательно, часть информации просто будет игнорироваться этой линией связи. Поэтому на практике всегда стараются избавиться от присутствия постоянной составляющей в спектре несущего сигнала уже на этапе кодирования.

Таким образом, мы определили еще одно требование к хорошему цифровому коду цифровой код не должен иметь постоянной составляющей.

Еще одним недостатком NRZ является -отсутствие синхронизации . В этом случае помогут только дополнительные методы синхронизации, о которых мы поговорим позже.

Одним из основных достоинств кода NRZ является простота. Для того, чтобы сгенерировать прямоугольные импульсы необходимы два транзистора, а для осуществления аналоговой модуляции нужны сложные микросхемы. Потенциальный сигнал не надо кодировать и декодировать, поскольку такой же способ применяется и для передачи данных внутри компьютера.

В результате всего показанного выше сделаем несколько выводов, которые помогут нам и при рассмотрении других методов цифрового кодирования:

NRZ очень прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов).

NRZ имеет постоянную составляющую при передаче нулей и единиц, что делает его невозможным для передачи в линиях с трансформаторными развязками.

NRZ - не самосинхронизирующийся код и это усложняет его передачу в любой линии.

Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fо, которая равна N/2 Гц, как это было показано выше. Таким образом, код NRZ работает на низких частотах от 0 до N/2 Гц.

В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, в которых с успехом устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей.

Следующие методы цифрового кодирования разрабатывались с целью каким-то образом улучшить возможность кода NRZ

5. 2.2. Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI) является модификацией метода NRZ.

В этом методе используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Три уровня сигнала - это недостаток кода потому, чтобы различить три уровня необходимо лучшее соотношение сигнал/шум на входе в приемник. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с двухуровневыми кодами. В коде AMIдля кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Рис. 5.6 Код AMI

Такой прием кодирования частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ при передаче длинных последовательностей единиц. Но остается для него проблема постоянной составляющей при передаче последовательностей нулей (см. рис. 5.6).

Рассмотрим частные случаи работы кода, и определим основную гармонику спектра результирующего сигнала для каждого из них. При последовательности нулей - сигнал - постоянный ток - fo = 0 (рис. 5.7,а)

Рис. 5.7 Определение основных частот спектра для AMI

По этой причине код AMI также требует дальнейшего улучшения. При передаче последовательности единиц сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой fo = N/2 Гц.

При передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo = N/4 Гцчто в два раза меньше чем у кода NRZ.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation) .

Можно сделать следующие выводы:

AMI ликвидирует постоянную составляющую при передаче последовательности единиц;

AMI имеет узкий спектр - от N/4 - N/2;

AMI частично ликвидирует проблемы синхронизации

AMI использует не два, а три уровня сигнала на линии и это его недостаток, но его удалось устранить следующему методу.

5. 2.3 Потенциальный код с инверсией при единице NRZI

Этот код полностью похож на код AMI, но только использует два уровня сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный.

Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) .

Он удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота.

Рис. 5.8 Код NRZI

Код NRZIотличается по форме результирующего сигнала от кода AMI, но если вычислить основные гармоники, для каждого случая, то окажется, что они такие же. Для последовательности чередующихся единиц и нулей основная частота сигналаfо=N/4. (см. рис. 5.9,а). Для при последовательности единиц -fо=N/2. При последовательности нулей сохраняется тот же недостатокfо=0 - постоянный ток в линии.

Рис. 5.9 Определение основных частот спектра для NRZI

Выводы следующие:

NRZI - обеспечивает те же возможности, что и код AMI, но использует для этого только два уровня сигнала и поэтому более приемлем для дальнейшего усовершенствования. Недостатки NRZI - постоянная составляющая при последовательности нулей, и отсутствие синхронизации при передаче. Код NRZI стал основным при разработке более улучшенных методов кодирования на более высоких уровнях.

5. 2.4 Код MLT3

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) имеет много общего с кодом NRZI. Важнейшее его отличие - три уровня сигнала.

Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня линейного сигнала происходит только в том случае, если на вход поступает единица, однако в отличие от кода NRZI алгоритм формирования выбран таким образом, чтобы два соседних изменения всегда имели противоположные направления.

Рис. 5.10 Потенциальный код MLT-3

Рассмотрим частные случаи, как и во всех предыдущих примерах.

При передаче нулей сигнал он имеет также постоянную составляющую, сигнал не меняется -fо = 0 Гц. (См. рис.5.10). При передаче всех единиц информационные переходы фиксируются на границе битов, и один цикл сигнала вмещает четыре бита. В этом случаеfо=N/4 Гц - максимальная частота кодаMLT-3 при передаче всех единиц (рис.5.11,а).

Рис. 5.11 Определение основных частот спектра для MLT-3

В случае чередующейся последовательности код MLT-3 имеет максимальную частоту равнуюfо=N/8 , что в два раза меньше чем у кода NRZI, следовательно, этот код имеет более узкую полосу пропускания.

Как вы заметили, недостаток кода MLT-3, как и кода NRZI - отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью дополнительного преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации. Общий вывод можно сделать следующий - применение трехуровневого кодирования МLТ-3 позволяет уменьшить тактовую частоту линейного сигнала и тем самым увеличить скорость передачи.

5. 2.5 Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом.

Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код , в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой. Каждый импульс длится половину такта (рис. 5.12). Биполярный импульсный код - трехуровневый код. Рассмотрим результирующие сигналы при передаче данных биполярным кодированием в тех же частных случаях.

Рис. 5.12 Биполярный импульсный код

Особенностью кода является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, и называют самосинхронизирующимися . Рассмотрим спектр сигналов для каждого случая (рис. 5.13). При передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кодаfо=N Гц , что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI. При передаче чередующихся единиц и нулей -fо=N/2

Рис. 5.13 Определение основных частот спектра для биполярного импульсного кода.

Этот недостаток кода не дает выигрыша в скорости передачи данных и явно свидетельствует о том, что импульсные коды медленнее потенциальных.

Например, для передачи данных по линии со скоростью 10 Мбит/с требуется частота несущего сигнала 10 МГц. При передаче последовательности чередующихся нулей и единиц скорость возрастает, но не намного, т.к частота основной гармоники кода fо=N/2 Гц.

Биполярный импульсный код имеет большое преимущество, по сравнению с предыдущими кодами, - он самосинхронизирующийся.

Биполярный импульсный код имеет широкий спектр сигнала, и поэтому более медленный.

Биполярный импульсный код использует три уровня.

5. 2.6 Манчестерский код

Манчестерский код был разработан, как усовершенствованный биполярный импульсный код. Манчестерский код также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от биполярного кода имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Это происходит следующим образом:

Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд.

Рассмотрим частные случаи кодирования (последовательности из чередующихся нулей и единиц, одних нулей, одних единиц), а потом будем определять основные гармоники для каждой из последовательностей(см. рис. 5.14) . Во всех случаях можно заметить, что при манчестерском кодировании изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Поэтому манчестерский код и обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами.

Рис. 5.14 Манчестерский код

Самосинхронизация всегда дает возможность передачи больших пакетов информации без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

Итак, определим основную частоту при передаче только единиц или только нулей.

Рис. 5.15 Определение основных частот спектра для манчестерского кода.

Как видно при передаче, как нулей, так и единиц, постоянная составляющая отсутствует. Частота основной гармоники fо=N Гц , как и при биполярном кодировании. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов в линиях связи может выполняться простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов. При передаче чередующихся единиц и нулей частота основной гармоники равнаfо=N/2 Гц .

Таким образом, манчестерский код это улучшенный биполярный код, улучшенный за счет использования для передачи данных только двух уровней сигнала, а в не трех, как в биполярном. Но этот код по-прежнему остается медленным по сравнению с NRZI, который в два раза быстрее.

Рассмотрим пример. Возьмем для передачи данных линию связи с полосой пропускания 100 МГц и скоростью100 Мбит . Если раньше мы определяли скорость передачи данных при заданной частоте, теперь нам нужно определить частоту сигнал при заданной скорости линии. Исходя из этого определяем, что для передачи данных кодом NRZI нам достаточно диапазона частоты от N/4-N/2- это частоты от 25 -50 МГц, эти частоты входят в полосу пропускания нашей линии - 100 МГц. Для манчестерского кода нам нужен диапазон частот от N/2 до N - это частоты от 50 до 100 MГц, в этом диапазоне находятся основные гармоники спектра сигнала. Для кода Манчестера он не удовлетворяет полосе пропускания нашей линии, и, следовательно, такой сигнал линия будет передавать с большими искажениями (такой код нельзя использовать на этой линии).

5.2.7Дифференциальный манчестерский (Differential Manchester) код.

Дифференциальный манчестерский код является разновидностью манчестерского кодирования. Середину тактового интервала линейного сигнала он использует только для синхронизации, и на ней всегда происходит смена уровня сигнала. Логические 0 и 1 передаются наличием или отсутствием смены уровня сигнала в начале тактового интервала соответственно (Рис. 5.16)

Рис. 5.16 Дифференциальный манчестерский код

Этот код обладает теми же самыми преимуществами и недостатками, что и манчестерский. Но, на практике используется именно дифференциальный манчестерский код.

Таким образом, манчестерский код раньше (когда высокоскоростные линии были большой роскошью для локальной сети) очень активно использовался в локальных сетях, из-за своей самосинхронизации и отсутствия постоянной составляющей. Он и сейчас находит широкое применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Однако в последнее время разработчики пришли к выводу, что лучше все-таки применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью средствами так называемого логического кодирования .

5.2.8Потенциальный код 2B1Q

Код 2B1Q - потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Его название отражает его суть - каждые два бита(2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния(1Q) .

Паре бит 00 соответствует потенциал(-2,5 В) , паре бит01 соответствует потенциал(-0,833 В) , паре11 - потенциал(+0,833 В) , а паре10 - потенциал (+2,5 В) .

Рис. 5.17 Потенциальный код 2B1Q

Как видно на рисунке 5.17, этот способ кодирования требует дополнительных мер по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. Следовательно, при передаче, как нулей, так и единиц fо=0 Гц. При чередовании единиц и нулей спектр сигнала в два раза уже, чем у кодаNRZ , так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза -fо=N/4 Гц .

Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня потенциала (-2,5В, -0,833 В, +0,833 В, +2,5 В) четко различались приемником на фоне помех.

5. 2.9 Код PAM5

Все рассмотренные нами выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.

При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более. В пятиуровневом коде PAM 5 используется 5 уровней напряжения (амплитуды) и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается свой уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени -00, 01, 10, 11 ). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал/шум.

Рис. 5.18 Код PAM 5

5. 3. Логическое кодирование

Логическое кодирование выполняется дофизического кодирования .

На этапе логического кодирования уже не формируется форма сигналов, а устраняются недостатки методов физического цифрового кодирования, таких как - отсутствие синхронизации, наличие постоянной составляющей. Таким образом, сначала с помощью средств логического кодирования формируются исправленные последовательности двоичных данных, которые потом с помощью методов физического кодирования передаются по линиям связи.

Логическое кодирование подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов.

Разделяют два метода логического кодирования:

Избыточные коды

Скрэмблирование.

5. 3.1 Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Явный пример избыточного кода - логический код 4В/5В.

Логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Таким образом, пяти-битовая схема дает 32 (2 5) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. В то время как исходные данные могут содержать только четыре бита или 16 (2 4) символов.

Поэтому в результирующем коде можно подобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). В этом случае длинные последовательности нулей прерываются, и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут, и только "занимают эфирное время". Избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Итак, рассмотрим работу логического кода 4В/5В . Преобразованный сигнал имеет16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений . В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы.

Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов - исключены.

Исключены комбинации, имеющие более трех нулей (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Такие сигналы интерпретируются символомV и командой приемникаVIOLATION - сбой. Команда означает наличие ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей(00 - 00000 ) относится к служебным сигналам, означает символQ и имеет статусQUIET - отсутствие сигнала в линии.

Такое кодирование данных решает две задачи - синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей, а высокая помехоустойчивость достигается приемником данных на пяти-битовом интервале.

Цена за эти достоинства при таком способе кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации. К примеру, В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных4B/5B уменьшается соответственно на 25%.

Схема кодирования 4В/5В представлена в таблице.

Двоичный код 4В	Результирующий код 5В

Итак, соответственно этой таблице формируется код 4В/5В , затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей - например, в помощью цифрового кода NRZI.

Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английскогоbinary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода8В/6Т выше, чем кода4В/5В , так как на 256 исходных кодов приходится 3 6 =729 результирующих символов.

Как мы говорили, логическое кодирование происходит до физического, следовательно, его осуществляют оборудование канального уровня сети: сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов. Поскольку, как вы сами убедились, использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому метод логического кодирования избыточными кодами не усложняет функциональные требования к этому оборудованию.

Единственное требование - для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой125 МГц . При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее, спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Таким образом, можно сделать следующий вывод:

В основном для локальных сетей проще, надежней, качественней, быстрей - использовать логическое кодирование данных с помощью избыточных кодов, которое устранит длительные последовательности нулей и обеспечит синхронизацию сигнала, потом на физическом уровне использовать для передачи быстрый цифровой код NRZI , нежели без предварительного логического кодирования использовать для передачи данных медленный, но самосинхронизирующийсяманчестерский код .

Например, для передачи данных по линии с пропускной способностью 100М бит/с и полосой пропускания 100 МГц, кодом NRZI необходимы частоты 25 - 50 МГц, это без кодирования 4В/5В. А если применить для NRZI еще и кодирование 4В/5В, то теперь полоса частот расширится от 31,25 до 62,5 МГц. Но тем не менее, этот диапазон еще "влазит" в полосу пропускания линии. А для манчестерского кода без применения всякого дополнительного кодирования необходимы частоты от 50 до 100 МГц, и это частоты основного сигнала, но они уже не будут пропускаться линией на 100 МГц.

5. 3.2 Скрэмблирование

Другой метод логического кодирования основан на предварительном "перемешивании" исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой.

Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка) .

При скремблировании данные перемешиваються по определенному алгоритму и приемник, получив двоичные данные, передает их надескрэмблер , который восстанавливает исходную последовательность бит.

Избыточные биты при этом по линии не передаются.

Суть скремблирования заключается просто в побитном изменении проходящего через систему потока данных. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах является XOR - "побитное исключающее ИЛИ" , или еще говорят - сложение помодулю 2 . При сложении двух единиц исключающим ИЛИ отбрасывается старшая единица и результат записывается - 0.

Метод скрэмблирования очень прост. Сначала придумывают скрэмблер. Другими словами придумывают по какому соотношению перемешивать биты в исходной последовательности с помощью "исключающего ИЛИ". Затем согласно этому соотношению из текущей последовательности бит выбираются значения определенных разрядов и складываются по XOR между собой. При этом все разряды сдвигаются на 1 бит, а только что полученное значение ("0" или "1") помещается в освободившийся самый младший разряд. Значение, находившееся в самом старшем разряде до сдвига, добавляется в кодирующую последовательность, становясь очередным ее битом. Затем эта последовательность выдается в линию, где с помощью методов физического кодирования передается к узлу-получателю, на входе которого эта последовательность дескрэмблируется на основе обратного отношения.

Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

где Bi - двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера,Ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера,B i-3 и B i-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта,- операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Теперь давайте, определим закодированную последовательность, например, для такой исходной последовательности 110110000001 .

Скрэмблер, определенный выше даст следующий результирующий код:

B 1 = А 1 = 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр)

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111 . В которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения.

Существуют другие различные алгоритмы скрэмблирования, они отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми.

Главная проблема кодирования на основе скремблеров - синхронизация передающего (кодирующего) и принимающего (декодирующего) устройств . При пропуске или ошибочном вставлении хотя бы одного бита вся передаваемая информация необратимо теряется. Поэтому, в системах кодирования на основе скремблеров очень большое внимание уделяется методам синхронизации.

На практике для этих целей обычно применяется комбинация двух методов:

а) добавление в поток информации синхронизирующих битов, заранее известных приемной стороне, что позволяет ей при ненахождении такого бита активно начать поиск синхронизации с отправителем,

б) использование высокоточных генераторов временных импульсов, что позволяет в моменты потери синхронизации производить декодирование принимаемых битов информации "по памяти" без синхронизации.

Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования.

Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

Рис. 5. 19 Коды B8ZS и HDB3

На этом рисунке показано использование метода B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и методаHDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей (8- в первом случае и 5 во втором).

Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр:V-1*-0-V-1* .V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы,1 * - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей.

Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые 4 подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигналаV чередуется при последовательных заменах.

Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V , а если число единиц было четным - последовательность1*00V .

Таким образом, применение логическое кодирование совместно с потенциальным кодированием дает следующие преимущества:

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. В результате коды, полученные из потенциального путем логического кодирования, обладают более узким спектром, чем манчестерский, даже при повышенной тактовой частоте.