Två huvudtyper av fysisk kodning används - baserad på en sinusformad bärvågssignal (analog modulering) och baserad på en sekvens av rektangulära pulser (digital kodning).

Analog modulering - för överföring av diskreta data över en kanal med en smal bandbredd- telefonnätens röstfrekvenskanal (bandbredd från 300 till 3400 Hz) En enhet som utför modulering och demodulering - ett modem.

Analoga moduleringsmetoder

n amplitudmodulering (låg brusimmunitet, används ofta i samband med fasmodulering);

n frekvensmodulering (komplicerad teknisk implementering, används vanligtvis i låghastighetsmodem).

n fasmodulering.

Spektrum för den modulerade signalen

Potentiell kod- om diskret data sänds med en hastighet av N bitar per sekund, så består spektrumet av en konstant komponent med nollfrekvens och en oändlig serie övertoner med en frekvens på f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., där f0 = N/2. Amplituden för dessa övertoner minskar långsamt - med koefficienter på 1/3, 1/5, 1/7, ... av amplituden f0. Spektrum av den resulterande potentialkodsignalen vid sändning av godtyckliga data upptar ett band från något värde nära O till ungefär 7f0. För en röstfrekvenskanal nås den övre gränsen för överföringshastigheten vid en datahastighet på 971 bitar per sekund, och den undre gränsen är oacceptabel för alla hastigheter, eftersom kanalbandbredden börjar vid 300 Hz. Det vill säga att potentiella koder inte används på röstfrekvenskanaler.

Amplitudmodulering- spektrumet består av en sinusform av bärvågsfrekvensen fc och två sidoövertoner fc+fm och fc-fm, där fm är ändringsfrekvensen för informationsparametern för sinusoiden, som sammanfaller med datahastigheten vid användning av två amplitudnivåer. Frekvensen fm bestämmer linjekapaciteten för en given kodningsmetod. Med en liten moduleringsfrekvens kommer signalspektrumbredden att vara ännu liten (lika med 2fm), och signalerna kommer inte att förvrängas av linjen om bandbredden är större än eller lika med 2fm. För en röstfrekvenskanal är denna metod acceptabel vid en dataöverföringshastighet som inte är högre än 3100 / 2 = 1550 bitar per sekund.

Fas- och frekvensmodulering- Spektrumet är mer komplext, men symmetriskt, med ett stort antal snabbt avtagande övertoner. Dessa metoder är lämpliga för röst-frekvenskanalöverföring.

Kvadraturamplitudmodulering (Quadrate Amplitude Modulation) - fasmodulering med 8 fasskiftvärden och amplitudmodulering med 4 amplitudvärden. Inte alla 32 signalkombinationer används.

Digital kodning

Potentiella koder- för att representera logiska ettor och nollor används endast värdet på signalpotentialen, och dess fall, som formulerar fullständiga pulser, tas inte med i beräkningen.

Pulskoder- representerar binära data antingen genom pulser med en viss polaritet, eller av en del av pulsen - genom ett potentialfall i en viss riktning.

Krav för den digitala kodningsmetoden:

Den hade den minsta spektrumbredden av den resulterande signalen med samma bithastighet (ett smalare signalspektrum gör att du kan uppnå en högre datahastighet på samma linje, det finns också ett krav på frånvaron av en konstant komponent, det vill säga närvaron av en likström mellan sändaren och mottagaren);

Tillhandahåller synkronisering mellan sändaren och mottagaren (mottagaren måste veta exakt vid vilken tidpunkt för att läsa den nödvändiga informationen från linjen, i lokala system- tidslinjer, i nätverk - självsynkroniserande koder, vars signaler bär instruktioner för sändaren om vid vilken tidpunkt nästa bit ska kännas igen);

Hade förmågan att känna igen misstag;

Har en låg kostnad för implementering.

Potentiell kod utan återgång till noll. NRZ (Non Return to Zero). Signalen återgår inte till noll inom en cykel.

Den är lätt att implementera, har bra feldetektering på grund av två skarpt olika signaler, men har inte egenskapen att synkronisera. Vid sändning av en lång sekvens av nollor eller ettor ändras inte signalen på linjen, så mottagaren kan inte avgöra när datan behöver läsas igen. En annan nackdel är närvaron av en lågfrekvent komponent, som närmar sig noll när man sänder långa sekvenser av ettor och nollor. I sin rena form används koden sällan, modifieringar används. Attraktionskraft - låg frekvens för grundtonen f0 = N /2.

Bipolär kodningsmetod med alternativ inversion. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), en modifiering av NRZ-metoden.

Nollpotential används för att koda noll, en logisk enhet kodas antingen av en positiv potential eller en negativ, medan potentialen för varje nästa enhet är motsatt potentialen för den föregående. Eliminerar delvis problemen med den konstanta komponenten och bristen på självsynkronisering. Vid sändning av en lång sekvens av ettor, en sekvens av pulser med olika polaritet med samma spektrum som NRZ-koden sänder en sekvens av alternerande pulser, det vill säga utan en konstant komponent och den grundläggande övertonen N / 2. Generellt sett resulterar användningen av AMI i ett smalare spektrum än NRZ, och därmed högre länkkapacitet. Till exempel, när man sänder alternerande nollor och ettor, har grundövertonen f0 en frekvens på N/4. Det är möjligt att känna igen felaktiga sändningar, men för att säkerställa tillförlitlig mottagning krävs en ökning av effekten med cirka 3 dB, eftersom sanna signalnivåer används.

Potentiell kod med inversion vid enhet. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) AMI-liknande kod men med två signalnivåer. Vid överföring av noll överförs potentialen för föregående cykel, och vid överföring av en inverteras potentialen till den motsatta. Koden är praktisk i fall där användningen av den tredje nivån inte är önskvärd (optisk kabel).

Två metoder används för att förbättra AMI, NRZI. Den första är att lägga till redundanta enheter till koden. Egenskapen för självsynkronisering visas, den konstanta komponenten försvinner och spektrumet smalnar av, men den användbara bandbredden minskar.

En annan metod är att "blanda" den initiala informationen på ett sådant sätt att sannolikheten för utseendet av ettor och nollor på linjen blir nära - kryptering. Båda metoderna är logisk kodning, eftersom de inte bestämmer formen på signalerna på linjen.

Bipolär pulskod. En etta representeras av en impuls med en polaritet, och en nolla representeras av en annan. Varje puls varar en halv cykel.

Koden har utmärkta självtimingsegenskaper, men det kan finnas en DC-komponent när man sänder en lång sekvens av nollor eller ettor. Spektrumet är bredare än potentiella koder.

Manchester kod. Den vanligaste koden som används i Ethernet-nätverk är Token Ring.

Varje åtgärd är uppdelad i två delar. Informationen kodas av potentiella fall som inträffar i mitten av cykeln. En enhet kodas av en låg-till-hög-övergång, och en nolla kodas av en omvänd övergång. I början av varje cykel kan en overheadsignalflank uppstå om flera 1:or eller 0:or behöver representeras i rad. Koden har utmärkta självsynkroniserande egenskaper. Bandbredden är smalare än för en bipolär puls, det finns ingen konstant komponent, och den grundläggande övertonen har en frekvens på N i värsta fall och N/2 i bästa fall.

Potentiell kod 2B1Q. Varannan bit sänds i en cykel av en fyrtillståndssignal. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Krävs ytterligare medel för att hantera långa sekvenser av identiska bitpar. Med slumpmässig bitinterleaving är spektrumet dubbelt så smalt som det för NRZ, eftersom cykeltiden vid samma bithastighet fördubblas, det vill säga det är möjligt att överföra data dubbelt så snabbt på samma linje än att använda AMI, NRZI, men det behövs mer sändareffekt.

Logisk kodning

Designad för att förbättra potentiella koder som AMI, NRZI, 2B1Q, ersätter långa sekvenser av bitar som leder till en konstant potential, varvat med ettor. Två metoder används - redundant kodning och förvrängning.

Redundanta koder bygger på att dela upp den ursprungliga sekvensen av bitar i delar, som ofta kallas tecken, varefter varje originaltecken ersätts av ett nytt som har fler bitar än det ursprungliga.

4B/5B-koden ersätter 4-bitars sekvenser med 5-bitars sekvenser. Då erhålls istället för 16 bitars kombinationer 32. Av dessa väljs 16 som inte innehåller ett stort antal nollor, resten anses vara förbjudna koder (kodöverträdelse). Förutom att ta bort DC och göra koden självsynkroniserande tillåter redundanta koder mottagaren att känna igen skadade bitar. Om mottagaren tar emot förbjudna koder har signalen förvrängts på linjen.

Denna kod sänds över linjen med användning av fysisk kodning med användning av en av de potentiella kodningsmetoderna som är känslig endast för långa sekvenser av nollor. Koden garanterar att det inte blir fler än tre nollor i rad på raden. Det finns andra koder, som 8V/6T.

För att säkerställa den specificerade bandbredden måste sändaren arbeta med en ökad klockfrekvens (för 100 Mb/s - 125 MHz). Signalens spektrum expanderar jämfört med originalet, men förblir smalare än Manchester-kodens spektrum.

Scrambling - blanda data med en scrambler innan den överförs från linjen.

Förvrängningsmetoder består i bit-för-bit-beräkning av den resulterande koden baserat på bitarna i källkoden och bitarna av den resulterande koden som erhållits i tidigare cykler. Till exempel,

B i \u003d A i xor B i -3 xor B i -5,

där Bi är den binära siffran för den resulterande koden som erhålls vid den i:e cykeln av förvrängaren, Ai är den binära siffran i källkoden som anländer till den i:te cykeln vid ingången av förvrängaren, Bi -3 och B i -5 är de binära siffrorna i den resulterande koden som erhållits vid de föregående arbetscyklerna.

För sekvensen 110110000001 kommer förvrängaren att ge 110001101111, det vill säga det kommer inte att finnas någon sekvens med sex på varandra följande nollor.

Efter att ha mottagit den resulterande sekvensen kommer mottagaren att skicka den till avkodaren, som kommer att tillämpa den inversa transformationen

C i \u003d B i xor B i-3 xor B i-5,

Olika förvrängningssystem skiljer sig åt i antal termer och skiftningen mellan dem.

Det finns fler enkla metoder bekämpa sekvenser av nollor eller ettor, som också kallas förvrängningsmetoder.

För att förbättra bipolär AMI används:

B8ZS (Bipolär med 8-Nollor Substitution) - korrigerar endast sekvenser bestående av 8 nollor.

För att göra detta, efter de första tre nollorna, istället för de återstående fem, infogar den fem signaler V-1*-0-V-1*, där V betecknar en enhetssignal som är förbjuden för en given polaritetscykel, det vill säga en signal som inte ändrar polariteten för den föregående enheten, 1* är en signal för en enhet med korrekt polaritet, och stjärntecknet i det här tecknet i källkoden var inte noll. Som ett resultat ser mottagaren 2 distorsioner på 8 cykler - det är mycket osannolikt att detta hände på grund av brus på linjen. Därför behandlar mottagaren sådana överträdelser som att koda 8 på varandra följande nollor. I den här koden är den konstanta komponenten noll för vilken sekvens av binära siffror som helst.

HDB3-koden korrigerar alla fyra på varandra följande nollor i den ursprungliga sekvensen. Var fjärde nolla ersätts av fyra signaler som har en V-signal. För att undertrycka DC-komponenten vänds V-signalens polaritet om i successiva ändringar. Dessutom används två mönster av fyrtaktskoder för ersättning. Om innan du byter ut källa innehöll ett udda antal enheter, då används sekvensen 000V, och om antalet enheter var jämnt, sekvensen 1*00V.

Förbättrade kandidatkoder har en ganska smal bandbredd för alla sekvenser av nollor och ettor som förekommer i den överförda datan.

Den initiala informationen som behöver överföras över en kommunikationslinje kan antingen vara diskret (data från datorutdata) eller analog (tal, tv-bild).

Överföringen av diskreta data baseras på användningen av två typer av fysisk kodning:

a) analog modulering, när kodning utförs genom ändring av parametrarna för en sinusformad bärvågssignal;

b) digital kodning genom att ändra nivåerna för sekvensen av rektangulära informationspulser.

Analog modulering leder till ett mycket mindre spektrum av den resulterande signalen än med digital kodning, med samma informationsöverföringshastighet, men dess implementering kräver mer komplex och dyrare utrustning.

För närvarande sänds originaldata, som har en analog form, i ökande grad över kommunikationskanaler i en diskret form (i form av en sekvens av ettor och nollor), d.v.s. diskret modulering av analoga signaler utförs.

analog modulering. Den används för att överföra diskreta data över kanaler med en smal bandbredd, en typisk representant för vilken är en röstfrekvenskanal som tillhandahålls till användare av telefonnät. Signaler med en frekvens på 300 till 3400 Hz sänds över denna kanal, d.v.s. dess bandbredd är 3100 Hz. Ett sådant band är helt tillräckligt för talöverföring med acceptabel kvalitet. Bandbreddsbegränsningen för tonkanalen är associerad med användningen av multiplexerings- och kretskopplingsutrustning i telefonnät.

Innan sändningen av diskreta data på sändningssidan utförs med användning av en modulator-demodulator (modem) modulering av bärvågssinusformen för den ursprungliga sekvensen av binära siffror. Den omvända omvandlingen (demoduleringen) utförs av det mottagande modemet.

Det finns tre sätt att konvertera digital data till analog form, eller tre metoder för analog modulering:

Amplitudmodulering, när endast amplituden för bäraren för sinusformade svängningar ändras i enlighet med sekvensen av överförda informationsbitar: till exempel, vid sändning av en, är oscillationsamplituden inställd stor, och vid sändning av noll är den liten, eller det finns ingen bärsignal alls;

Frekvensmodulering, när under påverkan av moduleringssignaler (sända informationsbitar) ändras endast bärvågsfrekvensen för sinusformade svängningar: till exempel när noll sänds är den låg och när en sänds är den hög;

Fasmodulering, när, i enlighet med sekvensen av överförda informationsbitar, endast fasen för bäraren för sinusformade svängningar ändras: vid omkoppling från signal 1 till signal 0 eller vice versa, ändras fasen med 180 °. I sin rena form används amplitudmodulering sällan i praktiken på grund av låg brusimmunitet. Frekvensmodulering kräver inga komplexa kretsar i modem och används vanligtvis i låghastighetsmodem som arbetar med 300 eller 1200 bps. Ökning av datahastigheten tillhandahålls genom användning av kombinerade moduleringsmetoder, oftare amplitudmodulering i kombination med fas.

Den analoga metoden för diskret dataöverföring tillhandahåller bredbandsöverföring genom att använda signaler med olika bärvågsfrekvenser i en kanal. Detta garanterar interaktionen mellan ett stort antal abonnenter (varje abonnentpar arbetar på sin egen frekvens).

Digital kodning. Vid digital kodning av diskret information används två typer av koder:

a) potentiella koder när de ska presenteras informationsenheter och nollor, endast värdet på signalpotentialen appliceras, och dess fall tas inte med i beräkningen;

b) pulskoder, när binära data representeras antingen av pulser med en viss polaritet eller av potentiella fall i en viss riktning.

Följande krav ställs på metoderna för digital kodning av diskret information när rektangulära pulser används för att representera binära signaler:

Säkerställa synkronisering mellan sändare och mottagare;

Att säkerställa den minsta spektrumbredden på den resulterande signalen med samma bithastighet (eftersom ett smalare spektrum av signaler gör att man kan

nätverk med samma bandbredd uppnå högre hastigheter

dataöverföring);

Förmåga att känna igen fel i överförda data;

Relativt låg implementeringskostnad.

Med hjälp av det fysiska lagret utförs endast igenkänning av korrupta data (feldetektering), vilket sparar tid, eftersom mottagaren, utan att vänta på att den mottagna ramen ska placeras helt i bufferten, omedelbart avvisar den när den känner igen felaktiga bitar i ramen. En mer komplex operation - korrigering av korrupta data - utförs av protokoll på högre nivå: kanal, nätverk, transport eller applikation.

Synkronisering av sändare och mottagare är nödvändig så att mottagaren vet exakt när den ska läsa inkommande data. Klocksignaler ställer in mottagaren till det sända meddelandet och håller mottagaren synkroniserad med de inkommande databitarna. Synkroniseringsproblemet löses enkelt när information överförs över korta avstånd (mellan block inuti en dator, mellan en dator och en skrivare) genom att använda en separat tidskommunikationslinje: information läses först i det ögonblick som nästa klockpuls anländer. I datornätverk överges användningen av klockpulser av två skäl: för att spara ledare i dyra kablar och på grund av heterogeniteten i egenskaperna hos ledare i kablar (på stora avstånd ojämn hastighet för utbredning av signaler kan leda till desynkronisering av klockpulser i tidslinjen och informationspulser i huvudlinjen, vilket resulterar i att en databit antingen kommer att hoppas över eller återläsas).

För närvarande uppnås synkroniseringen av sändaren och mottagaren i nätverk genom att använda självsynkroniseringskoder (SC). Kodningen av den överförda datan med användning av SC är för att säkerställa regelbundna och frekventa förändringar (övergångar) av nivåerna för informationssignalen i kanalen. Varje signalnivåövergång från hög till låg eller vice versa används för att trimma mottagaren. Bäst är de SC:er som tillhandahåller en signalnivåövergång åtminstone en gång under det tidsintervall som krävs för att ta emot en informationsbit. Ju oftare signalnivåövergångarna är, desto mer tillförlitlig är synkroniseringen av mottagaren och desto mer säker är identifieringen av de mottagna databitarna.

Dessa krav på metoderna för digital kodning av diskret information är till viss del motsägelsefulla, därför har var och en av kodningsmetoderna som tas upp nedan sina fördelar och nackdelar jämfört med andra.

Självsynkroniserande koder. De vanligaste är följande SC:er:

Potentiell kod utan återgång till noll (NRZ - Non Return to Zero);

Bipolär pulskod (RZ-kod);

Manchester kod;

Bipolär kod med alternativ nivåinversion.

På fig. 32 visar kodningsscheman för meddelande 0101100 med användning av dessa CK.

För karaktärisering och jämförande bedömning SC använder följande indikatorer:

Nivå (kvalitet) av synkronisering;

Tillförlitlighet (tillförlitlighet) av igenkänning och urval av mottagna informationsbitar;

Den erforderliga förändringshastigheten för signalnivån i kommunikationslinjen vid användning av SC, om linjebandbredden är inställd;

Komplexiteten (och därmed kostnaden) för utrustningen som implementerar SC.

NRZ-koden är lätt att koda och låg kostnad att implementera. Den fick ett sådant namn eftersom signalen inte återgår till noll under cykeln när den sänder en serie bitar med samma namn (ettor eller nollor), vilket är fallet i andra kodningsmetoder. Signalnivån förblir oförändrad för varje serie, vilket avsevärt minskar kvaliteten på synkroniseringen och tillförlitligheten av igenkänningen av de mottagna bitarna (mottagarens timer kan felinrikta sig med den inkommande signalen och otidig avfrågning av linjerna kan inträffa).

För N^-koden gäller följande relationer:

där VI är förändringshastigheten för signalnivån i kommunikationslinjen (baud);

Y2 - genomströmning av kommunikationslinjen (bit / s).

Förutom det faktum att den här koden inte har egenskapen självsynkronisering, har den också en annan allvarlig nackdel: närvaron av en lågfrekvent komponent som närmar sig noll när man sänder långa serier av ettor eller nollor. Som ett resultat används inte NRZ-koden i sin rena form i nätverk. Dess olika modifieringar tillämpas, där dålig självsynkronisering av koden och närvaron av en konstant komponent elimineras.

RZ-koden, eller bipolär pulskod (retur-to-noll-kod), skiljer sig genom att under sändningen av en informationsbit ändras signalnivån två gånger, oavsett om en serie bitar med samma namn eller alternerande bitar sänds. En enhet representeras av en impuls med en polaritet och en nolla representeras av en annan. Varje puls varar en halv cykel. Sådan kod har utmärkta självsynkroniserande egenskaper, men kostnaden för dess implementering är ganska hög, eftersom det är nödvändigt att säkerställa förhållandet

Spektrumet för en RZ-kod är bredare än det för potentiella koder. På grund av dess för breda spektrum används den sällan.

Manchester-koden ger en förändring i signalnivån när varje bit presenteras, och när en serie av bitar med samma namn sänds en dubbel förändring. Varje åtgärd är uppdelad i två delar. Informationen kodas av potentiella fall som uppstår i mitten av varje cykel. En enhet kodas av en låg-till-hög-övergång, och en nolla kodas av en omvänd flank. Hastighetsförhållandet för denna kod är:

Manchester-koden har goda självklockningsegenskaper, eftersom signalen ändras åtminstone en gång per överföringscykel av en databit. Dess bandbredd är smalare än RZ-koden (en och en halv gånger i genomsnitt). Till skillnad från den bipolära pulskoden, där tre signalnivåer används för dataöverföring (vilket ibland är mycket oönskat, till exempel känns bara två tillstånd konsekvent igen i optiska kablar - ljus och mörker), har Manchester-koden två nivåer.

Manchester-kod används ofta i Ethernet- och Token Ring-teknologier.

AMI-koden (Alternate Level Inversion Bipolar Code) är en modifiering av NRZ-koden. Den använder tre potentialnivåer - negativ, noll och positiv. Enheten kodas antingen av en positiv potential eller en negativ. Nollpotential används för att koda noll. Koden har goda synkroniseringsegenskaper vid sändning av serier av enheter, eftersom potentialen för varje ny enhet är motsatt potentialen hos den tidigare. Vid sändning av körningar av nollor finns ingen synkronisering. AMI-koden är relativt lätt att implementera. För honom

Vid överföring av olika kombinationer av bitar på linjen leder användningen av AMI-koden till ett smalare signalspektrum än för NRZ-koden, och därmed till en högre linjegenomströmning.

Observera att förbättrade potentiella koder (uppgraderad Manchester-kod och AMI-kod) har ett smalare spektrum än impulskoder, så de används i höghastighetsteknologier, såsom FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Diskret modulering av analoga signaler. Som redan nämnts, en av trenderna i utvecklingen av modern dator nätverkär deras digitalisering, d.v.s. digital överföring av signaler av alla slag. Källorna till dessa signaler kan vara datorer (för diskreta data) eller enheter som telefoner, videokameror, video- och ljudutrustning (för analoga data). Tills nyligen (före tillkomsten av digitala kommunikationsnätverk), i territoriella nätverk överfördes alla typer av data i analog form, och datordata, diskret till sin natur, omvandlades till analog form med hjälp av modem.

Överföring av information i analog form förbättrar dock inte kvaliteten på mottagna data om det förekom en betydande förvrängning under överföringen. Därför har den analoga tekniken för inspelning och överföring av ljud och bilder ersatts av digital teknik, som använder sig av diskret modulering av analoga signaler.

Diskret modulering baseras på sampling av kontinuerliga signaler både i amplitud och i tid. En av de allmänt använda metoderna för att omvandla analoga signaler till digitala är pulskodmodulering (PCM), föreslog 1938 av A.Kh. Reeves (USA).

När du använder PCM innefattar omvandlingsprocessen tre steg: kartläggning, kvantisering och kodning (Fig. 33).

Det första steget är visning. Amplituden för den ursprungliga kontinuerliga signalen mäts med en given period, på grund av vilken tidsdiskretisering sker. I detta skede omvandlas den analoga signalen till pulsamplitudmodulationssignaler (PAM). Implementeringen av scenen är baserad på Nyquist-Kotelnikovs kartläggningsteorin, vars huvudposition är: om en analog signal visas (dvs representerad som en sekvens av dess diskreta värden i tid) på ett regelbundet intervall med en frekvens på minst två gånger frekvensen för den högsta övertonen i spektrumet av den ursprungliga kontinuerliga signalen kommer den ursprungliga signalen att innehålla, så kommer kartläggningen att innehålla den ursprungliga informationen. I analog telefoni väljs intervallet från 300 till 3400 Hz för röstöverföring, vilket är tillräckligt för högkvalitativ överföring av alla huvudövertoner i samtalspartnerna. Därför, i digitala nätverk där PCM-metoden är implementerad för röstöverföring, används en visningsfrekvens på 8000 Hz (detta är mer än 6800 Hz, vilket ger en viss kvalitetsmarginal).

I kvantiseringssteget ges varje IAM-signal ett kvantiserat värde som motsvarar närmaste kvantiseringsnivå. Hela området för IAM-signalamplitudvariation är uppdelad i 128 eller 256 kvantiseringsnivåer. Ju fler kvantiseringsnivåer, desto mer exakt representeras IAM-signalamplituden av den kvantiserade nivån.

Vid kodningssteget tilldelas varje kvantiserad mappning en 7-bitars (om antalet kvantiseringsnivåer är 128) eller 8-bitars (om antalet kvantiseringsnivåer är 128) binär kod. På fig. 33 visar signalerna för den 8-elements binära koden 00101011 motsvarande en kvantiserad signal med nivå 43. Vid kodning med 7-elements koder bör datahastigheten över kanalen vara 56 Kbps (detta är produkten av visningsfrekvensen och bitdjupet för den binära koden), och vid kodning med -.6 - 4 elementkoder med -. Standarden är en 64 kbit/s digital kanal, som även kallas elementärkanalen i digitala telefonnät.

Enheten som utför dessa steg för att konvertera ett analogt värde till en digital kod kallas en analog-till-digital-omvandlare (ADC). På mottagningssidan, med hjälp av en digital-till-analog-omvandlare (DAC), utförs en inverskonvertering, dvs. de digitaliserade amplituderna för en kontinuerlig signal demoduleras, den ursprungliga kontinuerlig funktion tid.

I moderna digitala kommunikationsnät används även andra metoder för diskret modulering, som gör det möjligt att representera röstmätningar i en mer kompakt form, till exempel som en sekvens av 4-bitars tal. Konceptet att omvandla analoga signaler till digitala används också, där inte själva IAM-signalerna kvantiseras och sedan kodas, utan endast deras förändringar, och antalet kvantiseringsnivåer antas vara detsamma. Det är uppenbart att ett sådant koncept tillåter omvandling av signaler med större noggrannhet.

Digitala metoder för inspelning, reproduktion och sändning av analog information ger möjligheten att styra tillförlitligheten av data som läses från en bärare eller tas emot via en kommunikationslinje. För detta ändamål används samma kontrollmetoder som för datordata (se 4.9).

Sändningen av en kontinuerlig signal i en diskret form ställer stränga krav på synkroniseringen av mottagaren. Om synkronisering inte observeras återställs den ursprungliga signalen felaktigt, vilket leder till förvrängning av rösten eller den överförda bilden. Om ramar med röstmätningar (eller andra analoga värden) kommer synkront kan röstkvaliteten vara ganska hög. I datornätverk kan dock ramar försenas både i ändnoder och i mellanliggande växlingsenheter (bryggor, switchar, routrar), vilket negativt påverkar kvaliteten på röstöverföringen. Därför, för högkvalitativ överföring av digitaliserade kontinuerliga signaler, speciella digitala nätverk (ISDN, ATM, nätverk digital-tv), även om Frame Relay-nätverk fortfarande används för att överföra telefonsamtal inom företaget, eftersom ramöverföringsfördröjningarna i dem ligger inom acceptabla gränser.

Ämne 2. Fysiskt lager

Planen

Teoretiska grunder för dataöverföring

Information kan överföras över ledningar genom att ändra någon fysisk kvantitet, såsom spänning eller ström. Genom att representera värdet på spänning eller ström som en funktion av tid med en enda värde, är det möjligt att modellera signalens beteende och utsätta den för matematisk analys.

Fourier-serier

I början av 1800-talet bevisade den franske matematikern Jean-Baptiste Fourier att varje periodisk funktion med period T kan utökas till en serie (möjligen oändlig) bestående av summor av sinus och cosinus:
(2.1)
var är grundfrekvensen (överton), och är amplituderna för sinus och cosinus för den n:te övertonen, och c är en konstant. En sådan expansion kallas en Fourier-serie. Funktionen expanderad i Fourier-serien kan återställas av elementen i denna serie, det vill säga om perioden T och amplituderna för övertonerna är kända, kan den ursprungliga funktionen återställas med hjälp av summan av serien (2.1).
En informationssignal som har en ändlig varaktighet (alla informationssignaler har en ändlig varaktighet) kan utökas till en Fourierserie om vi föreställer oss att hela signalen upprepas oändligt om och om igen (det vill säga att intervallet från T till 2T upprepar intervallet från 0 till T, etc.).
Amplituder kan beräknas för vilken funktion som helst. För att göra detta måste du multiplicera vänster och höger sida av ekvation (2.1) med och sedan integrera från 0 till T. Eftersom:
(2.2)
endast en medlem av serien finns kvar. Linjen försvinner helt. På liknande sätt, genom att multiplicera ekvation (2.1) med och integrera över tiden från 0 till T, kan man beräkna värdena. Om vi ​​integrerar båda delarna av ekvationen utan att ändra den kan vi få värdet på konstanten Med. Resultaten av dessa åtgärder blir följande:
(2.3.)

Hanterade lagringsmedia

Syftet med det fysiska lagret i ett nätverk är att överföra den råa bitströmmen från en maskin till en annan. Olika fysiska medier, även kallade signalspridningsmedier, kan användas för överföring. Var och en av dem har en karakteristisk uppsättning bandbredder, förseningar, priser och enkel installation och användning. Media kan delas in i två grupper: hanterade medier som t.ex koppartråd och fiberoptisk kabel, och ohanterad, såsom radiokommunikation och överföring över en laserstråle utan kabel.

Magnetiska media

En av de mest enkla sättöverföra data från en dator till en annan - skriv det till ett magnetband eller annat flyttbart medium (till exempel en omskrivbar DVD), överför fysiskt dessa band och diskar till destinationen och läs dem där.
Hög genomströmning. En vanlig Ultrium-bandkassett rymmer 200 GB. Cirka 1000 av dessa kassetter är placerade i en 60x60x60 box, vilket ger en total kapacitet på 1600 Tbit (1,6 Pbit). En kartong med kassetter kan skickas inom USA inom 24 timmar av Federal Express eller annat företag. Den effektiva bandbredden för denna överföring är 1600 Tbps/86400 s, eller 19 Gbps. Om destinationen bara är en timme bort kommer genomströmningen att vara över 400 Gbps. Inte ett enda datornätverk kan ännu ens komma i närheten av sådana indikatorer.
Lönsamhet. Grossistpriset för kassetten är cirka 40 dollar. En låda med band kommer att kosta $4 000, och samma band kan användas dussintals gånger. Låt oss lägga till $1000 för frakt (faktiskt mycket mindre) och få cirka $5000 för att överföra 200 TB, eller 3 cent per gigabyte.
Brister. Även om hastigheten för dataöverföring med hjälp av magnetband är utmärkt, är dock mängden fördröjning i en sådan överföring mycket stor. Överföringstiden mäts i minuter eller timmar, inte millisekunder. Många applikationer kräver omedelbart svar från fjärrsystemet (i anslutet läge).

tvinnat par

Ett tvinnat par består av två isolerade koppartrådar med en typisk diameter på 1 mm. Ledningarna vrider sig runt varandra i form av en spiral. Detta gör att du kan minska den elektromagnetiska interaktionen mellan flera intilliggande tvinnade par.
Applikation - telefonlinje, datornätverk. Den kan sända en signal utan effektdämpning över ett avstånd på flera kilometer. Repeaters krävs för längre sträckor. De kombineras till en kabel, med en skyddande beläggning. Ett par ledningar är tvinnade i kabeln för att undvika signalöverlappning. De kan användas för att överföra både analoga och digitala data. Bandbredden beror på trådens diameter och längd, men i de flesta fall kan flera megabit per sekund uppnås över avstånd på flera kilometer. På grund av den ganska höga bandbredden och låga kostnaden används partvinnade kablar flitigt och kommer med största sannolikhet att fortsätta att vara populära i framtiden.
Twisted-pair-kablar finns i flera former, varav två är särskilt viktiga inom området datornätverk. Kategori 3 tvinnat par (CAT 3) består av två isolerade ledningar tvinnade tillsammans. Fyra sådana par brukar placeras tillsammans i ett plastskal.
Kategori 5 tvinnade par (CAT 5) liknar kategori 3 tvinnade par, men har fler varv per centimeter trådlängd. Detta gör det möjligt att ytterligare reducera interferens mellan olika kanaler och ge förbättrad signalöverföringskvalitet över långa avstånd (Fig. 1).

Ris. 1. UTP kategori 3 (a), UTP kategori 5 (b).
Alla dessa typer av anslutningar kallas ofta UTP (oskärmat tvinnat par - oskärmat tvinnat par)
Skärmade partvinnade kablar från IBM blev inte populära utanför IBM.

Koaxialkabel

Ett annat vanligt sätt för dataöverföring är koaxialkabel. Den är bättre avskärmad än tvinnat par, så den kan bära data över längre avstånd med högre hastigheter. Två typer av kablar används ofta. En av dem, 50 ohm, används vanligtvis för överföring av uteslutande digital data. En annan typ av kabel, 75 ohm, används ofta för att överföra analog information, såväl som i kabel-tv.
Sektionsvyn av kabeln visas i figur 2.

Ris. 2. Koaxialkabel.
Designen och den speciella typen av skärmning av koaxialkabeln ger hög bandbredd och utmärkt brusimmunitet. Den maximala genomströmningen beror på linjens kvalitet, längd och signal-brusförhållande. Moderna kablar har en bandbredd på cirka 1 GHz.
Applikation - telefonsystem (nät), kabel-tv, regionala nät.

fiberoptik

Den nuvarande fiberoptiska tekniken kan nå datahastigheter upp till 50 000 Gb/s (50 Tb/s), och många människor letar efter bättre material. Dagens praktiska gräns på 10 Gbps beror på oförmågan att omvandla elektriska signaler till optiska signaler och vice versa snabbare, även om 100 Gbps på en enda fiber redan har uppnåtts i laboratorieförhållanden.
Ett dataöverföringssystem för optisk fiber består av tre huvudkomponenter: en ljuskälla, en bärare genom vilken ljussignalen fortplantar sig och en signalmottagare eller detektor. En ljuspuls tas som en, och frånvaron av en puls tas som noll. Ljus fortplantas i en ultratunn glasfiber. När ljus träffar den genererar detektorn en elektrisk impuls. Genom att ansluta en ljuskälla till ena änden av en optisk fiber och en detektor till den andra erhålls ett enkelriktat dataöverföringssystem.
Vid sändning ljussignal egenskapen reflektion och brytning av ljus används i övergången från 2 media. Sålunda, när ljus tillförs i en viss vinkel mot mediagränsen, reflekteras ljusstrålen helt och låses i fibern (fig. 3).

Ris. 3. Egenskapen för ljusbrytning.
Det finns 2 typer av fiberoptisk kabel: multi-mode - överför en ljusstråle, single-mode - tunn till gränsen för flera våglängder, fungerar nästan som en vågledare, ljuset rör sig i en rak linje utan reflektion. Dagens single-mode fiberlänkar kan fungera med 50 Gbps över avstånd upp till 100 km.
Tre våglängdsområden används i kommunikationssystem: 0,85, 1,30 respektive 1,55 µm.
Strukturen hos fiberoptisk kabel liknar den hos koaxialtråd. Den enda skillnaden är att den första inte har ett skärmnät.
I centrum av den fiberoptiska kärnan finns en glaskärna genom vilken ljus fortplantar sig. Multimode-fiber har en kärndiameter på 50 µm, vilket är ungefär lika tjockt som ett människohår. Kärnan i en enkelmodsfiber har en diameter på 8 till 10 µm. Kärnan är täckt med ett lager av glas med ett lägre brytningsindex än kärnans. Den är utformad för att på ett mer tillförlitligt sätt förhindra ljus från att komma ut från kärnan. Det yttre lagret är ett plastskal som skyddar glaset. Fiberoptiska kärnor är vanligtvis grupperade i buntar skyddade av en yttre mantel. Figur 4 visar en tretrådig kabel.

Ris. 4. Treledad fiberoptisk kabel.
I händelse av ett avbrott kan anslutningen av kabelsegment utföras på tre sätt:

En speciell kontakt kan fästas i änden av kabeln, med vilken kabeln sätts in i ett optiskt uttag. Förlusten är 10-20 % av ljusintensiteten, men det gör det enkelt att ändra systemkonfigurationen.
Skarvning - två snyggt skurna ändar av kabeln läggs bredvid varandra och kläms fast med en speciell hylsa. Förbättrad ljustransmission uppnås genom att rikta in ändarna på kabeln. Förlust - 10% av ljuseffekten.
Fusion. Det finns praktiskt taget ingen förlust.

Två typer av ljuskällor kan användas för att överföra en signal över en fiberoptisk kabel: lysdioder (LED, ljusdioder) och halvledarlasrar. Deras jämförande egenskaper anges i tabell 1.

Bord 1.
Jämförelsetabell för användning av LED- och halvledarlaser
Den mottagande änden av en optisk kabel är en fotodiod som genererar en elektrisk puls när ljus faller på den.

Jämförande egenskaper hos fiberoptisk kabel och koppartråd.

Optisk fiber har flera fördelar:

Hög hastighet.
Mindre signaldämpning, färre repeaters utmatning (en per 50 km, inte 5)
Inert mot extern elektromagnetisk strålning, kemiskt neutral.
Lättare i vikt. 1000 koppartvinnade par 1 km långa väger ca 8000 kg. Ett par fiberoptiska kablar väger endast 100 kg med mer bandbredd
Låga läggningskostnader

Brister:

Svårighet och kompetens vid installation.
bräcklighet
Mer än koppar.
överföring i simplexläge krävs minst 2 ledningar mellan nätverk.

Trådlös anslutning

elektromagnetiskt spektrum

Elektronernas rörelse genererar elektromagnetiska vågor som kan fortplanta sig i rymden (även i ett vakuum). Antalet svängningar av elektromagnetiska svängningar per sekund kallas frekvens och mäts i hertz. Avståndet mellan två på varandra följande höga (eller låga) kallas våglängden. Detta värde betecknas traditionellt med den grekiska bokstaven (lambda).
Om i elektrisk krets slå på en antenn av lämplig storlek, då kan elektromagnetiska vågor framgångsrikt tas emot av mottagaren på ett visst avstånd. Alla trådlösa kommunikationssystem bygger på denna princip.
I ett vakuum färdas alla elektromagnetiska vågor med samma hastighet, oavsett deras frekvens. Denna hastighet kallas ljusets hastighet, - 3*108 m/s. I koppar eller glas är ljusets hastighet cirka 2/3 av detta värde, och det beror också lite på frekvensen.
Förhållande mellan kvantiteter och:

Om frekvensen () mäts i MHz, och våglängden () i meter då.
Helheten av alla elektromagnetiska vågor bildar det så kallade kontinuerliga spektrumet av elektromagnetisk strålning (fig. 5). Radio, mikrovågsugn, infrarött och synligt ljus kan användas för att överföra information med hjälp av amplitud, frekvens eller fasmodulering av vågor. Ultraviolett-, röntgen- och gammastrålning skulle vara ännu bättre på grund av deras höga frekvenser, men de är svåra att generera och modulera, de passerar inte genom byggnader bra, och dessutom är de farliga för allt levande. Det officiella namnet på intervallen anges i tabell 6.

Ris. 5. Elektromagnetiskt spektrum och dess tillämpning i kommunikationer.
Tabell 2.
Officiella ITU-bandnamn
Mängden information som en elektromagnetisk våg kan bära är relaterad till frekvensomfång kanal. Modern teknik gör det möjligt att koda flera bitar per hertz per låga frekvenser. Under vissa förhållanden kan detta antal åttadubblas vid höga frekvenser.
Genom att känna till bredden på våglängdsområdet är det möjligt att beräkna motsvarande frekvensområde och datahastighet.

Exempel: För ett 1,3 mikron fiberoptisk kabelområde, alltså. Sedan vid 8 bps visar det sig att du kan få en överföringshastighet på 240 Tbps.

Radiokommunikation

Radiovågor är lätta att generera, färdas långa sträckor, passerar genom väggar, går runt byggnader, fortplantar sig i alla riktningar. Radiovågornas egenskaper beror på frekvensen (fig. 6). Vid drift på låga frekvenser passerar radiovågor bra genom hinder, men signalstyrkan i luften sjunker kraftigt när du rör dig bort från sändaren. Förhållandet mellan effekt och avstånd från källan uttrycks ungefär som följer: 1/r2. Vid höga frekvenser tenderar radiovågor i allmänhet att endast färdas i en rak linje och studsa mot hinder. Dessutom absorberas de till exempel av regn. Radiosignaler av vilken frekvens som helst utsätts för störningar från gnistborstmotorer och annan elektrisk utrustning.

Ris. 6. Vågor i VLF-, LF-, MF-banden går runt jordytans grovhet (a), HF- och VHF-bandens vågor reflekteras från jonosfären och absorberas av jorden (b).

Kommunikation i mikrovågsområdet

Vid frekvenser över 100 MHz utbreder sig radiovågor nästan i en rak linje, så att de kan fokuseras till smala strålar. Koncentrationen av energi i form av en smal stråle som använder en parabolantenn (som den välkända parabolantenn) leder till en förbättring av signal-brusförhållandet, men för en sådan anslutning måste sändnings- och mottagningsantennerna vara ganska exakt riktade mot varandra.
Till skillnad från radiovågor med lägre frekvenser passerar mikrovågor inte bra genom byggnader. Mikrovågsradio blev så flitigt använd inom långdistanstelefoni, mobiltelefoner, tv-sändningar och andra områden att det rådde en allvarlig brist på spektrum.
Denna anslutning har ett antal fördelar jämfört med optisk fiber. Det viktigaste är att det inte finns något behov av att lägga en kabel, och därför finns det inget behov av att betala för uthyrning av mark längs signalvägen. Det räcker att köpa små tomter var 50:e km och installera relätorn på dem.

Infraröda och millimetervågor

Infraröd och millimeterstrålning utan användning av kabel används ofta för kommunikation över korta avstånd (till exempel fjärrkontroller). De är relativt riktade, billiga och lätta att installera, men kommer inte att passera genom fasta föremål.
Kommunikation i det infraröda området används i stationära datorsystem (till exempel för att ansluta bärbara datorer till skrivare), men spelar fortfarande ingen betydande roll inom telekommunikation.

Kommunikationssatelliter

E typer av satelliter används: geostationära (GEO), medelhöjd (MEO) och låg omloppsbana (LEO) (Fig. 7).

Ris. 7. Kommunikationssatelliter och deras egenskaper: omloppshöjd, fördröjning, antal satelliter som krävs för att täcka hela jordklotet.

Offentligt kopplat telefonnät

Telefonsystemets struktur

Strukturen för en typisk telefonkommunikationsväg över medelavstånd visas i figur 8.

Ris. 8. Typisk kommunikationsväg med ett medelavstånd mellan abonnenter.

Lokala linjer: modem, ADSL, trådlöst

Eftersom datorn arbetar med en digital signal, och den lokala telefonlinjen är överföringen av en analog signal, används en modemenhet för att konvertera digitalt till analogt och vice versa, och själva processen kallas modulering/demodulering (fig. 9).

Ris. 9. Användning av en telefonlinje vid sändning av en digital signal.
Det finns 3 moduleringsmetoder (Fig. 10):

amplitudmodulering - 2 olika signalamplituder används (för 0 och 1),
frekvens - flera olika signalfrekvenser används (för 0 och 1),
fas - fasförskjutningar används under övergången mellan logiska enheter (0 och 1). Skjuvvinklar - 45, 135, 225, 180.

I praktiken används kombinerade moduleringssystem.

Ris. 10. Binär signal (a); amplitudmodulering (b); frekvensmodulering (c); fasmodulering.
Alla moderna modem låter dig överföra data i båda riktningarna, detta driftsätt kallas duplex. En anslutning med seriell överföringskapacitet kallas halvduplex. En förbindelse där överföring sker i endast en riktning kallas simplex.
Den maximala modemhastigheten som kan uppnås för tillfället är 56Kb/s. V.90 standard.

Digitala abonnentlinjer. xDSL-teknik.

Efter att hastigheten genom modem nådde sin gräns började telefonbolagen leta efter en väg ut ur denna situation. Således dök många förslag upp under det allmänna namnet xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - digital abonnentlinje, där istället för x det kan finnas andra bokstäver. Den mest kända tekniken från dessa förslag är ADSL (Asymmetric DSL).
Anledningen till hastighetsbegränsningen för modem var att de använde överföringsområdet för mänskligt tal för dataöverföring - 300 Hz till 3400 Hz. Tillsammans med gränsfrekvenserna var bandbredden inte 3100 Hz, utan 4000 Hz.
Även om spektrumet för den lokala telefonlinjen är 1,1 Hz.
Det första förslaget med ADSL-teknik använde hela spektrumet av den lokala telefonlinjen, som är uppdelad i 3 band:

POTS - räckvidden för det konventionella telefonnätet;
utgående räckvidd;
ingångsområde.

En teknik som använder olika frekvenser för olika ändamål kallas frekvensmultiplexering eller frekvensmultiplexering.
En alternativ metod som kallas diskret multitonsmodulering, DMT (Discrete MultiTone) består i att dela upp hela spektrumet av en 1,1 MHz bred lokal linje i 256 oberoende kanaler på 4312,5 Hz vardera. Kanal 0 är POTS. Kanalerna 1 till 5 används inte så att röstsignalen inte kan störa informationssignalen. Av de återstående 250 kanalerna är en upptagen med överföringsstyrning mot leverantören, en - mot användaren, och alla andra är tillgängliga för att överföra användardata (fig. 11).

Ris. 11. ADSL-drift med användning av diskret flertonsmodulering.
ADSL-standarden låter dig ta emot upp till 8 Mb/s och skicka upp till 1 Mb/s. ADSL2+ - utgående upp till 24Mb/s, inkommande upp till 1,4 Mb/s.
En typisk ADSL-utrustningskonfiguration innehåller:

DSLAM - DSL-åtkomstmultiplexer;
NID är en nätverksgränssnittsenhet som skiljer ägandet av telefonbolaget och abonnenten.
En splitter (splitter) är en frekvensdelare som separerar POTS-bandet och ADSL-data.

Ris. 12. Typisk konfiguration av ADSL-utrustning.

Linjer och tätningar

Att spara resurser spelar en viktig roll i telefonsystemet. Kostnaden för att lägga och underhålla en ryggrad med hög kapacitet och en linje av låg kvalitet är nästan densamma (det vill säga att lejonparten av denna kostnad spenderas på att gräva diken, och inte på själva koppar- eller fiberkabeln).
Av denna anledning har telefonbolagen samarbetat för att utveckla flera system för att föra flera samtal över en enda fysisk kabel. Multiplexeringsscheman (komprimering) kan delas in i två huvudkategorier FDM (Frequency Division Multiplexing - frekvensdelningsmultiplexing) och TDM (Time Division Multiplexing - tidsdelningsmultiplexering) (Fig. 13).
Med frekvensmultiplexering delas frekvensspektrumet upp mellan logiska kanaler och varje användare får exklusivt ägande av sitt delband. Vid tidsdelningsmultiplex turas användare (cykliskt) om att använda samma kanal, och var och en får hela kapaciteten för kanalen under en kort tidsperiod.
Fiberoptiska kanaler använder en speciell variant av frekvensmultiplexering. Det kallas spektral divisionsmultiplexering (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Ris. 13. Ett exempel på frekvensmultiplexering: originalspektra av 1-signaler (a), frekvensförskjutna spektra (b), multiplexerade kanal (c).

Växlande

Ur den genomsnittlige telefoningenjörens synvinkel består telefonsystemet av två delar: extern utrustning (lokala telefonlinjer och trunkar, utanför växlarna) och intern utrustning (växel) placerad vid telefonväxeln.
Alla kommunikationsnätverk stöder något sätt att byta (kommunikation) av sina abonnenter sinsemellan. Det är praktiskt taget omöjligt att förse varje par av interagerande abonnenter med sin egen icke-kopplade fysiska kommunikationslinje, som de skulle kunna monopolisera "egen" under lång tid. Därför, i vilket nätverk som helst, används alltid någon metod för abonnentväxling, vilket säkerställer tillgängligheten av tillgängliga fysiska kanaler samtidigt för flera kommunikationssessioner mellan nätverksabonnenter.
Två olika tekniker används i telefonsystem: kretskoppling och paketkoppling.

Kretskoppling

Kretsomkoppling innebär bildning av en kontinuerlig sammansatt fysisk kanal från seriekopplade individuella kanalsektioner för direkt dataöverföring mellan noder. I ett kretskopplat nätverk, före dataöverföring, är det alltid nödvändigt att utföra en anslutningsetableringsprocedur, under vilken en sammansatt kanal skapas (fig. 14).

Paketbyte

Vid paketväxling bryts alla meddelanden som sänds av nätverksanvändaren upp vid källnoden i relativt små delar, så kallade paket. Varje paket är försett med en rubrik som anger adressinformationen som behövs för att leverera paketet till destinationsvärden, såväl som paketnumret som kommer att användas av destinationsvärden för att sammanställa meddelandet. Paketen transporteras på nätverket som oberoende informationsenheter. Nätverksväxlar tar emot paket från ändnoder och, baserat på adressinformation, sänder dem till varandra och slutligen till destinationsnoden (fig. 14).
etc.................

För överföring av diskreta data över kommunikationslinjer med ett smalt frekvensband, analog modulering. En typisk representant för sådana linjer är en röst-frekvenskommunikationslinje som görs tillgänglig för användare av publika telefonnät. Denna länk sänder analoga signaler i frekvensområdet från 300 till 3400 Hz (därmed är linjens bandbredd 3100 Hz). Strikt bandbreddsbegränsning för kommunikationslinjer in det här fallet i samband med användning av utrustning för multiplexering och kretskoppling i telefonnät.

En anordning som utför funktionerna att modulera en bärvågssinus på den sändande sidan och demodulera på den mottagande sidan kallas modem (modulator-demodulator).

Analog modulering är en fysisk kodningsmetod där information kodas genom att ändras amplituder, frekvenser eller faser en sinusformad signal av bärvågsfrekvensen. På amplitudmodulering för en logisk etta väljs en nivå av amplituden för bärvågsfrekvensen sinusoid, och för en logisk nolla en annan. Denna metod används sällan i praktiken i sin rena form på grund av låg brusimmunitet, men används ofta i kombination med andra typer av modulering. På frekvensmodulering Värdena 0 och 1 för originaldata överförs av sinusoider med olika frekvenser . Denna moduleringsmetod kräver inte komplicerad elektroniska kretsar i modem och används vanligtvis i låghastighetsmodem som arbetar med 300 eller 1200 bps. På fasmodulering datavärden 0 och 1 motsvarar signaler med samma frekvens men olika fas, såsom 0 och 180 grader eller 0, 90, 180 och 270 grader. I höghastighetsmodem används ofta kombinerade moduleringsmetoder, som regel amplitud i kombination med fas. Kombinerade moduleringsmetoder används för att öka datahastigheten. De vanligaste metoderna är Kvadraturamplitudmodulering-QAM). Dessa metoder är baserade på en kombination av fasmodulering med 8 fasskiftvärden och amplitudmodulering med 4 amplitudnivåer. Emellertid används inte alla möjliga 32 signalkombinationer. Sådan kodningsredundans krävs för att modemet ska känna igen felaktiga signaler, som är resultatet av distorsion på grund av störningar, som på telefonkanaler (särskilt omkopplade sådana) har mycket stor amplitud och lång tid.

På digital kodning diskret information används potential Och impuls koder. I potential I koder används endast värdet på signalpotentialen för att representera logiska ettor och nollor, och dess fall, som bildar kompletta pulser, tas inte med i beräkningen. Puls koder gör att binära data kan representeras antingen av pulser med en viss polaritet eller av en del av pulsen - ett potentialfall i en viss riktning.

När du använder rektangulära pulser för att överföra diskret information, är det nödvändigt att välja en kodningsmetod som samtidigt skulle uppnå flera mål: med samma bithastighet, ha den minsta bredden av spektrumet av den resulterande signalen; tillhandahåller synkronisering mellan sändare och mottagare; hade förmågan att känna igen misstag; hade en låg kostnad för genomförandet.

Ett smalare signalspektrum gör att du kan uppnå en högre dataöverföringshastighet på samma linje (med samma bandbredd). Synkronisering av sändare och mottagare behövs så att mottagaren vet exakt vid vilken tidpunkt det är nödvändigt att läsa ny information från kommunikationslinjen. Detta problem är svårare att lösa i nätverk än när man kommunicerar mellan enheter i närheten, till exempel mellan enheter inuti en dator eller mellan en dator och en skrivare. På korta avstånd fungerar ett schema baserat på en separat klockkommunikationslinje bra, och information tas bort från datalinjen först i det ögonblick som en klockpuls anländer. I nätverk orsakar användningen av detta schema svårigheter på grund av heterogeniteten i egenskaperna hos ledarna i kablarna. Över långa avstånd kan signalhastighetsrippel orsaka att klockan kommer så sent eller för tidigt för motsvarande datasignal att en databit hoppas över eller omläses. En annan anledning till att nätverk vägrar använda klockpulser är att spara ledare i dyra kablar. Därför använder nätverk den sk självsynkroniserande koder, vars signaler bär indikationer för sändaren vid vilken tidpunkt det är nödvändigt att känna igen nästa bit (eller flera bitar, om koden är orienterad till mer än två signaltillstånd). Varje kraftigt fall i signal - den så kallade främre- kan fungera som en bra indikation för synkronisering av mottagaren med sändaren. När du använder sinusoider som en bärvågssignal har den resulterande koden egenskapen att synkroniseras, eftersom en förändring i amplituden för bärvågsfrekvensen tillåter mottagaren att bestämma det ögonblick då ingångskoden visas.

Igenkänning och korrigering av förvrängda data är svårt att implementera med hjälp av det fysiska lagret, därför utförs detta arbete oftast av protokollen som ligger ovan: kanal, nätverk, transport eller applikation. Å andra sidan, feldetektering fysisk nivå sparar tid, eftersom mottagaren inte väntar på att ramen ska buffras helt, utan avvisar den omedelbart vid igenkänning av felaktiga bitar inom ramen.

Kraven på kodningsmetoder är ömsesidigt motstridiga, så var och en av de populära digitala kodningsmetoderna som diskuteras nedan har sina egna fördelar och nackdelar jämfört med andra.

En av de enklaste metoderna potential kodning är unipolär potentialkod, även kallad kodning utan att återgå till noll (Non Return to Zero-NRZ) (fig.7.1.a). Efternamnet återspeglar det faktum att när en sekvens av ettor sänds återgår inte signalen till noll under cykeln. NRZ-metoden har bra feldetektering (på grund av två skarpt olika potentialer), men har inte självsynkroniseringsegenskapen. Vid sändning av en lång sekvens av ettor eller nollor ändras inte linjesignalen, så mottagaren har inte möjlighet att bestämma genom ingångssignal tidpunkter när du behöver läsa data igen. Även med en mycket noggrann klockgenerator kan mottagaren göra ett misstag med ögonblicket för datainsamling, eftersom frekvenserna för de två generatorerna nästan aldrig är helt identiska. Därför, vid höga datahastigheter och långa sekvenser av ettor eller nollor, kan en liten missanpassning av klockfrekvenser leda till ett fel i en hel cykel och följaktligen läsning av ett felaktigt bitvärde.

a B C D E F

Ris. 7.1. Binära datakodningsmetoder: a-unipolär potential

social kod; b- bipolär potentialkod; V- unipolär im-

pulskod; G -bipolär pulskod; d-"Manchester"-kod;

e- potentialkod med fyra signalnivåer.

En annan allvarlig nackdel med NRZ-metoden är närvaron av en lågfrekvent komponent som närmar sig noll när man sänder långa sekvenser av ettor eller nollor. På grund av detta stöder många kommunikationslinjer som inte ger en direkt galvanisk anslutning mellan mottagaren och källan inte denna typ av kodning. Som ett resultat används NRZ-koden i sin rena form inte i nätverk, utan dess olika modifikationer används, där både dålig självsynkronisering av NRZ-koden och närvaron av en konstant komponent elimineras.

En av modifikationerna av NRZ-metoden är metoden bipolär potentialkodning med alternativ inversion (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI). I denna metod ( ris. 7.1.b) tre potentialnivåer används - negativ, noll och positiv. För att koda en logisk nolla används en nollpotential och en logisk enhet kodas antingen av en positiv potential eller en negativ (i det här fallet är potentialen för varje ny enhet motsatt potentialen för den tidigare). AMI-koden eliminerar delvis DC och bristen på självtimingsproblem som är inneboende i NRZ-koden. Detta händer när du skickar långa sekvenser av ettor. I dessa fall är signalen på linjen en sekvens av bipolära pulser med samma spektrum som NRZ-koden som sänder omväxlande nollor och ettor, det vill säga utan en konstant komponent och med en grundläggande överton på N/2 Hz (där N är databithastigheten). Långa sekvenser av nollor är också farliga för AMI-koden, såväl som för NRZ-koden - signalen degenererar till en konstant potential med noll amplitud. I allmänhet, för olika kombinationer av bitar på linjen, leder användningen av AMI-koden till ett smalare signalspektrum än för NRZ-koden, och följaktligen till en högre linjegenomströmning. Till exempel, när man sänder alternerande ettor och nollor, har grundövertonen f 0 en frekvens på N/4 Hz. AMI-koden tillhandahåller också vissa funktioner för att känna igen felaktiga signaler. Således indikerar ett brott mot den strikta växlingen av signalernas polaritet en falsk impuls eller försvinnandet av en korrekt impuls från linjen. En signal med felaktig polaritet anropas förbjuden signal (signalöverträdelse). Eftersom AMI-koden inte använder två, utan tre signalnivåer per linje, kräver den extra nivån en ökning av sändareffekten för att säkerställa samma bittrohet på linjen, vilket är en allmän nackdel med koder med flera signaltillstånd jämfört med koder som endast skiljer två tillstånd åt.

De enklaste metoderna impulsiv kodningar är unipolär pulskod, där en representeras av momentum och noll representeras av dess frånvaro ( ris. 7.1c), Och bipolär pulskod, där enheten representeras av en puls med en polaritet, och noll är den andra ( ris. 7,1 g). Varje puls varar en halv cykel. Den bipolära pulskoden har goda självklockningsegenskaper, men en DC-pulskomponent kan vara närvarande, till exempel vid sändning av en lång sekvens av ettor eller nollor. Dessutom är dess spektrum bredare än potentiella koder. Så när du sänder alla nollor eller ettor kommer frekvensen för kodens grundläggande överton att vara lika med N Hz, vilket är två gånger högre än den grundläggande övertonen för NRZ-koden och fyra gånger högre än den grundläggande övertonen för AMI-koden vid sändning av alternerande ettor och nollor. På grund av det för breda spektrumet används den bipolära pulskoden sällan.

I lokala nätverk, tills nyligen, var den vanligaste kodningsmetoden den så kallade " Manchester kod"(ris. 7.1e). I Manchester-koden används ett potentialfall, det vill säga fronten av pulsen, för att koda ettor och nollor. I Manchester-kodning är varje klocka uppdelad i två delar. Informationen kodas av potentiella fall som uppstår i mitten av varje cykel. En enhet kodas av en låg-till-hög-övergång, och en nolla kodas av en omvänd flank. I början av varje cykel kan en servicesignalflank uppstå om du behöver representera flera ettor eller nollor i rad. Eftersom signalen ändras åtminstone en gång per överföringscykel av en databit, har Manchester-koden goda självklockningsegenskaper. Bandbredden för Manchester-koden är smalare än den för den bipolära pulsen. Den har inte heller en konstant komponent, och den grundläggande övertonen i värsta fall (vid sändning av en sekvens av ettor eller nollor) har en frekvens på N Hz, och i bästa fall (vid sändning av alternerande ettor och nollor) är den lika med N / 2 Hz, som i AMI- eller NRZ-koder. I genomsnitt är bandbredden för Manchester-koden en och en halv gång smalare än den för den bipolära pulskoden, och den grundläggande övertonen svänger runt 3N/4. En annan fördel med Manchester-koden är att den bara har två signalnivåer, medan den bipolära pulskoden har tre.

Det finns också potentiella koder med ett stort antal signalnivåer för datakodning. Visas som exempel ( fig 7.1e) potentiell kod 2B1Q med fyra signalnivåer för datakodning. I denna kod sänds varannan bit i en cykel av en signal som har fyra tillstånd. Ett par bitar "00" motsvarar en potential på -2,5 V, ett par bitar "01" - en potential på -0,833 V, ett par bitar "11" - en potential på +0,833 V, och ett par bitar "10" - en potential på +2,5 V. I denna kodningsmetod krävs ytterligare stridsåtgärder för att sekvensen av bitar ska omvandlas till ett par bitar. konstant komponent. Med slumpmässig bitinterfoliering är signalspektrat dubbelt så smalt som det för NRZ-koden (vid samma bithastighet fördubblas cykeltiden). Med den presenterade 2B1Q-koden är det alltså möjligt att överföra data över samma linje dubbelt så snabbt som att använda AMI-koden. För dess implementering måste emellertid sändareffekten vara högre så att de fyra nivåerna tydligt urskiljs av mottagaren mot bakgrund av störningar.

För att förbättra potentiella koder som AMI och 2B1Q, logisk kodning. Logisk kodning är utformad för att ersätta långa sekvenser av bitar, vilket leder till en konstant potential, varvat med ettor. Två metoder är karakteristiska för logisk kodning - redundanta koder och förvrängning.

Redundanta koder baseras på att dela upp den ursprungliga sekvensen av bitar i delar, som ofta kallas tecken. Sedan ersätts varje originaltecken med en ny som har fler bitar än originalet. Till exempel ersätter en 4B/5B-logikkod de ursprungliga 4-bitarstecken med 5-bitarstecken. Eftersom de resulterande symbolerna innehåller redundanta bitar är det totala antalet bitkombinationer i dem större än i de ursprungliga. Så i 4B / 5B-koden kan de resulterande symbolerna innehålla 32-bitarskombinationer, medan de ursprungliga symbolerna - endast 16. Därför kan du i den resulterande koden välja 16 sådana kombinationer som inte innehåller ett stort antal nollor, och räkna resten förbjudna koder (kodöverträdelse). Förutom att ta bort DC och göra koden självsynkroniserande tillåter redundanta koder mottagaren att känna igen skadade bitar. Om mottagaren får en förbjuden kod betyder det att signalen har förvrängts på linjen. 4V/5V-koden sänds över linjen med hjälp av fysisk kodning med en av de potentiella kodningsmetoderna som endast är känslig för långa sekvenser av nollor. 4V/5V-kodsymbolerna, 5 bitar långa, garanterar att inte mer än tre nollor i rad kan förekomma på linjen för någon kombination av dem. Bokstaven B i kodnamnet betyder att den elementära signalen har 2 tillstånd (från engelskan binary - binary). Det finns också koder med tre signaltillstånd, till exempel i 8B / 6T-koden, för att koda 8 bitar av initial information, används en kod med 6 signaler, som var och en har tre tillstånd. Redundansen för 8B/6T-koden är högre än den för 4B/5B-koden, eftersom det finns 729 (3 upp till 6) resulterande symboler för 256 källkoder. Att använda uppslagstabellen är en mycket enkel operation, så detta tillvägagångssätt komplicerar inte nätverkskort och gränssnittsblock för switchar och routrar (se avsnitt 9,11).

För att tillhandahålla en given linjekapacitet måste en sändare som använder en redundant kod arbeta med en ökad klockfrekvens. Så för att sända 4V / 5V-koder med en hastighet av 100 Mbps måste sändaren arbeta med en klockfrekvens på 125 MHz. I detta fall utökas spektrumet för signalen på linjen i jämförelse med fallet när en ren, icke-redundant kod sänds över linjen. Icke desto mindre visar sig spektrumet för den redundanta potentialkoden vara smalare än Manchester-kodens spektrum, vilket motiverar det ytterligare steget av logisk kodning, såväl som driften av mottagaren och sändaren vid en ökad klockfrekvens.

Ett annat sätt för logisk kodning är baserat på den preliminära "blandningen" av den initiala informationen på ett sådant sätt att sannolikheterna för uppkomsten av ettor och nollor på linjen blir nära. Enheter eller block som utför denna operation kallas scramblers(scramble - soptipp, oordnad montering). På klättra en välkänd algoritm används, så att mottagaren, efter att ha tagit emot binära data, sänder dem till avkodare, som återställer den ursprungliga bitsekvensen. Överskottsbitar sänds inte över linjen. Förbättrad potentiell redundans och kodade koder används i modern höghastighet nätverkstekniker istället för "Manchester" och bipolär pulskodning.

7.6. Teknik för multiplexering av kommunikationslinjer

För multiplexering("komprimering") av kommunikationslinjer används flera tekniker. Teknologi frekvensmultiplexering(Frequency Division Multiplexing - FDM) utvecklades ursprungligen för telefonnät, men används även för andra typer av nätverk, till exempel kabel-tv-nät. Denna teknik förutsätter överföring av signalerna från varje abonnentkanal till sitt eget frekvensområde och samtidig överföring av signaler från flera abonnentkanaler i en bredbandskommunikationslinje. Till exempel tar ingångarna på en FDM-växel emot initiala signaler från telefonnätsabonnenter. Switchen utför en frekvensöversättning av varje kanal i sitt eget frekvensband. Typiskt är högfrekvensområdet uppdelat i band som är allokerade för överföring av data från abonnentkanaler. I kommunikationslinjen mellan två FDM-switchar sänds signalerna från alla abonnentkanaler samtidigt, men var och en av dem upptar sitt eget frekvensband. Utgångs-FDM-omkopplaren separerar de modulerade signalerna för varje bärvågsfrekvens och sänder dem till motsvarande utgångskanal till vilken abonnenttelefonen är direkt ansluten. FDM-omkopplare kan utföra både dynamiska och permanenta omkopplingar. Vid dynamisk omkoppling initierar en abonnent en förbindelse med en annan abonnent genom att skicka det uppringda abonnentnumret till nätet. Omkopplaren allokerar dynamiskt till denna prenumerant ett av de fria körfälten. Med konstant omkoppling tilldelas bandet till abonnenten under lång tid. Principen för omkoppling baserad på frekvensdelning förblir oförändrad i nätverk av en annan typ, endast gränserna för de band som är allokerade till en separat abonnentkanal, såväl som deras antal, ändras.

Multiplexeringstekniktidsdelning(Time Division Multiplexing - TDM) eller temporär multiplexeringär baserad på användningen av TDM-utrustning (multiplexer, switchar, demultiplexer) som arbetar i tidsdelningsläget, och servar alla abonnentkanaler i sin tur under en cykel. Varje anslutning tilldelas en tidsdel av hårdvaruoperationscykeln, även kallad tidslucka. Tidsluckans längd beror på antalet abonnentkanaler som betjänas av utrustningen. TDM-nätverk kan stödja båda dynamisk, eller konstant byte, och ibland båda dessa lägen.

Nätverk med dynamisk omkoppling kräva en preliminär procedur för att upprätta en förbindelse mellan abonnenter. För att göra detta sänds adressen till den uppringda abonnenten till nätverket, som passerar genom switcharna och konfigurerar dem för efterföljande dataöverföring. Anslutningsbegäran dirigeras från en switch till en annan och når så småningom den uppringda parten. Nätverket kan vägra att upprätta en anslutning om kapaciteten för den erforderliga utgångskanalen redan är förbrukad. För en FDM-omkopplare är utgångskapaciteten lika med antalet frekvensband och för en TDM-omkopplare är den lika med antalet tidsluckor i vilka kanaloperationscykeln är uppdelad. Nätet vägrar också anslutningen om den efterfrågade abonnenten redan har upprättat en anslutning med någon annan. I det första fallet säger de att växeln är upptagen, och i det andra - abonnenten. Möjligheten för anslutningsfel är en nackdel med kretskopplingsmetoden. Om en anslutning kan upprättas tilldelas den en fast bandbredd i FDM-nätverk eller en fast bandbredd i TDM-nätverk. Dessa värden förblir oförändrade under hela anslutningsperioden. Garanterad nätverksgenomströmning efter att en anslutning upprättats är en viktig funktion som krävs för applikationer som röst- och videoöverföring eller objektkontroll i realtid.

Om det bara finns en fysisk kommunikationskanal, till exempel vid datautbyte med modem via telefonnät, är duplexdriftsläget organiserat på basis av att dela kanalen i två logiska underkanaler med användning av FDM- eller TDM-teknologier. När du använder FDM-teknik fungerar modem för att organisera duplexdrift på en tvåtrådslinje vid fyra frekvenser (två frekvenser - för kodning av ettor och nollor vid sändning av data i en riktning, och de andra två frekvenserna - för kodning vid sändning i motsatt riktning). Inom TDM-teknik används vissa tidsluckor för att överföra data i en riktning, och några används för att överföra data i den andra riktningen. Vanligtvis växlar tidsluckor i motsatta riktningar.

I fiberoptiska kablar för organisation av duplexdrift vid användning av endast en optisk fiber, utförs dataöverföring i en riktning med en ljusstråle med en våglängd och i motsatt riktning - en annan våglängd. Denna teknik är i huvudsak relaterad till FDM-metoden, men för fiberoptiska kablar kallas den våglängdsmultiplexeringsteknik(Wave Division Multiplexing - WDM) eller Vinka multiplexering.

Teknologität våg(spektral)multiplexering(Dense Wave Division Multiplexing - DWDM) är designad för att skapa en ny generation av optiska stamnät som arbetar med multi-gigabit och terabit hastigheter. Ett sådant kvalitativt språng i prestanda tillhandahålls på grund av det faktum att information i en optisk fiber sänds samtidigt av ett stort antal ljusvågor. DWDM-nätverk fungerar enligt principen om kretskoppling, där varje ljusvåg representerar en separat spektralkanal och bär sin egen information. En av de främsta fördelarna med DWDM-teknik är en betydande ökning av utnyttjandefaktorn för frekvenspotentialen för optisk fiber, vars teoretiska bandbredd är 25 000 GHz.

Sammanfattning

I moderna telekommunikationssystem överförs information genom elektromagnetiska vågor - elektriska, ljus- eller radiosignaler.

Kommunikationslinjer, beroende på typen av fysiskt medium för informationsöverföring, kan vara kabel (trådbundna) eller trådlösa. Som kommunikationsledningar används telefonkablar baserade på parallella icke tvinnade ledare, koaxialkablar, kablar baserade på tvinnade ledarepar (oskärmade och skärmade), fiberoptiska kablar. De mest effektiva idag och lovande inom en snar framtid är kablar baserade på tvinnade par av ledare och fiberoptiska kablar. Trådlösa kommunikationslinjer implementeras oftast genom att sända radiosignaler i olika radiovågsband. Infraröd trådlös dataöverföringsteknik använder en del av det elektromagnetiska spektrumet mellan synligt ljus och de kortaste mikrovågorna. Den mest höghastighets- och bullerbeständiga är lasertekniken för trådlös kommunikation.

De viktigaste egenskaperna hos kommunikationslinjer är frekvensgången, bandbredden och dämpningen vid en viss frekvens.

Genomströmningen av en kommunikationslinje kännetecknar den maximalt möjliga dataöverföringshastigheten över den. Brusimmuniteten för en kommunikationslinje bestämmer dess förmåga att minska nivån av störningar som genereras i den yttre miljön på interna ledare. Tillförlitligheten för dataöverföring kännetecknar sannolikheten för distorsion för varje överförd databit.

Representationen av diskret information i en eller annan form av de signaler som appliceras på kommunikationslinjen kallas fysisk kodning. Logisk kodning innebär att bitar av den ursprungliga informationen ersätts med en ny bitsekvens som bär samma information men som har ytterligare egenskaper.

För att sända diskreta data över kommunikationslinjer med ett smalt frekvensband används analog modulering, där information kodas genom att ändra amplituden, frekvensen eller fasen för en sinusformad bärvågsfrekvenssignal. Vid digital kodning av diskret information används potential- och impulskoder. För multiplexering av kommunikationslinjer används teknologier för frekvens-, tids- och vågmultiplexering.

Kontrollera frågor och uppgifter

1. Ange klassificeringen av kommunikationslinjer.

2. Beskriv de vanligaste kabelkommunikationslinjerna.

3. Presentera de viktigaste trådlösa kommunikationslinjerna och ange deras jämförande egenskaper.

4. På grund av vilka fysiska faktorer förvränger kommunikationskanaler sända signaler?

5. Vad är amplitud-frekvenskarakteristiken för en kommunikationskanal?

6. I vilka enheter mäts kommunikationskanalens bandbredd?

7. Beskriv begreppet "brusimmunitet för kommunikationslinjen."

8. Vad bestämmer karakteristiken "dataöverföringssäkerhet" och i vilka enheter mäts den?

9. Vad är "analog modulering" och vilka typer av den används för att överföra diskreta data?

10. Vilken enhet utför funktionerna att modulera bärvågssinusformen på den sändande sidan och demodulera den på den mottagande sidan?

11. Ange skillnaden mellan potential- och impulskodning av digitala signaler.

12. Vad är självsynkroniserande koder?

13. Vad är syftet med logisk kodning av digitala signaler och vilka metoder används?

14. Beskriv tekniken frekvensmultiplexering kommunikationslinjer.

15. Vilka egenskaper har tidsmultiplexeringstekniken?

16. Vilken multiplexeringsteknik används i fiberoptiska kablar för att organisera duplexdrift när endast en optisk fiber används?

17. Vad är syftet med tätvågsmultiplexeringsteknik?

Information som sänds över en kommunikationslinje utsätts vanligtvis för speciell kodning, vilket förbättrar överföringens tillförlitlighet. I det här fallet är ytterligare hårdvarukostnader för kodning och avkodning oundvikliga, och kostnaden för nätverkskort ökar.

Kodningen av information som sänds över ett nätverk är relaterad till förhållandet mellan den maximalt tillåtna överföringshastigheten och bandbredden för det använda överföringsmediet. Till exempel, med olika koder, kan den maximala överföringshastigheten över samma kabel skilja sig med en faktor två. Nätverksutrustningens komplexitet och tillförlitligheten av informationsöverföring beror också direkt på den valda koden.

För att överföra diskreta data över kommunikationskanaler används två metoder för fysisk kodning av initiala diskreta data - baserat på en sinusformad bärarsignal och baserat på en sekvens av rektangulära pulser. Det första sättet kallas ofta analog modulering, därför att kodning utförs genom att ändra parametrarna för den analoga signalen (amplitud, fas, frekvens). Det andra sättet kallas digital kodning. För närvarande sänds data i en analog form (tal, tv-bild) via kommunikationskanaler i en diskret form. Processen att representera analog information i diskret form kallas diskret modulering.

5.1Analog modulering

Representationen av diskreta data som en sinusformad signal kallas analog modulering. Analog modulering låter dig representera information som en sinusformad signal med olika nivåer av amplitud, fas eller frekvens. Du kan också använda kombinationer av ändrade parametrar - amplitud och frekvens, amplitud-fas. Till exempel, om du bildar en sinusformad signal med fyra amplitudnivåer och fyra frekvensnivåer, kommer detta att ge 16 tillstånd av informationsparametern, vilket innebär 4 bitar information för en ändring.

Det finns tre huvudtyper av analog modulering:

amplitud,

frekvens,

Amplitudmodulering.(AM) Med amplitudmodulering, för en logisk etta, väljs en nivå av amplituden för bärvågsfrekvensen sinusoid och för en logisk nolla en annan (se fig. 5.1). Signalens frekvens förblir konstant. Denna metod används sällan i sin rena form i praktiken på grund av låg brusimmunitet, men används ofta i kombination med en annan typ av modulering - fasmodulering.

Ris. 5.1 Olika typer modulation

Frekvensmodulering. ( världscupen) Med frekvensmodulering sänds värdena på logisk 0 och logisk 1 av de initiala data av sinusoider med olika frekvenser - f 1 och f 2 (se fig. 5.1). Signalamplituden förblir konstant. Denna moduleringsmetod kräver inte komplicerade kretsar i modem och används vanligtvis i låghastighetsmodem.

Fasmodulering. (FM) Med fasmodulering motsvarar värdena på logisk 0 och 1 signaler med samma frekvens, men med en annan fas (inverterad), till exempel 0 och 180 grader eller 0,90, 180 och 270 grader. Den resulterande signalen ser ut som en sekvens av inverterade sinusvågor (se figur 5.1). Signalens amplitud och frekvens förblir konstant.

Kombinerade moduleringsmetoder används för att öka överföringshastigheten (öka antalet bitar per cykel av informationsparametern). De vanligaste metoderna kvadratur amplitud modulering (Fuadratur Amplitud Modulation, QAM). Dessa metoder använder en kombination av fasmodulering med 8 fasskiftvärden och amplitudmodulering med 4 amplitudnivåer. Med denna metod är 32 signalkombinationer möjliga. Och även om inte alla används, ökar hastigheten fortfarande avsevärt, och på grund av redundans kan fel i dataöverföringen kontrolleras. Till exempel, i vissa koder tillåts endast 6, 7 eller 8 kombinationer representera originaldata, och de återstående kombinationerna är förbjudna. Sådan kodningsredundans krävs för att modemet ska känna igen felaktiga signaler som är ett resultat av distorsion på grund av interferens, vilka på telefonkanaler, speciellt omkopplade sådana, har mycket stor amplitud och lång tid.

Låt oss bestämma på vilka linjer analog modulering kan fungera, och i vilken utsträckning denna metod uppfyller bandbredden för en eller annan använd transmissionslinje, för vilken vi överväger spektrumet av de resulterande signalerna. Ta till exempel amplitudmoduleringsmetoden. Spektrum för den resulterande signalen med amplitudmodulering kommer att bestå av en sinusform av bärvågsfrekvensen f Med och två sidoövertoner:

(f Med -f m ) Och (f Med +f m ), Var f m- Modulationsfrekvens (ändringar i informationsparametern för sinusoiden), som kommer att sammanfalla med datahastigheten om två amplitudnivåer används.

Ris. 5.2 Signalspektrum med amplitudmodulering

Frekvens f m bestämmer linjens bandbredd för en given kodningsmetod. Med en låg moduleringsfrekvens kommer bredden på signalspektrumet också att vara liten (lika med 2f m se figur 5.2), så signaler kommer inte att förvrängas av linjen om dess bandbredd är större än eller lika med 2f m .

Sålunda, med amplitudmodulering, har den resulterande signalen ett smalt spektrum.

Med fas- och frekvensmodulering är signalspektrat mer komplext än med amplitudmodulering, eftersom mer än två sidoövertoner bildas här, men de är också symmetriskt placerade i förhållande till huvudbärvågsfrekvensen och deras amplituder minskar snabbt. Därför är dessa typer av modulering också väl lämpade för dataöverföring över linjer med smala bandbredder. En typisk representant för sådana linjer är röstfrekvenskanalen, som görs tillgänglig för användare av allmänna telefonnät.

Av det typiska frekvenssvaret för en röstfrekvenskanal kan man se att denna kanal sänder frekvenser i området från 300 till 3400 Hz, och därmed är dess bandbredd 3100 Hz (se figur 5.3).

Ris. 5.3 frekvenssvar för röstfrekvenskanalen

Även om den mänskliga rösten har ett mycket bredare spektrum - från cirka 100 Hz till 10 kHz - för acceptabel talkvalitet, är ett intervall på 3100 Hz en bra lösning. Den strikta bandbreddsbegränsningen för tonkanalen är förknippad med användningen av multiplexerings- och kretskopplingsutrustning i telefonnät.

För en röstfrekvenskanal ger således amplitudmodulering en dataöverföringshastighet på högst 3100/2=1550 bit/s. Om du använder flera nivåer av informationsparametern (4 nivåer av amplitud), så fördubblas genomströmningen av röstfrekvenskanalen.

Oftast används analog kodning vid överföring av information över en kanal med smal bandbredd, till exempel över telefonlinjer i wide area-nätverk. I lokala nätverk används det sällan på grund av den höga komplexiteten och kostnaden för både kodnings- och avkodningsutrustning.

För närvarande utvecklas nästan all utrustning som fungerar med analoga signaler på basis av dyra mikrokretsar. DSP (Digital Signal Processor). I detta fall, efter modulering och signalöverföring, är det nödvändigt att utföra demodulering vid mottagning, och detta är återigen dyr utrustning. För att utföra funktionen att modulera bärvågssinusformen på sändningssidan och demodulera på mottagningssidan används en speciell anordning, som kallas modem (modulator-demodulator). Ett 56 000 bps modem kostar $100, och LAN-kort för 100 Mbps kostar $10.

Sammanfattningsvis presenterar vi fördelarna och nackdelarna med analog modulering.

Analog modulering har många olika informationsparametrar: amplitud, fas, frekvens. Var och en av dessa parametrar kan anta flera tillstånd per operatörsbyte. Och därför kan den resulterande signalen förmedla Ett stort antal bitar per sekund.

Analog modulering ger den resulterande signalen ett smalt spektrum, och därför är det bra där du behöver arbeta på dåliga linjer (med en smal bandbredd), den kan ge hög överföringshastighet där. Analog modulering kan också fungera på bra linjer, här är ytterligare en fördel med analog modulering särskilt viktig - förmågan att skifta spektrum i önskat område, beroende på bandbredden på linjen som används.

Analog modulering är svår att implementera och utrustningen som gör det är mycket dyr.

Analog modulering används där den inte kan undvaras, men i lokala nätverk används andra kodningsmetoder, för vilkas implementering behövs enkel och billig utrustning. Därför, oftast i lokala nätverk, vid överföring av data i kommunikationslinjer, används den andra metoden för fysisk kodning - digital kodning

5. 2.Digital kodning

Digital kodning- representation av information med rektangulära pulser. För digital kodning potential Och impuls koder.

Potentiella koder. I potentialkoder används endast värdet på signalpotentialen under cykelperioden för att representera logiska ettor och nollor, och dess fall, som bildar fullständiga pulser, tas inte med i beräkningen. Det är bara viktigt vilket värde den resulterande signalen har under cykelperioden.

impulskoder. Pulskoder representerar en logisk nolla och en logisk enhet antingen genom pulser med en viss polaritet, eller genom en del av pulsen - genom ett potentialfall i en viss riktning. Pulskodens värde inkluderar hela pulsen tillsammans med dess övergångar.

Låt oss definiera kraven för digital kodning. Till exempel behöver vi överföra diskreta data (en sekvens av logiska nollor och ettor) från utgången från en dator - källan - till ingången på en annan dator - mottagaren över kommunikationslinjen.

1. För dataöverföring har vi kommunikationslinjer som inte passerar alla frekvenser, de har vissa bandbredder beroende på typ. Vid kodning av data måste det därför tas med i beräkningen att den kodade datan "passeras igenom" av kommunikationslinjen.

2. Sekvenser av diskreta data måste kodas som digitala pulser med en viss frekvens. I det här fallet är det naturligtvis bäst att uppnå:

a) att frekvenserna för de kodade signalerna är låga för att generellt matcha kommunikationslänkarnas bandbredder.

b) att de kodade signalerna ger en hög överföringshastighet.

Således, bra kod måste ha mindre Hertz och fler bitar per sekund.

3. Datan som ska överföras är en oförutsägbart föränderlig sekvens av logiska nollor och ettor.

Låt oss koda dessa data på ett visst sätt med digitala pulser, hur kan vi sedan bestämma vilken frekvens den resulterande signalen har? För att bestämma den maximala frekvensen för en digital kod räcker det att ta hänsyn till den resulterande signalen vid kodning av privata sekvenser som:

sekvens av logiska nollor

sekvens av logiska

alternerande sekvens av logiska nollor och ettor

Vidare är det nödvändigt att dekomponera signalen med Fouriermetoden, hitta spektrumet, bestämma frekvenserna för varje överton och hitta signalens totala frekvens, medan det är viktigt att signalens huvudspektrum faller inom kommunikationslinjens bandbredd. För att inte göra alla dessa beräkningar räcker det att försöka bestämma den grundläggande övertonen i signalspektrat, för detta är det nödvändigt att gissa den första sinusformen från signalformen, som upprepar sin kontur av sin form, och sedan hitta perioden för denna sinusform. Perioden är avståndet mellan två signalförändringar. Då kan du också bestämma frekvensen för grundövertonen i signalspektrumet som F = 1/T, Var F- frekvens, T- signalperiod. För att underlätta ytterligare beräkningar antar vi att bithastigheten för signaländringen är lika med N.

Sådana beräkningar kan göras för varje digital kodningsmetod för att bestämma frekvensen för den resulterande signalen. Den resulterande signalen i digital kodning är en specifik sekvens av rektangulära pulser. För att representera en sekvens av rektangulära pulser som summan av sinusoider för att hitta spektrumet behövs ett stort antal sådana sinusoider. Spektrumet för en fyrkantvågsekvens kommer i allmänhet att vara mycket bredare än det för modulerade signaler.

Om en digital kod används för att överföra data på en röstfrekvenskanal, uppnås den övre gränsen för potentiell kodning för en dataöverföringshastighet på 971 bps, och den nedre gränsen är oacceptabel för alla hastigheter, eftersom kanalbandbredden börjar vid 300 Hz.

Det är därför digitala koder på röstfrekvenskanaler används helt enkelt aldrig. Men å andra sidan fungerar de väldigt bra i lokala nätverk som inte använder telefonlinjer för dataöverföring.

Således, digital kodning kräver en bred bandbredd för överföring av hög kvalitet.

4. Vid överföring av information över kommunikationslinjer från en källnod till en mottagarnod är det nödvändigt att tillhandahålla ett sådant överföringsläge där mottagaren alltid vet exakt vid vilken tidpunkt den tar emot data från källan, dvs det är nödvändigt att tillhandahålla synkronisering källa och mottagare. I nätverk är synkroniseringsproblemet svårare att lösa än när man utbyter data mellan block inom en dator eller mellan en dator och en skrivare. På korta avstånd fungerar ett schema baserat på en separat klockkommunikationslinje bra. I ett sådant schema tas information bort från datalinjen först i det ögonblick då klockpulsen anländer (se fig. 5.4).

Ris. 5.4 Synkronisering av mottagare och sändare över korta avstånd

Detta synkroniseringsalternativ är absolut inte lämpligt för något nätverk på grund av heterogeniteten i egenskaperna hos ledarna i kablarna. Över långa avstånd kan signalhastighetsrippel orsaka att klockan kommer så sent eller för tidigt för motsvarande datasignal att en databit hoppas över eller omläses. En annan anledning till att nätverk vägrar använda klockpulser är att spara ledare i dyra kablar. Därför använder nätverk den sk självsynkroniserande koder.

Självsynkroniserande koder- signaler som indikerar för mottagaren vid vilken tidpunkt det är nödvändigt att känna igen nästa bit (eller flera bitar, om koden är orienterad till mer än två signaltillstånd). Varje kraftigt fall i signal - den så kallade främre- kan fungera som en bra indikation för synkronisering av mottagaren med sändaren. Ett exempel på en självsynkroniserande kod skulle vara en sinusvåg. Eftersom förändringen i amplituden för bärvågsfrekvensen tillåter mottagaren att bestämma det ögonblick då ingångskoden visas. Men detta gäller analog modulering. Inom digital kodning finns det även metoder som skapar självsynkroniserande koder, men mer om det senare.

Således, en bra digital kod bör ge synkronisering

Efter att ha övervägt kraven för en bra digital kod, låt oss gå vidare till övervägandet av själva de digitala kodningsmetoderna.

5. 2.1 Potentiell kod utan återgång till noll NRZ

Denna kod fick sitt namn eftersom när en sekvens av 1:or sänds, återgår inte signalen till noll under cykeln (som vi kommer att se nedan, i andra kodningsmetoder sker en återgång till noll i detta fall).

Kod NRZ (Non Return to Zero)- utan att återgå till noll - detta är den enklaste tvånivåkoden. Den resulterande signalen har två potentialnivåer:

Noll motsvarar den nedre nivån, enhet - den övre. Informationsövergångar sker vid en bitgräns.

Låt oss betrakta tre specialfall av dataöverföring med koden NRZ: en alternerande sekvens av nollor och ettor, en sekvens av nollor och en sekvens av ettor (se fig. 5.5, a).

Ris. 5.5 NRZ-kod

Låt oss försöka avgöra om den här koden uppfyller de angivna kraven. För att göra detta är det nödvändigt att bestämma den grundläggande övertonen i spektrumet med potentiell kodning i vart och ett av de presenterade fallen för att mer exakt bestämma vilken NRZ-kod som har krav på den använda kommunikationslinjen.

Det första fallet - information överförs, bestående av en oändlig sekvens av alternerande ettor och nollor (se fig. 5.5, b).

Denna figur visar att vid alternerande ettor och nollor kommer två bitar 0 och 1 att sändas i en cykel. 4.22b N- bithastighet, perioden för denna sinusform är lika med T=2N. Frekvensen för den grundläggande övertonen är i detta fall lika med f 0 = N/2.

Som du kan se, med en sådan sekvens av denna kod, är dataöverföringshastigheten två gånger signalfrekvensen.

Vid sändning av sekvenser av nollor och ettor är den resulterande signalen likström, frekvensen för signaländringen är noll f 0 = 0 .

Spektrumet för en riktig signal förändras ständigt beroende på vilken data som sänds över kommunikationslinjen, och man bör vara försiktig med sändningar av långa sekvenser av nollor eller sådana som förskjuter signalspektrumet mot låga frekvenser. Därför att NRZ-kod vid sändning av långa sekvenser av nollor eller ettor har en konstant komponent.

Det är känt från signalteorin att, förutom kraven på bredd, ett annat mycket viktigt krav ställs på spektrumet för den överförda signalen - ingen konstant komponent(närvaron av likström mellan mottagaren och sändaren), eftersom användningen av olika transformatorväxlar passerar inte i kommunikationslinjen D.C..

Därför kommer en del av informationen helt enkelt att ignoreras av denna länk. Därför försöker de i praktiken alltid bli av med närvaron av en konstant komponent i bärarsignalens spektrum redan vid kodningsstadiet.

Därför har vi identifierat ytterligare ett krav för en bra digital kod den digitala koden ska inte ha en konstant komponent.

En annan nackdel med NRZ är - brist på synkronisering. I det här fallet hjälper endast ytterligare metoder för synkronisering, som vi kommer att prata om senare.

En av de största fördelarna med NRZ-koden är enkelheten. För att generera rektangulära pulser behövs två transistorer, och komplexa mikrokretsar behövs för att implementera analog modulering. Potentialsignalen behöver inte kodas och avkodas, eftersom samma metod används för dataöverföring inuti datorn.

Som ett resultat av allt som visas ovan kommer vi att dra flera slutsatser som hjälper oss när vi överväger andra digitala kodningsmetoder:

NRZ är mycket lätt att implementera, har bra feldetektering (på grund av två skarpt olika potentialer).

NRZ har en DC-komponent vid sändning av nollor och ettor, vilket gör det omöjligt att sända på transformatorisolerade ledningar.

NRZ är inte en självsynkroniserande kod och detta komplicerar dess överföring på vilken linje som helst.

Attraktionskraften hos NRZ-koden, på grund av vilken det är vettigt att förbättra den, ligger i den ganska låga frekvensen av den grundläggande övertonen fo, som är lika med N/2 Hz, som visas ovan. Alltså koden NRZ fungerar vid låga frekvenser från 0 till N/2 Hz.

Som ett resultat, i sin rena form, används inte NRZ-koden i nätverk. Ändå används dess olika modifieringar, där både den dåliga självsynkroniseringen av NRZ-koden och närvaron av en konstant komponent framgångsrikt elimineras.

Följande digitala kodningsmetoder har utvecklats med målet att på något sätt förbättra NRZ-kodens förmåga

5. 2.2. AMI alternativ inversion bipolär kodningsmetod

Metod för bipolär kodning med alternativ inversion (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)är en modifiering av NRZ-metoden.

Denna metod använder tre potentialnivåer - negativ, noll och positiv. Tre signalnivåer är en nackdel med koden, eftersom för att skilja mellan tre nivåer behövs ett bättre signal-brusförhållande vid ingången till mottagaren. Det ytterligare lagret kräver en ökning av sändareffekten med cirka 3 dB för att tillhandahålla samma bittrohet på linjen, vilket är en allmän nackdel med flertillståndskoder jämfört med tvånivåkoder. I AMI-koden används en nollpotential för att koda en logisk nolla, en logisk kodas antingen av en positiv potential eller en negativ, medan potentialen för varje ny är motsatt potentialen för den tidigare.

Ris. 5.6 AMI-kod

Denna kodningsteknik eliminerar delvis problemen med DC-komponenten och avsaknaden av självsynkronisering som är inneboende i NRZ-koden vid sändning av långa sekvenser av ettor. Men problemet med den konstanta komponenten kvarstår för honom när han sänder sekvenser av nollor (se fig. 5.6).

Låt oss överväga särskilda fall av kodoperationen och bestämma den grundläggande övertonen för det resulterande signalspektrumet för var och en av dem. Med en sekvens av nollor - signal - likström - fo \u003d 0 (Fig. 5.7, a)

Ris. 5.7 Bestämma grundfrekvenserna för AMI-spektrumet

Av denna anledning behöver AMI-koden också förbättras ytterligare. Vid sändning av en sekvens av enheter är signalen på linjen en sekvens av bipolära pulser med samma spektrum som NRZ-koden som sänder alternerande nollor och ettor, det vill säga utan en konstant komponent och med en grundläggande överton fo = N/2 Hz.

Vid sändning av alternerande ettor och nollor är den grundläggande övertonen fo = N/4 Hz, vilket är två gånger mindre än den för NRZ-koden.

I allmänhet, för olika kombinationer av bitar på linjen, leder användningen av AMI-koden till ett smalare signalspektrum än för NRZ-koden, och följaktligen till en högre linjegenomströmning. AMI-koden tillhandahåller också vissa funktioner för att känna igen felaktiga signaler. Således indikerar ett brott mot den strikta växlingen av signalernas polaritet en falsk impuls eller försvinnandet av en korrekt impuls från linjen. En signal med felaktig polaritet kallas en förbjuden signal. (signalera överträdelse).

Följande slutsatser kan dras:

AMI avbryter DC-komponenten när en sekvens av ettor sänds;

AMI har ett smalt spektrum - från N/4 - N/2;

AMI eliminerar delvis synkroniseringsproblem

AMI använder inte två, utan tre signalnivåer på linjen och detta är dess nackdel, men följande metod lyckades eliminera det.

5. 2.3 Potentiell kod med invertering vid enhet NRZI

Denna kod är helt lik AMI-koden, men använder bara två signalnivåer. När noll sänds sänder den potentialen som ställdes in i föregående cykel (det vill säga den ändrar den inte), och när en sänds inverteras potentialen till det motsatta.

Denna kod kallas potentiell kod med invertering vid ett (icke återgå till noll med ettor inverterad, NRZI).

Det är bekvämt i fall där användningen av den tredje signalnivån är mycket oönskad, till exempel i optiska kablar, där två signaltillstånd känns igen tillförlitligt - ljust och mörkt.

Ris. 5.8 NRZI-kod

NRZI-koden skiljer sig i formen på den resulterande signalen från AMI-koden, men om du beräknar de grundläggande övertonerna, för varje fall, visar det sig att de är desamma. För en sekvens av alternerande ettor och nollor är grundfrekvensen för signalen fo=N/4.(se fig. 5.9, a). För med en sekvens av enheter - fo=N/2. Med en sekvens av nollor kvarstår samma nackdel fo=0- likström i ledningen.

Ris. 5.9 Bestämma grundfrekvenserna för spektrumet för NRZI

Slutsatserna är följande:

NRZI - ger samma möjligheter som AMI-koden, men använder endast två signalnivåer för detta och är därför mer lämpad för ytterligare förbättringar. Nackdelar med NRZI är en DC-komponent med en sekvens av nollor och brist på synkronisering under överföring. NRZI-koden blev grunden för utvecklingen av mer avancerade kodningsmetoder på högre nivåer.

5. 2.4 Kod MLT3

Kod för trenivåöverföring MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) har mycket gemensamt med NRZI-koden. Dess viktigaste skillnad är tre signalnivåer.

En motsvarar övergången från en signalnivå till en annan. En förändring i nivån på den linjära signalen inträffar endast om en enhet tas emot vid ingången, men till skillnad från NRZI-koden väljs genereringsalgoritmen på ett sådant sätt att två intilliggande förändringar alltid har motsatta riktningar.

Ris. 5.10 Potentiell MLT-3-kod

Tänk på speciella fall, som i alla tidigare exempel.

Vid sändning av nollor har signalen också en konstant komponent, signalen ändras inte - fo = 0 Hz. (Se figur 5.10). När alla ettor sänds är informationsövergångar fixerade vid bitgränsen, och en signalcykel kan ta emot fyra bitar. I detta fall fo=N/4 Hz - maximal kodfrekvens MLT-3 vid överföring av alla enheter (Fig. 5.11, a).

Ris. 5.11 Bestämma grundfrekvenserna för spektrumet för MLT-3

I fallet med en alternerande sekvens, koden MLT-3 har en maximal frekvens lika med fo=N/8, vilket är två gånger mindre än NRZI-koden, därför har denna kod en smalare bandbredd.

Som du märkte är nackdelen med MLT-3-koden, liksom NRZI-koden, bristen på synkronisering. Detta problem löses med en extra datatransformation som eliminerar långa sekvenser av nollor och möjligheten till desynkronisering. Den allmänna slutsatsen kan dras enligt följande - användningen av trenivåkodning MLT-3 låter dig minska klockfrekvensen för linjesignalen och därigenom öka överföringshastigheten.

5. 2.5 Bipolär pulskod

Förutom potentiella koder används även impulskoder när datan representeras av en hel impuls eller dess del - en front.

Det enklaste fallet med detta tillvägagångssätt är bipolär pulskod, där enheten representeras av en puls med en polaritet, och noll är den andra. Varje puls varar en halv cykel (Fig. 5.12). Bipolär pulskod - trenivåkod. Låt oss betrakta de resulterande signalerna under dataöverföring genom bipolär kodning i samma speciella fall.

Ris. 5.12 Bipolär pulskod

En egenskap hos koden är att det alltid finns en övergång (positiv eller negativ) i mitten av biten. Därför är varje bit märkt. Mottagaren kan extrahera en synkpuls (strobe) med en pulsrepetitionshastighet från själva signalen. Bindning görs till varje bit, vilket säkerställer synkronisering av mottagaren med sändaren. Sådana koder, som bär en stroboskop, kallas självsynkroniserande. Betrakta spektrumet av signaler för varje fall (Fig. 5.13). Vid sändning av alla nollor eller ettor, frekvensen för kodens grundläggande överton fo=N Hz, vilket är två gånger grunden för NRZ-koden och fyra gånger grunden för AMI-koden. När du sänder alternerande ettor och nollor - fo=N/2

Ris. 5.13 Bestämning av spektrumets huvudfrekvenser för en bipolär pulskod.

Denna brist i koden ger ingen vinst i dataöverföringshastighet och indikerar tydligt att impulskoderna är långsammare än potentiella.

Till exempel kräver en 10 Mbps-länk en bärvågsfrekvens på 10 MHz. När man sänder en sekvens av alternerande nollor och ettor, ökar hastigheten, men inte mycket, eftersom frekvensen för grundövertonen för koden fо=N/2 Hz.

Den bipolära pulskoden har en stor fördel jämfört med tidigare koder – den är självsynkroniserande.

Den bipolära pulskoden har ett brett signalspektrum och är därför långsammare.

Den bipolära pulskoden använder tre nivåer.

5. 2.6 Manchester-kod

Manchester kod utvecklades som en förbättrad bipolär pulskod. Manchester-koden hänvisar också till självsynkroniserande koder, men till skillnad från den bipolära koden har den inte tre, utan bara två nivåer, vilket ger bättre brusimmunitet.

I Manchester-koden används ett potentialfall, det vill säga fronten av pulsen, för att koda ettor och nollor. I Manchester-kodning är varje klocka uppdelad i två delar. Informationen kodas av potentiella fall som uppstår i mitten av varje cykel. Det händer så här:

En enhet kodas av en låg-till-hög-övergång, och en nolla kodas av en omvänd flank. I början av varje cykel kan en servicesignalflank uppstå om du behöver representera flera ettor eller nollor i rad.

Låt oss överväga speciella fall av kodning (sekvenser av alternerande nollor och ettor, några nollor, några ettor), och sedan kommer vi att bestämma huvudövertonerna för var och en av sekvenserna (se fig. 5.14). I alla fall kan man se att med Manchester-kodning gör signaländringen i mitten av varje bit det enkelt att isolera klocksignalen. Därför har Manchester-koden goda självsynkroniserande egenskaper.

Ris. 5.14 Manchester-kod

Självsynkronisering gör det alltid möjligt att sända stora informationspaket utan förlust på grund av skillnader i sändarens och mottagarens klockfrekvens.

Så låt oss bestämma grundfrekvensen när vi bara sänder ettor eller bara nollor.

Ris. 5.15 Bestämning av spektrumets huvudfrekvenser för Manchester-koden.

Som man kan se när man sänder både nollor och ettor finns det ingen konstant komponent. Grundläggande frekvens fo=NHz, som i bipolär kodning. På grund av detta kan den galvaniska isoleringen av signaler i kommunikationslinjer utföras på de enklaste sätten, till exempel med hjälp av pulstransformatorer. Vid sändning av alternerande ettor och nollor är frekvensen för grundtonen lika med fo=N/2Hz.

Manchester-koden är således en förbättrad bipolär kod, förbättrad genom att endast använda två signalnivåer för dataöverföring, och inte tre, som i bipolär. Men den här koden är fortfarande långsam jämfört med NRZI som är dubbelt så snabb.

Tänk på ett exempel. Ta för dataöverföring en kommunikationslinje med en bandbredd 100 MHz och hastighet 100 Mbps. Om vi ​​tidigare bestämde datahastigheten vid en given frekvens, måste vi nu bestämma frekvensen för signalen vid en given linjehastighet. Baserat på detta bestämmer vi att för dataöverföring med NRZI-koden är frekvensområdet från N / 4-N / 2 tillräckligt för oss - det här är frekvenser från 25 -50 MHz, dessa frekvenser ingår i bandbredden på vår linje - 100 MHz. För Manchester-koden behöver vi ett frekvensområde från N / 2 till N - det här är frekvenser från 50 till 100 MHz, i detta område är huvudövertonerna i signalspektrumet belägna. För Manchester-koden uppfyller den inte bandbredden för vår linje, och därför kommer linjen att sända en sådan signal med stora förvrängningar (en sådan kod kan inte användas på den här linjen).

5.2.7Differentiell Manchester-kod.

Differentiell Manchester-kodär en typ av Manchester-kodning. Den använder mitten av klockintervallet för linjesignalen endast för synkronisering, och det finns alltid en förändring i signalnivån på den. Logisk 0 och 1 sänds genom närvaron eller frånvaron av en signalnivåförändring i början av klockintervallet (fig. 5.16)

Ris. 5.16 Differential Manchester-kod

Denna kod har samma fördelar och nackdelar som den Manchester. Men i praktiken är det den differentiella Manchester-koden som används.

Således brukade Manchester-koden vara mycket aktiv i lokala nätverk (när höghastighetslinjer var en stor lyx för ett lokalt nätverk), på grund av sin självsynkronisering och avsaknaden av en konstant komponent. Det används fortfarande i stor utsträckning i fiberoptiska och elektriska nätverk. Nyligen har dock utvecklare kommit till slutsatsen att det fortfarande är bättre att använda potentiell kodning, vilket eliminerar dess brister med den s.k. logisk kodning.

5.2.8Potentiell kod 2B1Q

Kod 2B1Q- potentialkod med fyra signalnivåer för datakodning. Dess namn återspeglar dess väsen - varannan bit (2B) sänds i en cykel av en signal som har fyra tillstånd (1Q).

Pare bit 00 motsvarar potential (-2,5V), ett par bitar 01 motsvarar potential (-0,833 V), par 11 - potential (+0,833 V), och ett par 10 - potential ( +2,5 V).

Ris. 5.17 Potentiell kod 2B1Q

Som kan ses i figur 5.17 kräver denna kodningsmetod ytterligare åtgärder för att hantera långa sekvenser av identiska bitpar, eftersom detta förvandlar signalen till en DC-komponent. Därför, när du sänder både nollor och ettor fo=0Hz. Vid alternerande ettor och nollor är signalspektrumet dubbelt så smalt som kodens NRZ, eftersom cykelns varaktighet fördubblas med samma bithastighet - fo=N/4Hz.

Med hjälp av 2B1Q-koden kan du alltså överföra data över samma linje dubbelt så snabbt som att använda AMI- eller NRZI-koden. Men för dess implementering måste sändareffekten vara högre så att de fyra potentialnivåerna (-2,5V, -0,833 V, +0,833 V, +2,5 V) tydligt urskiljs av mottagaren mot bakgrund av störningar.

5. 2.9 Kod PAM5

Alla signalkodningsscheman vi har övervägt ovan var bitbaserade. Med bitkodning motsvarar varje bit ett signalvärde som bestäms av protokolllogiken.

Med byte-kodning sätts signalnivån med två eller flera bitar. I en femnivåkod PAM5 5 spänningsnivåer (amplituder) och tvåbitars kodning används. Varje kombination har sin egen spänningsnivå. Med tvåbitars kodning krävs fyra nivåer för att överföra information (två till andra graden - 00, 01, 10, 11 ). Att sända två bitar samtidigt ger en halvering av signalförändringshastigheten. Den femte nivån läggs till för att skapa redundans i koden som används för felkorrigering. Detta ger en extra marginal för signal-brusförhållande.

Ris. 5.18 Kod PAM 5

5. 3. Logisk kodning

Logisk kodning löper tills fysisk kodning.

I stadiet av logisk kodning bildas vågformen inte längre, men bristerna med fysiska digitala kodningsmetoder, såsom bristen på synkronisering, närvaron av en konstant komponent, elimineras. Således bildas först korrigerade sekvenser av binär data med hjälp av logiska kodningsverktyg, som sedan sänds över kommunikationslinjer med hjälp av fysiska kodningsmetoder.

Logisk kodning innebär att bitar av den ursprungliga informationen ersätts med en ny sekvens av bitar som bär samma information, men som dessutom har ytterligare egenskaper, till exempel förmågan för den mottagande sidan att upptäcka fel i den mottagna datan. Att åtfölja varje byte av den ursprungliga informationen med en paritetsbit är ett exempel på en mycket vanlig metod för logisk kodning vid överföring av data med modem.

Separera två metoder för logisk kodning:

Redundanta koder

Förvrängning.

5. 3.1 Redundanta koder

Redundanta koder baseras på att dela upp den ursprungliga sekvensen av bitar i delar, som ofta kallas tecken. Sedan ersätts varje originaltecken med en ny som har fler bitar än originalet. Ett tydligt exempel på redundant kod är 4V/5V logikkoden.

Logisk kod 4V/5V ersätter de ursprungliga 4-bitarstecken med 5-bitarstecken. Eftersom de resulterande symbolerna innehåller redundanta bitar är det totala antalet bitkombinationer i dem större än i de ursprungliga. Sålunda ger fembitarsschemat 32 (2 5) tvåsiffriga alfanumeriska tecken, med ett värde i decimalkod från 00 till 31. Medan originaldata endast kan innehålla fyra bitar eller 16 (2 4) tecken.

Därför kan du i den resulterande koden välja 16 sådana kombinationer som inte innehåller ett stort antal nollor och räkna resten förbjudna koder (kodöverträdelse). I det här fallet bryts de långa strängarna med nollor och koden blir självsynkroniserande för alla överförda data. Den konstanta komponenten försvinner också, vilket gör att signalspektrumet smalnar av ännu mer. Men denna metod minskar den användbara bandbredden för linjen, eftersom de redundanta enheterna för användarinformation inte bär och bara "upptar sändningstiden". De redundanta koderna tillåter mottagaren att känna igen skadade bitar. Om mottagaren får en förbjuden kod betyder det att signalen har förvrängts på linjen.

Så låt oss titta på jobbet. logisk kod 4V/5V. Den konverterade signalen har 16 värden för informationsöverföring och 16 redundanta värden. I mottagaravkodaren avkodas fem bitar som informations- och servicesignaler.

Nio symboler är tilldelade för servicesignaler, sju symboler är exkluderade.

Kombinationer med fler än tre nollor är exkluderade (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Sådana signaler tolkas av symbolen V och mottagarteamet ÖVERTRÄDELSE- misslyckande. Kommandot indikerar ett fel på grund av hög störning eller sändarfel. Den enda kombinationen av fem nollor (00 - 00000 ) hänvisar till servicesignaler, betyder symbolen F och har status TYST- ingen signal på linjen.

Sådan datakodning löser två problem - synkronisering och förbättring av brusimmunitet. Synkronisering sker på grund av eliminering av en sekvens på mer än tre nollor, och hög brusimmunitet uppnås av datamottagaren i ett fembitarsintervall.

Priset för dessa fördelar med denna metod för datakodning är en minskning av överföringshastigheten. användbar information. Till exempel, som ett resultat av att lägga till en redundant bit till fyra informationsbitar, blir bandbreddseffektiviteten i protokoll med kod MLT-3 och datakodning 4B/5B minskar med 25 % respektive.

Kodningsschema 4V/5V presenteras i tabellen.

Binär kod 4B	Resultatkod 5V

Så enligt denna tabell bildas koden 4V/5V sänds sedan över linjen med användning av fysisk kodning med användning av en av de potentiella kodningsmetoderna som endast är känslig för långa sekvenser av nollor - till exempel med användning av den digitala NRZI-koden.

4V/5V-kodsymbolerna, 5 bitar långa, garanterar att inte mer än tre nollor i rad kan förekomma på linjen för någon kombination av dem.

Brev I i kodnamnet betyder att den elementära signalen har 2 tillstånd - från engelska binär- binär. Det finns även koder med tre signaltillstånd, till exempel i koden 8V/6T för att koda 8 bitar av den ursprungliga informationen används en kod med 6 signaler, som var och en har tre tillstånd. Kodredundans 8V/6T högre än koden 4V/5V, eftersom det finns 3 6 = 729 resulterande symboler för 256 källkoder.

Som vi sa, logisk kodning sker före fysisk, därför utförs den av nätverkslänknivåutrustning: nätverksadaptrar och gränssnittsblock av switchar och routrar. Eftersom, som du själv har sett, användningen av en uppslagstabell är en mycket enkel operation, så komplicerar metoden för logisk kodning med redundanta koder inte funktionskraven för denna utrustning.

Det enda kravet är att sändaren som använder den redundanta koden måste arbeta med en högre klockfrekvens för att tillhandahålla en given linjekapacitet. Ja, för att skicka koder 4V/5V med fart 100 Mb/s sändaren måste arbeta med en klockfrekvens 125 MHz. I detta fall utökas spektrumet för signalen på linjen i jämförelse med fallet när en ren, icke-redundant kod sänds över linjen. Spektrumet för den redundanta potentialkoden är emellertid smalare än Manchesterkodens spektrum, vilket motiverar det ytterligare steget av logisk kodning, såväl som driften av mottagaren och sändaren vid en ökad klockfrekvens.

Följande slutsats kan alltså dras:

Främst för lokala nätverk enklare, mer tillförlitlig, bättre, snabbare - använd logisk datakodning med redundanta koder, vilket kommer att eliminera långa sekvenser av nollor och säkerställa signalsynkronisering, använd sedan en snabb digital kod för överföring på fysisk nivå NRZI, snarare än att använda en långsam men självsynkroniserande Manchester kod.

Till exempel, för att överföra data över en linje med en bandbredd på 100M bit/s och en bandbredd på 100 MHz, kräver NRZI-koden frekvenser på 25 - 50 MHz, detta är utan kodning 4V / 5V. Och om det tillämpas på NRZIäven 4V / 5V-kodning, nu kommer frekvensbandet att expandera från 31,25 till 62,5 MHz. Men inte desto mindre "passar" detta intervall fortfarande in i linjebandbredden. Och för Manchester-koden, utan användning av någon ytterligare kodning, behövs frekvenser från 50 till 100 MHz, och dessa är frekvenserna för huvudsignalen, men de kommer inte längre att passeras av 100 MHz-linjen.

5. 3.2 Förvrängning

En annan metod för logisk kodning är baserad på den preliminära "blandningen" av den ursprungliga informationen på ett sådant sätt att sannolikheten för förekomsten av ettor och nollor på linjen blir nära.

Enheter eller block som utför denna operation kallas scramblers (scramble - dumpning, slumpmässig montering).

På klättra data blandas enligt en viss algoritm och mottagaren, efter att ha tagit emot binär data, sänder den till avkodare, som återställer den ursprungliga bitsekvensen.

Överskottsbitar sänds inte över linjen.

Kärnan i förvrängning är helt enkelt en bit-för-bit förändring i dataströmmen som passerar genom systemet. Nästan den enda operationen som används i scramblers är XOR - "bitvis XOR", annars säger man - tillägg av modul 2. När två enheter läggs till med exklusivt ELLER, kasseras den högsta enheten och resultatet skrivs - 0.

Förvrängningsmetoden är mycket enkel. Kom först med en scrambler. Med andra ord, de kommer på vilket förhållande för att blanda bitarna i den ursprungliga sekvensen med hjälp av "exklusivt ELLER". Sedan, enligt detta förhållande, väljs värdena för vissa bitar från den aktuella bitsekvensen och adderas enligt XOR sinsemellan. I det här fallet skiftas alla bitar med 1 bit, och det nyss mottagna värdet ("0" eller "1") placeras i den frigjorda minst signifikanta biten. Värdet som var i den mest signifikanta biten innan skiftet läggs till i kodningssekvensen och blir dess nästa bit. Därefter skickas denna sekvens till linjen, där den, med hjälp av fysiska kodningsmetoder, sänds till mottagarnoden, vid vars ingång denna sekvens avkodas baserat på det omvända förhållandet.

Till exempel kan en scrambler implementera följande relation:

Var Bi- binär siffra för den resulterande koden som erhålls i den i:te cykeln av förvrängaren, AI- binär siffra i källkoden, som kommer vid den i:te cykeln till ingången på scramblern, B i-3 och B i-5- binära siffror för den resulterande koden som erhållits under föregående cykler av förvrängaren, 3 respektive 5 cykler tidigare än den aktuella cykeln,  - XOR-operation (modulo 2-addition).

Låt oss nu definiera den kodade sekvensen, till exempel för en sådan källsekvens 110110000001 .

Scramblern som definieras ovan kommer att producera följande resultatkod:

B 1 \u003d A 1 \u003d 1 (de första tre siffrorna i den resulterande koden kommer att vara samma som den ursprungliga, eftersom det inte finns några nödvändiga tidigare siffror ännu)

Således kommer utsignalen från scramblern att vara sekvensen 110001101111 . I vilken det inte finns någon sekvens av sex nollor som fanns i källkoden.

Efter att ha mottagit den resulterande sekvensen skickar mottagaren den till avkodaren, som rekonstruerar den ursprungliga sekvensen baserat på det omvända förhållandet.

Det finns andra olika krypteringsalgoritmer, de skiljer sig i antalet termer som ger siffran för den resulterande koden, och skiftningen mellan termerna.

Det största problemet med kodning baserad scramblers - synkronisering av sändande (kodnings) och mottagande (avkodnings) enheter. Om åtminstone en bit utelämnas eller felaktigt infogas, går all sänd information oåterkalleligt förlorad. Därför, i scrambler-baserade kodningssystem, ägnas mycket uppmärksamhet åt synkroniseringsmetoder. .

I praktiken används vanligtvis en kombination av två metoder för dessa ändamål:

a) lägga till synkroniseringsbitar till informationsströmmen, vilka är kända i förväg för den mottagande sidan, vilket gör det möjligt för den att, om en sådan bit inte hittas, aktivt börja söka efter synkronisering med avsändaren,

b) användningen av högprecisions-tidspulsgeneratorer, vilket gör det möjligt att avkoda de mottagna informationsbitarna "från minnet" utan synkronisering vid tidpunkter med förlust av synkronisering.

Det finns också enklare metoder för att hantera sekvenser av ettor, även klassade som scrambling.

För att förbättra koden Bipolär AMI två metoder används, baserade på den artificiella förvrängningen av nollsekvensen av förbjudna symboler.

Ris. 5.19 Koder B8ZS och HDB3

Denna figur visar användningen av metoden B8ZS (bipolär med 8-nollbyte) och metod HDB3 (High-Density Bipolar 3-Nollor) för att korrigera AMI-koden. Källkoden består av två långa sekvenser av nollor (8- i det första fallet och 5 i det andra).

Kod B8ZS korrigerar endast sekvenser som består av 8 nollor. För att göra detta, efter de tre första nollorna, istället för de återstående fem nollorna, infogar han fem siffror: V-1*-0-V-1*.V här betecknar en signal för en enhet som är förbjuden för en given polaritetscykel, det vill säga en signal som inte ändrar polariteten för den föregående enheten, 1 * - en signal för enheten med korrekt polaritet, och asterisken markerar det faktum att det i källkoden i denna cykel inte fanns en enhet utan en nolla. Som ett resultat ser mottagaren 2 distorsioner i 8 klockcykler - det är mycket osannolikt att detta hände på grund av brus på linjen eller andra överföringsfel. Därför betraktar mottagaren sådana överträdelser som kodning av 8 på varandra följande nollor och ersätter dem vid mottagning med de ursprungliga 8 nollorna.

B8ZS-koden är konstruerad på ett sådant sätt att dess konstanta komponent är noll för vilken sekvens av binära siffror som helst.

Kod HDB3 korrigerar alla fyra på varandra följande nollor i den ursprungliga sekvensen. Reglerna för att generera HDB3-koden är mer komplexa än B8ZS-koden. Var fjärde nolla ersätts av fyra signaler som har en V-signal. För att undertrycka DC-komponenten, signalens polaritet V växlar med successiva byten.

Dessutom används två mönster av fyrtaktskoder för ersättning. Om källkoden innehöll ett udda antal ettor före ersättningen, används sekvensen 000V, och om antalet enheter var jämnt - sekvensen 1*00V.

Således ger användningen av logisk kodning i samband med potentiell kodning följande fördelar:

Förbättrade kandidatkoder har en ganska smal bandbredd för alla sekvenser av 1:or och 0:or som förekommer i den överförda datan. Som ett resultat har koder härledda från potentialen genom logisk kodning ett smalare spektrum än Manchester, även vid en ökad klockfrekvens.