Основы передачи дискретных данных кратко

Обновлено: 05.07.2024

1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

2. 2 ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ ДАННЫХ

Любая сетевая технология должна обеспечить
надежную и быструю передачу дискретных данных по
линиям связи. И хотя между технологиями имеются
большие различия, они базируются на общих
принципах передачи дискретных данных, которые
рассматриваются ниже.
2.1 Линии связи
Линия связи состоит в общем случае из физической
среды, по которой передаются информационные
сигналы, аппаратуры передачи данных и
промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия
связи (line) является термин канал связи (channel).
2

Состав линии связи
Физическая среда передачи данных
Аппаратура
передачи
данных
(АПД)
Модем
Оконечное
оборудование
данных
(ООД)
К другим узлам сети
Усилитель
Мультиплексор
Коммутатор
Демультиплексор
Усилитель
Модем
.
Промежуточное оборудование линий связи
Линия связи
Типы линий связи
Физическая среда передачи данных (medium) может
представлять собой кабель (набор проводов),
изоляционных и защитных оболочек и соединительных
разъемов, а также земную атмосферу или космическое
пространство, через которые распространяются
электромагнитные волны.
3

В зависимости от типа среды передачи данных линии
связи разделяются на:
• проводные (воздушные);
• кабельные (медные и волоконно-оптические);
• радиоканалы наземной и спутниковой связи.
Проводные (воздушные) линии связи - провода без
каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток,
проложенные между столбами и висящие в воздухе.
Кабельные линии представляют собой сложную
конструкцию. Кабель состоит из проводников,
заключенных в несколько слоев изоляции:
электрической, электромагнитной, механической, а
также, возможно, климатической.
4

В компьютерных сетях применяются три основных типа
кабеля: кабели на основе скрученных пар медных
проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а
также волоконно-оптические кабели.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи
образуются с помощью передатчика и приемника
радиоволн. Существует большое количество
различных типов радиоканалов, отличающихся как
используемым частотным диапазоном, так и
дальностью канала.
В сетях применяются все типы физических сред
передачи данных, но наиболее перспективными
являются волоконно-оптические. На них сегодня
строятся как магистрали крупных территориальных
сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных
сетей.
5

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все
линии связи делятся на аналоговые и цифровые.
В аналоговых линиях промежуточная аппаратура
предназначена для усиления аналоговых сигналов, то
есть сигналов, которые имеют непрерывный диапазон
значений. Такие линии связи традиционно
применялись в телефонных сетях для связи АТС
между собой.
Для создания высокоскоростных каналов, которые
мультиплексируют несколько низкоскоростных
аналоговых абонентских каналов, при аналоговом
подходе обычно используется техника частотного
мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing,
FDM).
8

В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют
конечное число состояний. Как правило, элементарный
сигнал, то есть сигнал, передаваемый за один такт
работы передающей аппаратуры, имеет 2 или 3
состояния, которые передаются в линиях связи
импульсами прямоугольной формы.
В этих каналах используется промежуточная
аппаратура, которая улучшает форму импульсов и
обеспечивает их ресинхронизацию, то есть
восстанавливает период их следования. Эта аппаратура
(мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы)
работает по принципу временного мультиплексирования
каналов (Time Division Multiplexing, TDM), когда каждому
низкоскоростному каналу выделяется определенная
доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного
канала.
9

Характеристики линий связи
К основным характеристикам линий связи относятся:
амплитудно-частотная характеристика;
полоса пропускания;
затухание;
помехоустойчивость;
перекрестные наводки на ближнем конце линии;
пропускная способность;
достоверность передачи данных;
удельная стоимость.
Для определения характеристик линии связи часто
используют анализ ее реакций на некоторые эталонные
воздействия. Чаще всего в качестве эталонных
сигналов для исследования реакций линий связи
используются синусоидальные сигналы различных
частот.
10

9. В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Как правило, элементарный сигнал, то есть сигнал, передаваемы

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо
частоты приводит в конечном счете к искажению
передаваемого сигнала любой формы, особенно если
синусоиды различных частот искажаются неодинаково.
Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то
изменяется тембр голоса.
При передаче импульсных сигналов, характерных для
компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и
высокочастотные гармоники, в результате фронты
импульсов теряют свою прямоугольную форму.
Вследствие этого на приемном конце линии сигналы
могут плохо распознаваться.
Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того,
что ее физические параметры отличаются от идеальных.
11

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними
физическими параметрами линии связи, существуют и
внешние помехи, которые вносят свой вклад в
искажение формы сигналов на выходе линии.
Эти помехи создают различные электрические
двигатели, электронные устройства, атмосферные
явления и т. д.
Несмотря на защитные меры, предпринимаемые
разработчиками кабелей и усилительнокоммутирующей аппаратуры, полностью
компенсировать влияние внешних помех не удается.
Поэтому сигналы на выходе линии связи обычно имеют
сложную форму, по которой иногда трудно понять,
какая дискретная информация была подана на вход
линии.
13

12. Искажение импульсов в линии связи

Амплитудно-частотная характеристика, полоса
пропускания и затухание
Степень искажения синусоидальных сигналов линиями
связи оценивается с помощью таких характеристик, как
амплитудно-частотная характеристика, полоса
пропускания и затухание на определенной частоте.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
показывает, как затухает амплитуда синусоиды на
выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее
входе для всех возможных частот передаваемого
сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике
часто используют также такой параметр сигнала, как
его мощность.
14

Несмотря на полноту информации, предоставляемой
амплитудно-частотной характеристикой о линии связи,
ее использование осложняется тем обстоятельством,
что получить ее весьма трудно.
Поэтому на практике вместо амплитудно-частотной
характеристики применяются другие, упрощенные
характеристики — полоса пропускания и затухание.
Полоса пропускания (bandwidth) — это непрерывный
диапазон частот, для которого отношение амплитуды
выходного сигнала к входному превышает некоторый
заранее заданный предел, обычно 0,5.
Полоса пропускания определяет диапазон частот
синусоидального сигнала, при которых этот сигнал
передается по линии связи без значительных
искажений.
16

Затухание (attenuation) определяется как
относительное уменьшение амплитуды или мощности
сигнала при передаче по линии сигнала определенной
частоты.
Затухание представляет собой одну точку из
амплитудно-частотной характеристики линии. Часто
при эксплуатации линии заранее известна основная
частота передаваемого сигнала, то есть та частота,
гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и
мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой
частоте, чтобы приблизительно оценить искажения
передаваемых по линии сигналов.
Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel
— dB), вычисляется по формуле:
Pвых
A 10 lg
Pвх
17

Мощность выходного сигнала кабеля Рвых без
промежуточных усилителей всегда меньше, чем
мощность входного сигнала Рвх, поэтому затухание
кабеля всегда является отрицательной величиной.
Амплитудно-частотная характеристика, полоса
пропускания и затухание являются универсальными
характеристиками, и их знание позволяет сделать
вывод о том, как через линию связи будут
передаваться сигналы любой формы.
Полоса пропускания зависит от типа линии и ее
протяженности. На следующем слайде показаны
полосы пропускания линий связи различных типов, а
также наиболее часто используемые в технике связи
частотные диапазоны.
18

Частота
100 000 ТГц
10 000 ТГц
1000 ТГц
Ультрафиолетовые лучи
Видимый свет
100 ТГц
Инфракрасные лучи
10 ТГц
1 ТГц
100 ГГц
Каналы СВЧ
10 ГГц
Волоконно-оптический кабель
1 ГГц
100 МГц
Коаксиальный кабель
Витая пара
FM радио
10 МГц
1 МГц
АМ радио
100 кГц
10 кГц
1000 Гц
Звуковой диапазон
Телефонный канал тональной частоты
100 Гц
10 Гц
19

Пропускная способность линии
Пропускная способность (throughput) линии
характеризует максимально возможную скорость
передачи данных по линии связи. Пропускная
способность измеряется в битах в секунду — бит/с, а
также в производных единицах, таких как килобит в
секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в
секунду (Гбит/с) и т. д.
Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или
гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют
степеням 10, (то есть килобит-это 1000 бит, а мегабитэто 1 000 000 бит), как это принято во всех отраслях
науки и техники.
Пропускная способность линии связи зависит не только
от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная
характеристика, но и от спектра передаваемых
сигналов.
20

Волоконно-оптические кабели
Волоконно-оптические кабели состоят из центрального
проводника света (сердцевины) — стеклянного
волокна, окруженного другим слоем стекла —
оболочкой, обладающей меньшим показателем
преломления, чем сердцевина. Распространяясь по
сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы,
отражаясь от покрывающего слоя оболочки.
В зависимости от распределения показателя
преломления и от величины диаметра сердечника
различают:
• многомодовое волокно со ступенчатым изменением
показателя преломления;
• многомодовое волокно с плавным изменением
показателя преломления;
• одномодовое волокно.
27

Типы оптического кабеля
Показатель
преломления
40 - 100 мкм
Мода 1
а
Мода 2
Многомодовое волокно со ступенчатым
изменением показателя преломления
40 - 100 мкм
б
Многомодовое волокно с плавным
изменением показателя преломления
5 - 15 мкм
в
Одномодовое волокно
28

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF)
используются более широкие внутренние сердечники,
которые легче изготовить технологически. В стандартах
определены два наиболее употребительных
многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5
мкм или 50 мкм — это диаметр центрального проводника,
а 125 мкм — диаметр внешнего проводника.
В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике
одновременно существует несколько световых лучей,
отражающихся от внешнего проводника под разными
углами. Угол отражения луча называется модой луча. В
многомодовых кабелях с плавным изменением
коэффициента преломления режим распространения
каждой моды имеет более сложный характер.
30

Волоконно-оптические кабели обладают отличными
характеристиками всех типов: электромагнитными,
механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей
изоляции обладают хорошей механической прочностью).
Однако у них есть один серьезный недостаток —
сложность соединения волокон с разъемами и между
собой при необходимости наращивания длины кабеля.
Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного
превышает стоимость кабелей на витой паре, однако
проведение монтажных работ с оптоволокном обходится
намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой
стоимости применяемого монтажного оборудования.
32

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

7.2. Методы передачи дискретных данных

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования — на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Применение синусоиды приводит к более узкому спектру при той же скорости передачи информации. Однако для реализации модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму — речь, телевизионное изображение, — передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот – канал тональной частоты (общественные телефонные сети). Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц.

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

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты (рис. 27).

При амплитудной модуляции (рис. 27, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 27, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f₀ и f₁,. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/ с .

При фазовой модуляции (рис. 27, г ) значения данных 0 и 1 соответствуют сигналам одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180, и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Рис. 27. Различные типы модуляции

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа и скорости модуляции.

Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами f₀, 3f₀, 5f₀, 7f₀, . , где f₀ = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно — с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, . от амплитуды гармоники f₀ (рис. 28, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от характера данных. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7f₀ ( гармониками с частотами выше 7f₀ можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/ с . В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f _с и двух боковых гармоник: ( f_с + f _m ) и ( f _c – f _m ), где f _m – частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 28, б). Частота f _m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2f _m ), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2f _m . Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная способность канала повышается до 3100 бит/ с .

Рис. 28. Спектры сигналов при потенциальном кодировании

и амплитудной модуляции

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по каналу тональной частоты.

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

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

· имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

· обладал способностью распознавать ошибки;

· обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных. Часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например, между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит). Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

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

На рис. 29, а показан метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю ( Non Return to Zero , NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники f₀, которая равна N/2 Гц. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Рис. 29. Способы дискретного кодирования данных

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией ( Bipolar Alternate Mark Inversion , AMI). В этом методе (рис. 29, б) используются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N — битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ — сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f₀ имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Такой сигнал называется запрещенным сигналом ( signal violation ).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика примерно на З дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице ( Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала — свет и тень.

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 29, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 29, г ). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring .

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому , а ноль — обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском — два.

На рис. 29, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, название которого отражает его суть — каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В , паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 — потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. И хотя между технологиями имеются большие различия, они базируются на общих принципах передачи дискретных данных, которые рассматриваются в этой главе. Эти принципы находят свое воплощение в методах представления двоичных единиц и нулей с помощью импульсных или синусоидальных сигналов в линиях связи различной физической природы, методах обнаружения и коррекции ошибок, методах компрессии и методах коммутации.

2.1. Линии связи

2.1.1. Типы линий связи

Линия связи (рис. 2.1) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи(channel).

Рис. 2.1. Состав линии связи

Физическая среда передачи данных (medium) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 2.2.):

кабельные (медные и волоконно-оптические);

радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Рис. 2.2. Типы линий связи

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара существует в экранированном варианте (Shielded Twistedpair, STP), когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (Unshielded Twistedpair, UTP), когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т. п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5-60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети, таким как шофер грузовика, врач, совершающий обход, и т. п.

Под термином “информация” понимают различные сведения, которые поступают к получателю. В более строгой форме определение информации следующее:

Информация - это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования.

В дальнейшем нас будут интересовать лишь вопросы, связанные с информацией как объектом передачи.

Объем алфавита – число различных символов алфавита К.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника

Среднее время может быть определено выражением .

Основные характеристики канала ПДС

Пропускная способность непрерывного канала с белым гауссовским шумом определяется известной формулой Шеннона

Как видно из выражения данная величина определяется шириной полосы пропускания и соотношением сигнал-шум.

Виды сигналов. Различают четыре вида сигналов: непрерывный непрерывного времени, непрерывный дискретного времени, дискретный непрерывного времени и дискретный дискретного времени.

Непрерывные сигналы непрерывного времени называют сокращенно непрерывными (аналоговыми) сигналами. Они могут изменяться в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений (рис.2). К таким сигналам относится и известная всем синусоида.

Дискретные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения (рис.4).

Дискретные сигналы дискретного времени(сокращенно дискретные) (рис.5) в дискретные моменты времени могут принимать только разрешенные (дискретные) значения.

В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД).

Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД.

На рис.6. изображен ЦСД, представляющим параметром которого является амплитуда, а множество возможных значений представляющего параметра равно двум (U=U₁ и U=0).

Рис.6. Цифровой сигнал данных

Элемент ЦСД - часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих представляющих параметров.

Значащая позиция - фиксируемое значение состояния представляющего параметра сигнала.

Значащим моментом (ЗМ) - момент, в который происходит смена значащей позиции сигнала.

Значащим интервалом времени - интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала.

Единичный интервал- минимальный интервал времени, которому равны значащие интервалы времени сигнала, (интервалы а-б, б-в и другие на рис.6).

Единичный элемент (е.э.) - элемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени.

Различают изохронные и анизохронные сигналы данных.

Изохронные сигналы это сигналы для которых любой значащий интервал времени равен единичному интервалу или их целому числу.

Анизохронными называются сигналы, элементы которых могут иметь любую длительность, но не менее чем . Кроме того, анизохронные сигналы могут отстоять друг от друга на произвольном расстоянии.

Кодер канала. С целью повышения верности передачи используется избыточное кодирование, позволяющее на приеме обнаруживать или даже исправлять ошибки.

В процессе кодирования осуществляется преобразование исходной кодовой комбинации в другую кодовую комбинацию с избыточностью. На приемном конце декодер канала осуществляет обратное преобразование (декодирование), в результате которого получаем комбинацию исходного кода. Часто кодер и декодер канала называют устройствами защиты от ошибок (УЗО).

Устройство преобразования сигнала. С целью согласования кодера канала и декодера канала с непрерывным каналом связи используются на передаче и приеме устройства преобразования сигналов (УПС). В частном случае это модулятор и демодулятор.

Непрерывный канал. Это канал связи предназначенный для передачи непрерывных (аналоговых) сигналов. Например, абонентская телефонная линия, канал ТЧ.

Дискретный канал. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал, то есть канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов (цифровых сигналов данных).

Различают синхронные и асинхронные дискретные каналы.

В синхронных дискретных каналах ввод каждого единичного элемента производится в строго определенные моменты времени и они предназначены для передачи только изохронных сигналов.

По асинхронному каналу можно передавать любые сигналы - изохронные, анизохронные.

Расширенный канал. Дискретный канал в совокупности с кодером и декодером канала (УЗО) называется расширенным дискретным каналом (РДК).

В технике передачи данных РДК называют каналом передачи данных.

Полунепрерывный канал (дискретный канал непрерывного времени).

В системе ПДС иногда выделяют дискретный канал непрерывного времени.

Для определения выхода данного канала необходимо более детально рассмотреть УПС приема. Он состоит из демодулятора, порогового устройства и регенератора. Выход ПУ одновременно является и выходом дискретного канала непрерывного времени.

Если на выходе дискретного канала имеем сигнал, являющийся дискретной функцией дискретного времени, то на выходе полунепрерывного канала сигнал является дискретной функцией непрерывного времени. (Он же канал постоянного тока).

Контрольные вопросы по теме:

3. Каналы, выделяемые в системе ПДС

3.1. Непрерывный канал связи (НКС)

На входе и выходе НКС – непрерывный сигнал, непрерывного времени.

НКС – это канал ТЧ, стандартный широкополосный канал (60-108 кГц), физическая линия (кабель, волокно, воздушная линия и т. п.).

НКС может описывается :

- импульсной характеристикой или - комплексной частотной характеристикой, которые связаны через преобразование Фурье

Вместо ФЧХ обычно измеряется групповое время прохождения (ГВП), которое является производной от ФЧХ.

Одной из основных характеристик непрерывного канала является его пропускная способность

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии – немодулированную передачу и модулированную передачу.

Немодулированные (baseband) системы передают данные в виде цифровых сигналов. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса, или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания (bandwidth) – это разница между максимальной и минимальной частотой, которую можно передать по кабелю.

Рисунок 2.3. немодулированная передача

Проходя по кабелю, сигнал постепенно затухает и, как следствие, искажается. Если кабель слишком длинный, то иногда в конце пути передаваемый сигнал искажается до неузнаваемости или вообще пропадает. Для того чтобы избежать этого, в немодулированных системах используют повторители, которые усиливают сигнал и ретранслируют его в дополнительные сегменты. Таким образом, увеличивается общая длина кабеля.

Модулированные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, занимающего некоторую полосу частот. Сигналы кодируются аналоговой (непрерывной) электромагнитной или световой (тоже, строго говоря, электромагнитной) волной.

Если полосы пропускания достаточно, то один кабель одновременно могут использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать данные).

Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства, связанные с данной системой (например, компьютеры), должны быть настроены на работу именно с выделенной им частью полосы пропускания.

Если в немодулированных системах для восстановления сигнала используют повторители, то в модулированных – усилители (amplifiers).

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму – речь, телевизионное изображение, - передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией (цифровым кодированием).

Наиболее часто в локальных сетях используются следующие коды передачи информации (рис.2.4.):

- код без возврата к нулю (NRZ);

- код с возвратом к нулю (RZ);

Рисунок 2.4. Наиболее распространенные коды передачи информации

Код без возврата к нулю NRZ (Non Return to Zero) – простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. К достоинствам кода NRZ относятся его очень простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов требуемая при данной скорости передачи пропускная способность линии связи.

Например, наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единицы и нуля, то есть 1010101010…, поэтому при скорости передачи в 10 Мбит/с (длительность одного бита 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 5 МГц (рис. 2.5.). Период равен двум битам информации.

Рисунок 2.5. Скорость передачи и пропускная способность линии (код NRZ)

Самый большой недостаток данного кода – отсутствие синхронизации информации, что приводит к потере и искажению информации. Особенно это критично для больших блоков (пакетов) информации (1-2 килобайта и более). Для устранения этого недостатка можно ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис.2.6). Но при этом длина линии связи увеличивается в 2 раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это оказывается невыгодным. Поэтому код NRZ используется только для передачи коротких пакетов (обычно до 1 Кбита).

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Наиболее известное применение кода NRZ – стандарт RS-232C, последовательный порт персонального компьютера, который вполне может использоваться для организации небольших и медленных локальных сетей. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.

Рисунок 2.6. Последовательная передача данных

Рисунок 2.7. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

Код Манчестер – II или манчестерский код получил наибольшее распространение в сетях, использующих электрические кабели. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита, т.е. первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий. Логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита, что позволяет легко выделить синхросигнал, и дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%. Как и в случае кода RZ, здесь требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при использовании NRZ. Для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц.

Большое достоинство манчестерского кода – отсутствие постоянной составляющей в сигнале (половину времени сигнал положительный, другую половину – отрицательный). Это дает возможность применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как в случае использования оптронной развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, не проходящих через трансформатор, легко решается проблема согласования.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочки из одних нулей или одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц 1010101010…). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты (помехи, наводки).

Так же, как и при использовании кода RZ, при манчестерском кодировании очень просто детектировать занятость сети. Для этого достаточно контролировать, есть ли изменение сигнала в течение битового интервала.

Код Манчестер – II используется как в электрических кабелях, так и в оптоволоконных. В самой распространенной локальной сети Ethernet используется именно этот код.