При передачі дискретних даних по каналах зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування -на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцієюабо аналогової модуляцією,підкреслюючи той факт, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб зазвичай називають цифровим кодуванням.Ці способи відрізняються шириною спектру результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної для їх реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Це не дивно, якщо згадати, що спектр ідеального імпульсу має нескінченну ширину. Застосування синусоїди приводить до спектру набагато меншою ширини при тій же швидкості передачі інформації. Однак для реалізації синусоїдальної модуляції потрібно більш складна і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, -передати по каналах зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес подання аналогової інформації в дискретної формі називається дискретної модуляцією.Терміни «модуляція» і «кодування» часто використовують як синоніми.

при цифровому кодуваннідискретної інформації застосовують потенційні й імпульсні коди. У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується тільки значення потенціалу сигналу, а його перепади, що формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу -перепадом потенціалу певного напряму.

При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав би декількох цілей: мав при одній і тій же бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу; забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем;

Був схильний розпізнавати помилки; володів низькою вартістю реалізації.

У мережах застосовуються так звані самосинхронізуються коди,сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт, якщо код орієнтований більше ніж на два стану сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу -так званий фронт-може служити хорошим зазначенням для синхронізації приймача з передавачем. Розпізнавання і корекцію перекручених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть на себе протоколи, що лежать вище: канальний, мережевий, транспортний або прикладної. З іншого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівні економить час, так як приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при распо-. знаваніі помилкових біт усередині кадру.

Потенційний код без повернення до нуля, метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає ту обставину, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). Метод NRZпрост в реалізації, має гарну распознаваема помилок (через двох різко відрізняються потенціалів), але не має властивість самосинхронизации. При передачі довгою послідовності одиниць або нулів сигнал на лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно в черговий раз зчитувати дані. Навіть при наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, так як частоти двох генераторів ніколи не бувають повністю ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними і довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки в цілий такт і, відповідно, зчитуванню некоректного значення біта.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією. Однією з модифікацій методу NRZявляется метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі використовуються три рівні потенціалу-негативних, нульовий і позитивний. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилковий імпульсі або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation). У кодеAMIіспользуются не два, а три рівня сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на -3дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Потенційний код з інверсією при одиниці. Існує код, схожий на AMI, але тільки з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений в попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Цей код зручний в тих випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стану сигналу -світло і темрява.

Біполярний імпульсний кодКрім потенційних кодів в мережах використовуються й імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або ж його частиною -фронтом. Найбільш простим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код,в якому одиниця представлена \u200b\u200bімпульсом однієї полярності, а нуль-другий . Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосінхронізірующіхся властивостями, але постійна складова може бути присутнім, наприклад, під час передачі довгою послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширше, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду буде дорівнює NГц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZі в чотири рази вище основної гармоніки кодаAMIпрі передачі чергуються одиниць і нулів. Через занадто широкого спектру біполярний імпульсний код використовується рідко.

Манчестерський код.У локальних мережах до недавнього часу найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код.Він застосовується в технологіяхEthernetіTokenRing. У манчестерському коді для кодування одиниць і нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються в середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль -зворотний перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити кілька одиниць або нулів підряд. Так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код володіє хорошими самосінхронізірующіхся властивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вужче, ніж у біполярного імпульсного. В середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у біполярного імпульсного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N / 4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед біполярним імпульсним кодом. В останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському -два.

Потенційний код 2В 1Q. Потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. це код 2 В 1Q, назва якого відображає його суть-кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Паре біт 00соответствует потенціал -2,5В, парі біт 01соответствует потенціал-0,833В, парі 11 -потенціал + 0,833В, а парі 10 -потенціал + 2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється в постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу в два рази вже, ніж у коду NRZ, так як при тій же бітової швидкості тривалість такту збільшується в два рази. Таким чином, за допомогою коду 2В 1Qможно по одній і тій же лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою кодаAMIіліNRZI. Однак для його реалізації потужність передавача повинна бути вище, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на тлі перешкод.

логічне кодуванняЛогічне кодування використовується для поліпшення потенційних кодів тіпаAMI, NRZIілі 2Q.1B. Логічне кодування повинно замінювати довгі послідовності біт, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Як вже зазначалося вище, для логічного кодування характерні два методи -. надлишкові коди і скремблювання.

надлишкові кодизасновані на розбитті вихідної послідовності біт на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більшу кількість біт, ніж вихідний.

Для забезпечення заданої пропускної здатності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною тактовою частотою. Так, для передачі кодів 4В / 5В зі швидкістю 100Мб / с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125МГц. При цьому спектр сигналу на лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надмірна код. Проте спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача і передавача на підвищеній тактовій частоті.

Скремблювання. Перемішування даних скремблером перед передачею їх в лінію за допомогою потенційного коду є іншим способом логічного кодування. Методи скремблювання полягають в побітному обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду і отриманих в попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад, скремблер може реалізовувати наступне співвідношення:

Асинхронна і синхронна передачі

При обміні даними на фізичному рівні одиницею інформації є біт, тому засоби фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем. Зазвичай достатньо забезпечити синхронізацію на зазначених двох рівнях - бітове і кадровому, -щоб передавач і приймач змогли забезпечити стійкий обмін інформацією. Однак при поганій якості лінії зв'язку (зазвичай це відноситься до телефонних комутованих каналах) для здешевлення апаратури і підвищення надійності передачі даних вводять додаткові кошти синхронізації на рівні байт.

Такий режим роботи називається асинхроннимабо старт-стопного.В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами «старт» і «стоп». Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про прихід даних і, по-друге, щоб дати приймачу досить часу для виконання деяких функцій, пов'язаних із синхронізацією, до надходження наступного байта. Сигнал «старт» має тривалість в один тактовий інтервал, а сигнал «стоп» може тривати один, півтора чи два такту, тому говорять, що використовується один, півтора чи два біта в якості стопового сигналу, хоча призначені для користувача біти ці сигнали не уявляють.

При синхронному режимі передачі старт-стопного біти між кожною парою байт відсутні. висновки

При передачі дискретних даних по вузькосмугового каналу тональної частоти, використовуваному в телефонії, найбільш підходящими виявляються способи аналогової модуляції, при яких несуча синусоїда модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр. Ця операція здійснюється спеціальними пристроями -модеми.

Для низкоскоростной передачі даних застосовується зміна частоти несучої синусоїди. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4уровня амплітуди несучої синусоїди і 8уровней фази. Не всі з можливих 32сочетаній методаQAMіспользуются для передачі даних, заборонені сполучення дозволяють розпізнавати спотворені дані на фізичному рівні.

На широкосмугових каналах зв'язку застосовуються потенційні і імпульсні методи кодування, в яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу або йогофронту.

При використанні потенційних кодів особливого значення набуває завдання синхронізації приймача з передавачем, так як при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць сигнал на вході приймача не змінюється і приймача складно визначити момент знімання чергового біта даних.

Найбільш простим потенційним кодом є код без повернення до нуля (NRZ), однак він не є самосинхронізується і створює постійну складову.

Найбільш популярним імпульсним кодом є манчестерський код, в якому інформацію несе напрямок перепаду сигналу в середині кожного такту. Манчестерський код застосовується в технологіях EthernetіTokenRing.

Для поліпшення властивостей потенційного коду NRZіспользуются методи логічного кодування, що виключають довгі послідовності нулів. Ці методи засновані:

На введенні надлишкових біт у вихідні дані (коди типу 4В / 5В);

Скремблювання вихідних даних (коди типу 2В 1Q).

Покращені потенційні коди мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

Вихідна інформація, яку необхідно передавати по лінії зв'язку, може бути або дискретної (вихідні дані комп'ютерів), або аналогової (мова, телевізійне зображення).

Передача дискретних даних базується на використанні двох типів фізичного кодування:

а) аналогової модуляції, коли кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів синусоїдального несучого сигналу;

б) цифрового кодування шляхом зміни рівнів послідовності прямокутних інформаційних імпульсів.

Аналогова модуляція призводить до спектру результуючого сигналу набагато меншою ширини, ніж при цифровому кодуванні, при тій же швидкості передачі інформації, однак для її реалізації потрібно більш складна і дорога апаратура.

В даний час вихідні дані, що мають аналогову форму, все частіше передаються по каналах зв'язку в дискретному вигляді (у вигляді послідовності одиниць і нулів), т. Е. Здійснюється дискретна модуляція аналогових сигналів.

Аналогова модуляція. Застосовується для передачі дискретних даних по каналах з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти, що надається користувачам телефонних мереж. По цьому каналу передаються сигнали з частотою від 300 до 3400 Гц, т. Е. Його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц. Така смуга цілком достатня для передачі мови з прийнятною якістю. Обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язано з використанням апаратури ущільнення і комутації каналів в телефонних мережах.

Перед передачею дискретних даних на передавальній стороні за допомогою модулятора-демодулятора (модему) здійснюється модуляція несучої синусоїди вихідної послідовності двійкових цифр. Зворотне перетворення (демодуляція) виконується приймають модемом.

Можливі три способи перетворення цифрових даних в аналогову форму, або три методу аналогової модуляції:

Амплітудна модуляція, коли змінюється лише амплітуда несучої синусоїдальних коливань відповідно до послідовності переданих інформаційних бітів: наприклад, при передачі одиниці амплітуда коливань встановлюється великий, а при передачі нуля - малої, або сигнал несучої взагалі відсутня;

Частотна модуляція, коли під дією модулюють сигналів (переданих інформаційних бітів) змінюється тільки частота несучої синусоїдальних коливань: наприклад, при передачі нуля - низька, а при передачі одиниці - висока;

Фазова модуляція, коли відповідно до послідовності переданих інформаційних бітів змінюється тільки фаза несучої синусоїдальних коливань: при переході від сигналу 1 до сигналу 0 або навпаки фаза змінюється на 180 °. У чистому вигляді амплітудна модуляція на практиці використовується рідко через низку перешкодостійкість. Частотна модуляція не вимагає складних схем в модемах і звичайно застосовується в низькошвидкісних модемах, які працюють на швидкостях 300 або 1200 біт / с. Підвищення швидкості передачі даних забезпечується використанням комбінованих способів модуляції, частіше амплітудної в поєднанні з фазової.

Аналоговий спосіб передачі дискретних даних забезпечує широкосмуговий передачу шляхом використання в одному каналі сигналів різних несучих частот. Це гарантує взаємодію великої кількості абонентів (кожна пара абонентів працює на своїй частоті).

Цифрове кодування. При цифровому кодуванні дискретної інформації використовуються два види кодів:

а) потенційні коди, коли для подання інформаційних одиниць і нулів застосовується тільки значення потенціалу сигналу, а його перепади до уваги не приймаються;

б) імпульсні коди, коли виконавчі дані представляються або імпульсами певної полярності, або перепадами потенціалу певного напряму.

До способів цифрового кодування дискретної інформації при використанні прямокутних імпульсів для подання двійкових сигналів пред'являються такі вимоги:

Забезпечення синхронізації між передавачем і приймачем;

Забезпечення найменшою ширини спектра результуючого сигналу при одній і тій же бітової швидкості (так як більш вузький спектр сигналів дозволяє на ли-

ванні з однієї і тієї ж пропускною здатністю домагатися більш високої швидкості

передачі даних);

Можливість розпізнавання помилок в переданих даних;

Відносно низька вартість реалізації.

Засобами фізичного рівня здійснюється тільки розпізнавання перекручених даних (виявлення помилок), що дозволяє економити час, так як приймач, не чекаючи повного приміщення прийнятого кадру в буфер, відразу його відбраковує при розпізнаванні помилкових біт в кадрі. Більш складна операція - корекція перекручених даних - виконується протоколами більш високого рівня: канального, мережевого, транспортного або прикладного.

Синхронізація передавача і приймача необхідна для того, щоб приймач точно знав, в який момент слід здійснювати зчитування даних, що надходять. Синхросигнали налаштовують приймач на передане повідомлення і підтримують синхронізацію приймача з приходять битами даних. Проблема синхронізації легко вирішується при передачі інформації на невеликі відстані (між блоками всередині комп'ютера, між комп'ютером і принтером) шляхом використання окремої тактується лінії зв'язку: інформація зчитується тільки в момент приходу чергового тактового імпульсу. У комп'ютерних мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів з двох причин: заради економії провідників в дорогих кабелях і через неоднорідність характеристик провідників у кабелях (на великих відстанях нерівномірність швидкості поширення сигналів може призвести до рассинхронизации тактовихімпульсів в тактується лінії і інформаційних імпульсів в основній лінії , внаслідок чого біт даних буде або пропущений, або лічений повторно).

В даний час синхронізація передавача і приймача в мережах досягається застосуванням самосінхронізірующіхся кодів (СК). Кодування переданих даних за допомогою СК полягає в тому, щоб забезпечити регулярні і часті зміни (переходи) рівнів інформаційного сигналу в каналі. Кожен перехід рівня сигналу від високого до низького або навпаки використовується для підстроювання приймача. Кращими вважаються такі СК, які забезпечують перехід рівня сигналу не менше одного разу протягом інтервалу часу, необхідного на прийом одного інформаційного біта. Чим частіше переходи рівня сигналу, тим надійніше здійснюється синхронізація приймача і впевненіше проводиться ідентифікація прийнятих бітів даних.

Зазначені вимоги до способів цифрового кодування дискретної інформації є певною мірою взаємно суперечливими, тому кожен з розглянутих нижче способів кодування має свої переваги і недоліки в порівнянні з іншими.

Самосінхронізірующіхся коди. Найбільш поширеними є такі СК:

Потенційний код без повернення до нуля (NRZ - Non Return to Zero);

Біполярний імпульсний код (RZ-код);

Манчестерський код;

Біполярний код з почергової інверсією рівня.

На рис. 32 представлені схеми кодування повідомлення 0101100 за допомогою цих СК.

Для характеристики і порівняльної оцінки СК використовуються такі показники:

Рівень (якість) синхронізації;

Надійність (впевненість) розпізнавання і виділення прийнятих інформаційних бітів;

Необхідна швидкість зміни рівня сигналу в лінії зв'язку при використанні СК, якщо пропускна здатність лінії задана;

Складність (і, отже, вартість) обладнання, що реалізує СК.

NRZ-код відрізняється простотою кодування і низькою вартістю реалізації. Таку назву він отримав тому, що при передачі серій однойменних бітів (одиниць або нулів) сигнал не повертається до нуля протягом такту, як це має місце в інших способах кодування. Рівень сигналу залишається незмінним для кожної серії, що істотно знижує якість синхронізації і надійність розпізнавання прийнятих бітів (може статися неузгодженість таймера приймача по відношенню до вступнику сигналу і невчасний опитування ліній).

Для И ^-коду мають місце співвідношення

де VI - швидкість зміни рівня сигналу в лінії зв'язку (бод);

У2 - пропускна здатність лінії зв'язку (біт / с).

Крім того, що цей код не має властивість самосинхронизации, у нього є й інший серйозний недолік: наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих серій одиниць або нулів. Внаслідок цього код NRZ в чистому вигляді в мережах не використовується. Застосовуються його різні модифікації, в яких усувають погану самосинхронізацію коду і наявність постійної складової.

RZ-код, або біполярний імпульсний код (код з поверненням до нуля), відрізняється тим, що за час передачі одного інформаційного біта рівень сигналу змінюється двічі незалежно від того, чи передаються серії однойменних бітів або по черзі змінюються бітів. Одиниця представлена \u200b\u200bімпульсом однієї полярності, а нуль - інший. Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосінхронізірующіхся властивостями, але вартість його реалізації досить висока, так як необхідно забезпечити співвідношення

Спектр у RZ-коду ширше, ніж у потенційних кодів. Через занадто широкого спектра він використовується рідко.

Манчестерський код забезпечує зміна рівня сигналу при поданні кожного біта, а при передачі серій однойменних бітів - подвійне зміна. Кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються в середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль - зворотним перепадом. Співвідношення швидкостей для цього коду таке:

Манчестерський код має гарні самосінхронізірующіхся властивостями, так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних. Його смуга пропускання вже, ніж у RZ-коду (в середньому в півтора рази). На відміну від біполярного імпульсного коду, де для передачі даних використовуються три рівні сигналу (що іноді дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях стійко розпізнаються тільки два стани - світло і темрява), в манчестерському коді - два рівня.

Манчестерський код широко застосовується в технологіях Ethernet і Token Ring.

Біполярний код з почергової інверсією рівня (код AMI) є однією з модифікацій коду NRZ. У ньому використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий і позитивний. Одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним. Для кодування нуля використовується нульовий потенціал. Код має гарні синхронізуючими властивостями при передачі серій одиниць, так як потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої. При передачі серій нулів синхронізація відсутня. Код AMI порівняно простий в реалізації. Для нього

При передачі різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI приводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а отже, і до більш високої пропускної здатності лінії.

Зауважимо, що поліпшені потенційні коди (модернізовані манчестерський код і код AMI) мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, наприклад в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Дискретна модуляція аналогових сигналів. Як уже зазначалося, однією з тенденцій розвитку сучасних комп'ютерних мереж є їх цифровизация, т. Е. Передача в цифровій формі сигналів будь-якої природи. Джерелами цих сигналів можуть бути комп'ютери (для дискретних даних) або такі пристрої, як телефони, відеокамери, відео- та звуковідтворювальна апаратура (для аналогових даних). До недавнього часу (до появи цифрових мереж зв'язку) в територіальних мережах всі типи даних передавалися в аналоговій формі, причому дискретні за своїм характером комп'ютерні дані за допомогою модемів перетворювалися в аналогову форму.

Однак передача інформації в аналоговій формі не дозволяє поліпшити якість прийнятих даних, якщо мало місце їх суттєве спотворення при передачі. Тому на зміну аналоговій техніці запису і передачі звуку і зображення прийшла цифрова техніка, яка використовує дискретну модуляцію аналогових сигналів.

Дискретна модуляція заснована на дискретизації безперервних сигналів як по амплітуді, так і за часом. Одним з широко поширених методів перетворення аналогових сигналів в цифрові є імпульсно-кодова модуляція (ІКМ), запропонована в 1938 р А.Х. Ривсом (США).

При використанні ІКМ процес перетворення включає три етапи: відображення, квантування і кодування (рис. 33).

Перший етап - відображення. Амплітуда вихідного безперервного сигналу вимірюється з заданим періодом, за рахунок чого відбувається дискретизація за часом. На цьому етапі аналоговий сигнал перетвориться в сигнали імпульсно-амплітудної модуляції (ИАМ). Виконання етапу базується на теорії відображення Найквіста-Котельникова, основне положення якої говорить: якщо аналоговий сигнал відображається (т. Е. Представляється у вигляді послідовності її дискретних за часом значень) на регулярному інтервалі з частотою не менш ніж в два рази вище частоти найвищої гармоніки спектра вихідного безперервного сигналу, то відображення буде містити інформацію, достатню для відновлення вихідного сигналу. У аналогової телефонії для передачі голосу обраний діапазон від 300 до 3400 Гц, який достатній для якісної передачі всіх основних гармонік співрозмовників. Тому в цифрових мережах, де для передачі голосу реалізується метод ІКМ, прийнята частота відображення, рівна 8000 Гц (це більше 6800 Гц, що забезпечує деякий запас якості).

На етапі квантування кожному сигналу ИАМ надається квантування значення, відповідне найближчого рівню квантування. Весь діапазон зміни амплітуди сигналів ИАМ розбивається на 128 або 256 рівнів квантування. Чим більше рівнів квантування, тим точніше амплітуда ИАМ - сигналу представляється квантованим рівнем.

На етапі кодування кожному квантованим відображенню ставиться у відповідність 7-розрядний (якщо число рівнів квантування дорівнює 128) або 8-розрядний (при 256- шаговом квантуванні) двійкового коду. На рис. 33 показані сигнали 8-елементного двійкового коду 00101011, відповідного квантованим сигналу з рівнем 43. При кодуванні 7-елементними кодами швидкість передачі даних по каналу повинна складати 56 Кбіт / с (це твір частоти відображення на розрядність двійкового коду), а при кодуванні 8- елементними кодами - 64 Кбіт / с. Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт / с, який називається також елементарним каналом цифрових телефонних мереж.

Пристрій, який виконує зазначені етапи перетворення аналогової величини в цифровий код, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). На приймальній стороні за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) здійснюється зворотне перетворення, т. Е. Проводиться демодуляція оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлення вихідної неперервної функції часу.

У сучасних цифрових мережах зв'язку використовуються і інші методи дискретної модуляції, що дозволяють представити виміри голосу в більш компактній формі, наприклад, у вигляді послідовності 4-разряних чисел. Використовується і така концепція перетворення аналогових сигналів в цифрові, при якій квантуються і потім кодуються не власними сигнали ИАМ, а лише їх зміни, причому число рівнів квантування приймається таким же. Очевидно, що така концепція дозволяє виробляти перетворення сигналів з більшою точністю.

Цифрові методи записи, відтворення і передачі аналогової інформації забезпечують можливість контролю достовірності лічених з носія або отриманих по лінії зв'язку даних. З цією метою застосовуються ті ж методи контролю, що і для комп'ютерних даних (див. П. 4.9).

Передача безперервного сигналу в дискретному вигляді пред'являє жорсткі вимоги до синхронізації приймача. У разі недотримання синхронності вихідний сигнал відновлюється невірно, що призводить до викривлення голосу або переданого зображення. Якщо кадри з вимірами голосу (або інший аналогової величини) будуть прибувати синхронно, то якість голосу може бути досить високим. Однак в комп'ютерних мережах кадри можуть затримуватися як в кінцевих вузлах, так і в проміжних комутаційних пристроях (мостах, комутаторах, маршрутизаторах), що негативно позначається на якості передачі голосу. Тому для якісної передачі оцифрованих безперервних сигналів використовуються спеціальні цифрові мережі (ISDN, ATM, мережі цифрового телебачення), хоча для передачі внутрішньокорпоративних телефонних розмов і сьогодні застосовуються мережі Frame Relay, оскільки затримки передачі кадрів в них знаходяться в допустимих межах.

план

Теоретичні основи передачі даних

ряди Фур'є

Керовані носії інформації

магнітні носії

Кручена пара

Коаксіальний кабель

волоконна оптика

На кінець кабелю може прикріплятися спеціальний роз'єм, за допомогою якого кабель вставляється в оптичну розетку. Втрата - 10-20% сили світла, зате дозволяє легко змінити конфігурацію системи.
Зрощення - два акуратно відрізаних кінця кабелю укладаються поруч один з одним і затискаються спеціальної муфтою. Поліпшення проходження світла досягається вирівнюванням кінців кабелю. Втрата - 10% потужності світла.
Сплавлення. Втрата практично відсутні.

Таблиця 1.
Порівняльна таблиця використання світлодіода і напівпровідникового лазера
Приймальний кінець оптичного кабелю є фотодіод, що генерує електричний імпульс, коли на нього падає світло.

Порівняльна характеристика оптоволоконного кабелю і мідного дроту.

Висока швидкість.
Менше ослаблення сигналу, висновок менше повторителей (один на 50км, а не на 5)
Інертний до зовнішніх електромагнітних випромінювань, хімічно нейтрально.
Легше за вагою. Тисячу мідних кручених пар довжиною в 1 км важить близько 8000 кг. Пара оптоволоконних кабелів важить всього 100 кг при більшої пропускної спроможності
Низькі витрати на прокладку

Складність і компетентність при монтажі.
крихкість
Дорожче мідного.
передачі в режимі simplex, між мережами потрібно мінімум 2 жили.

Бездротовий зв'язок

електромагнітний спектр

радіозв'язок

Зв'язок в мікрохвильовому діапазоні

Інфрачервоні та міліметрові хвилі

супутники зв'язку

Коммутируемая телефонна мережа загального користування

Структура телефонної системи

Місцеві лінії зв'язку: модеми, ADSL, бездротовий зв'язок

амплітудна модуляція - використовуються 2 різні амплітуди сигналу (для 0 і 1),
частотна - використовуються кілька різних частот сигналу (для 0 і 1),
фазова - використовуються зрушення фаз при переході між логічними одиницями (0 і 1). Кути зрушення - 45, 135, 225, 180.

Цифрові абонентські лінії. Технологія xDSL.

POTS - діапазон звичайної телефонної мережі;
вихідний діапазон;
входить діапазон.

DSLAM - мультиплексор доступу до DSL;
NID - пристрій сполучення з мережею, розділяє володіння телефонної компанії і абонента.
Розгалужувач (спліттер) - роздільник частот, що відокремлює смугу POTS і дані ADSL.

Магістралі та ущільнення

комутація

комутація каналів

комутація пакетів

7. Фізичний РІВЕНЬ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

7.2. Методи передачі дискретних даних

При передачі дискретних даних по каналах зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування - на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналогової модуляцією , Підкреслюючи той факт, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб називають цифровим кодуванням . Ці способи відрізняються шириною спектру результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної для їх реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Застосування синусоїди приводить до більш вузького спектру при тій же швидкості передачі інформації. Однак для реалізації модуляції потрібно більш складна і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, - передаються по каналах зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес подання аналогової інформації в дискретної формі називається дискретної модуляцією .

Аналогова модуляція застосовується для передачі дискретних даних по каналах з вузькою смугою частот - канал тональної частоти (громадські телефонні мережі). Цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, таким чином, його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц.

Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні і демодуляції на прийомній стороні, носить назву модем (модулятор-демодулятор).

Аналогова модуляція є таким способом фізичного кодування, при якому інформація кодується зміною амплітуди, частоти або фази синусоїдального сигналу несучої частоти (рис. 27).

при амплітудної модуляції (Рис. 27, б) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низку перешкодостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазовою модуляцією.

при частотної модуляції (Рис. 27, в) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - f 0 і f 1,. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем в модемах і звичайно застосовується в низькошвидкісних модемах, які працюють на швидкостях 300 або 1200 біт / с.

при фазової модуляції (Рис. 27, г) значення даних 0 і 1 відповідають сигналам однакової частоти, але з різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів або 0, 90, 180, і 270 градусів.

У швидкісних модемах часто використовуються комбіновані методи модуляції, як правило, амплітудна в поєднанні з фазової.

Рис. 27. Різні типи модуляції

Спектр результуючого модульованого сигналу залежить від типу і швидкості модуляції.

Для потенційного кодування спектр безпосередньо виходить з формул Фур'є для періодичної функції. Якщо дискретні дані передаються з бітовою швидкістю N біт / с, то спектр складається з постійної складової нульової частоти і нескінченного ряду гармонік з частотами f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., де f 0 \u003d N / 2. Амплітуди цих гармонік зменшуються досить повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1/5, 1/7, ... від амплітуди гармоніки f 0 (рис. 28, а). В результаті спектр потенційного коду вимагає для якісної передачі широку смугу пропускання. Крім того, потрібно врахувати, що реально спектр сигналу постійно змінюється в залежності від характеру даних. Тому спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 Гц, до приблизно 7f 0 (гармоніками з частотами вище 7f 0 можна знехтувати через їх малого вкладу в результуючий сигнал). Для каналу тональної частоти верхня межа при потенційному кодуванні досягається для швидкості передачі даних в 971 біт / с. В результаті потенційні коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються.

При амплітудної модуляції спектр складається з синусоїди несучої частоти f з і двох бічних гармонік: (f з + f m) і ( f c - f m), де f m - частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди (рис. 28, б). частота f m визначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектру сигналу буде також невеликий (рівній 2f m ), Тому сигнали будуть спотворюватися лінією, якщо її смуга пропускання буде більше або дорівнює 2f m . Для каналу тональної частоти такої спосіб модуляції прийнятний при швидкості передачі даних не більше 3100/2 \u003d 1550 біт / с. Якщо ж для представлення даних використовуються 4 рівня амплітуди, то пропускна здатність каналу підвищується до 3100 біт / с.

Рис. 28. Спектри сигналів при потенційному кодуванні

і амплітудної модуляції

При фазової і частотної модуляції спектр сигналу виходить більш складним, ніж при амплітудної модуляції, так як бічних гармонік тут утворюється більше двох, але вони також симетрично розташовані щодо основної несучої частоти, а їх амплітуди швидко зменшуються. Тому ці види модуляції також добре підходять для передачі даних по каналу тональної частоти.

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні й імпульсні коди. У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується тільки значення потенціалу сигналу, а його перепади до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напряму.

При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав би декількох цілей:

· мав при одній і тій же бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу;

· забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем;

· володів здатністю розпізнавати помилки;

· володів низькою вартістю реалізації.

Більш вузький спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії домагатися більш високої швидкості передачі даних. Часто до спектру сигналу ставиться вимога відсутності постійної складової.

Синхронізація передавача і приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, в який момент часу необхідно зчитувати нову інформацію з лінії зв'язку. Ця проблема в мережах вирішується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад, між блоками всередині комп'ютера або ж між комп'ютером і принтером. Тому в мережах застосовуються так звані самосинхронізуються коди, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт). Будь-який різкий перепад сигналу - так званий фронт - може служити хорошим зазначенням для синхронізації приймача з передавачем.

При використанні синусоид в якості несучого сигналу результуючий код має властивість самосинхронизации, так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачу визначити момент появи вхідного коду.

Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожен з розглянутих нижче популярних методів цифрового кодування має свої переваги і свої недоліки в порівнянні з іншими.

На рис. 29, а показаний метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ) . Остання назва відображає ту обставину, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту. Метод NRZ простий в реалізації, має гарну распознаваема помилок (через двох різко відрізняються потенціалів), але не має властивість самосинхронизации. При передачі довгою послідовності одиниць або нулів сигнал на лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно зчитувати дані. Навіть при наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, так як частоти двох генераторів ніколи не бувають повністю ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними і довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки в цілий такт і, відповідно, зчитуванню некоректного значення біта.

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато каналів зв'язку, що не забезпечують прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ в мережах не використовується. Проте використовуються його різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової. Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, складається в досить низькій частоті основної гармоніки f 0, яка дорівнює N / 2 Гц. У інших методів кодування, наприклад манчестерського, основна гармоніка має більш високу частоту.

Рис. 29. Способи дискретного кодування даних

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі (рис. 29, б) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий і позитивний. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої.

Код AMI частково ліквідує проблеми постійної складової і відсутності самосинхронизации, властиві коду NRZ. Це відбувається при передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, передає чергуються нулі і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N / 2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних) . Довгі ж послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульовий амплітуди. Тому код AMI вимагає подальшого поліпшення.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI приводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до більш високої пропускної здатності лінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка f 0 має частоту N / 4 Гц. Код AMI надає також деякі можливості по розпізнаванню помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилковий імпульсі або зникнення з лінії коректного імпульсу. Такий сигнал називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівня сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на З дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Існує код, схожий на AMI, але тільки з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений в попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Цей код зручний в тих випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стану сигналу - світло і тінь.

Крім потенційних кодів в мережах використовуються й імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або ж його частиною - фронтом. Найбільш простим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код , В якому одиниця представлена \u200b\u200bімпульсом однієї полярності, а нуль - інший (рис. 29, в). Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосінхронізірующіхся властивостями, але постійна складова може бути присутнім, наприклад, під час передачі довгою послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширше, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду буде дорівнює N Гц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI при передачі одиниць, що чергуються, і нулів. Через занадто широкого спектру біполярний імпульсний код використовується рідко.

У локальних мережах до недавнього часу найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код (Рис. 29, г). Він застосовується в технологіях Ethernet і Token Ring.

У манчестерському коді для кодування одиниць і нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються в середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль - зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити кілька одиниць або нулів підряд. Так як сигнал змінюється, принаймні, один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код володіє хорошими самосінхронізірующіхся властивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вужче, ніж у біполярного імпульсного. У нього також немає постійної складової, а основна гармоніка в гіршому випадку (при передачі послідовності одиниць або нулів) має частоту N Гц, а в кращому (при передачі одиниць, що чергуються, і нулів) вона дорівнює N / 2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. В середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у біполярного імпульсного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N / 4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед біполярним імпульсним кодом. В останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському - два.

На рис. 29, д показаний потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2В1Q, назва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Паре біт 00 відповідає потенціал -2,5 В, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833 В, парі 11 - потенціал +0,833 В, а парі 10 - потенціал +2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється в постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу в два рази вже, ніж у коду NRZ, так як при тій же бітової швидкості тривалість такту збільшується в два рази. Таким чином, за допомогою коду 2В1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача повинна бути вище, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на тлі перешкод.

Передана по лінії зв'язку інформація зазвичай піддається спеціальному кодуванню, яке сприяє підвищенню надійності передачі. При цьому неминучі додаткові апаратурні витрати на кодування і декодування, і збільшується вартість адаптерів мережі.

Кодування переданої по мережі інформації має відношення до співвідношення максимально допустимої швидкості передачі і пропускної здатності використовуваного середовища передачі. Наприклад, при різних кодах гранична швидкість передачі по одному і тому ж кабелю може відрізнятися в два рази. Від обраного коду прямо залежить також складність мережної апаратури і надійність передачі інформації.

Для передачі дискретних даних по каналах зв'язку застосовується два способи фізичного кодування вихідних дискретних даних - на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називають аналогової модуляцією,тому кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу (амплітуди, фази, частоти). Другий спосіб називають цифровим кодуванням. В даний час дані, що мають аналогову форму (мова, телевізійне зображення) передаються по каналах зв'язку в дискретному вигляді. Процес подання аналогової інформації в дискретної формі називають дискретної модуляцією.

5.1аналогова модуляція

Подання дискретних даних у вигляді синусоїдального сигналу називається аналогової модуляцією. Аналогова модуляція дозволяє представити інформацію, як синусоїдальний сигнал з різними рівнями амплітуди, або фази, або частоти. Можна використовувати також комбінації змінюються параметрів - амплітуда і частота, амплітуда-фаза. Наприклад, якщо сформувати синусоїдальний сигнал з чотирма рівнями амплітуди і чотирма рівнями частоти, це дасть 16 станів інформаційного параметра, і значить 4 біти інформації за одне його зміна.

Розрізняють три основних способи аналогової модуляції:

амплітудна,

частотна,

Амплітудна модуляція. (АМ)При амплітудної модуляції для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля - інший (див. Рис. 5.1). Частота сигналу залишається постійною. Цей спосіб рідко використовуються в чистому вигляді на практиці через низку перешкодостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазовою модуляцією.

Рис. 5.1 Різні типи модуляції

Частотна модуляція. ( ЧС) При частотної модуляції значення логічного 0 і логічної 1 вихідних даних передають синусоїдами з різною частотою - f 1 і f 2 (див. Рис. 5.1). Амплітуда сигналу залишається постійною. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем в модемах і звичайно застосовується в низькошвидкісних модемах.

Фазова модуляція. (ФМ)При фазової модуляції значенням логічних 0 та 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою (перевернуті), наприклад 0 і 180 градусів або 0,90,180 і 270 градусів. Результуючий сигнал схожий на послідовність перевернутих синусоид (див. Рис. 5.1). Амплітуда і частота сигналу залишаються незмінними.

Для збільшення швидкості передачі (підвищення кількості біт за один такт інформаційного параметра) використовуються комбіновані методи модуляції. Найбільш розповсюджені методи квадратурной амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Ці методи використовують таке поєднання - фазова модуляція з 8 значеннями величин зсуву фази і амплітудна модуляція з 4 рівнями амплітуди. При такому способі можливо 32 комбінацій сигналу. І хоч використовуються далеко не всі, але все одно швидкість істотно підвищується, а за рахунок надмірності можна контролювати помилки при передачі даних. Наприклад, в деяких кодах допустимі всього 6,7 або 8 комбінацій для представлення вихідних даних, а решта комбінації є забороненими. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, які є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах, особливо комутованих, досить значні за амплітудою і тривалі за часом.

Визначимо на яких лініях може працювати аналогова модуляція, і в якій мірі цей метод задовольняє пропускну здатність тієї чи іншої використовуваної лінії передачі для чого розглянемо спектр результуючих сигналів. Наприклад, візьмемо спосіб амплітудної модуляції. Спектр результуючого сигналу при амплітудної модуляції буде складатися з синусоїди несучої частоти f з і двох бічних гармонік:

(f з - f m ) і (f з + f m ), де f m - частота модуляції (зміни інформаційного параметра синусоїди), яка буде збігатися зі швидкістю передачі даних, якщо використовувати два рівня амплітуди.

Рис. 5.2 Спектр сигналу при амплітудної модуляції

частота f m визначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектру сигналу буде також невеликий (рівній 2f m см. рис.5.2), тому сигнали будуть спотворюватися лінією, якщо її смуга пропускання буде більше або дорівнює 2f m .

Таким чином, при амплітудної модуляції результуючий сигнал має вузький спектр.

При фазової і частотної модуляції спектр сигналу виходить більш складним, ніж при амплітудної модуляції, так як бічних гармонік тут утворюється більше двох, але вони також симетрично розташовані щодо основної несучої частоти, а їх амплітуди швидко зменшуються. Тому ці види модуляції також добре підходять для передачі даних по лініях з вузькими смугами пропускання. Типовим представником таких ліній є канал тональної частоти, що надається в розпорядження користувачам громадських телефонних мереж.

З типовою амплітудно-частотної характеристики каналу тональної частоти видно, що цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, і таким чином, його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц (див. Рис. 5.3).

Рис. 5.3 АЧХ каналу тональної частоти

Хоча людський голос має набагато ширший спектр - приблизно від 100 Гц до 10 кГц, - для прийнятної якості передачі мови діапазон 3100 Гц є хорошим рішенням. Суворе обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язано з використанням апаратури ущільнення і комутації каналів в телефонних мережах.

Таким чином, для каналу тональної частоти амплітуда модуляція забезпечує швидкість передачі даних не більше ніж 3100/2 \u003d 1550біт / с. Якщо використовувати кілька рівнів інформаційного параметра (4 рівня амплітуди), то пропускна здатність каналу тональної частоти підвищується в два рази.

Найчастіше аналогове кодування використовується при передачі інформації по каналу з вузькою смугою пропускання, наприклад по телефонних лініях в глобальних мережах. У локальних мережах воно застосовується рідко через високу складності і вартості як кодує, так і декодирующего обладнання.

В даний час практично все обладнання, яке працює з аналоговими сигналами, розробляється на базі дорогих мікросхем DSP (Digital Signal Procerssor). При цьому після модуляції і передачі сигналу потрібно проводити демодуляцію при прийомі, а це знову дороге устаткування. Для виконання функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні і демодуляції на прийомній стороні, використовується спеціальний пристрій, який так і називається модем (модулятор-демодулятор). Модем на 56000 біт / с коштує 100 $, а мережева карта на 100 Мбіт / с коштує 10 $.

У висновку наведемо переваги і недоліки аналогової модуляції.

Аналогова модуляція має багато різних інформаційних параметрів: амплітуда, фаза, частота. Кожен з цих параметрів може приймати кілька станів за одну зміну несучого сигналу. І, отже, результуючий сигнал може передавати велику кількість біт за секунду.

Аналогова модуляція забезпечує результуючий сигнал з вузьким спектром, і тому вона хороша там, де потрібно працювати на поганих лініях (з вузькою смугою пропускання), вона здатна там забезпечувати високою швидкістю передачі. Аналогова модуляція здатна працювати і на гарних мережах, тут особливо важливо ще одна перевага аналогової модуляції - можливість зрушувати спектр в потрібну область, в залежності від смуги пропускання використовуваної лінії.

Аналогова модуляція складно реалізується і обладнання, яке займається цим дуже дороге.

Аналогова модуляція застосовується там, де без неї не можна обійтися, але в локальних мережах використовують інші методи кодування, для реалізації яких потрібна проста і дешеве обладнання. Тому, найчастіше в локальних мережах при передачі даних в лініях зв'язку використовується другий метод фізичного кодування - цифрове кодування

5. 2.Ціфровое кодування

цифрове кодування- подання інформації прямокутними імпульсами. Для цифрового кодування використовують потенційніі імпульснікоди.

Потенційні коди.У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовуються тільки значення потенціалу сигналу в період такту, а його перепади, що формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Важливо тільки яке значення в період такту має результуючий сигнал.

Імпульсні коди.Імпульсні коди представляють логічний нуль і логічну одиницю або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напряму. В значення імпульсного коду включається весь імпульс разом з його перепадами.

Визначимо вимоги до цифрового кодування. Наприклад, нам необхідно провести передачу дискретних даних (послідовність логічних нулів і одиниць) з виходу одного комп'ютера - джерела - до входу іншого комп'ютера - приймача по лінії зв'язку.

1. Для передачі даних ми маємо лінії зв'язку, які не пропускають всі частоти, вони мають певні пропускні спроможності в залежності від свого типу. Тому при кодуванні даних потрібно враховувати, щоб в закодовані дані "пропускалися" лінією зв'язку.

2. Послідовності дискретних даних необхідно закодувати у вигляді цифрових імпульсів певної частоти. При цьому, звичайно найкраще досягти:

а) щоб частоти закодованих сигналів були низькими, щоб забезпечувати в загальному випадку відповідність смугах пропускання ліній зв'язку.

б) щоб закодовані сигнали забезпечували високу швидкість передачі.

Таким чином, хороший код повинен мати менше Герц і більше біт за секунду.

3. Дані, які необхідно передавати - це непередбачувано змінюються послідовності логічних нулів і одиниць.

Нехай ми певним способом закодируем ці дані цифровими імпульсами, то як нам визначити яка частота у результуючого сигналу? Для того, щоб визначити нам максимальну частоту цифрового коду досить розглянути результуючий сигнал при кодуванні приватних послідовностей таких як:

послідовність логічних нулів

послідовність логічних одиниць

чергується послідовність логічних нулів і одиниць

Далі необхідно розкласти сигнал методом Фур'є, знайти спектр, визначити частоти кожної гармоніки і знайти сумарну частоту сигналу при цьому важливо, щоб основний спектр сигналу потрапляв в смугу пропускання лінії зв'язку. Щоб не проробляти всі ці обчислення досить спробувати визначити основну гармоніку спектра сигналу, для цього необхідно за формою сигналу вгадати першу синусоїду, яка повторює його контур його форми, потім знайти період цієї синусоїди. Період - це відстань між двома змінами сигналу. Потім можна визначити і частоту основної гармоніки спектра сигналу як F \u003d 1 / T, де F- частота, Т- період сигналу. Для зручності подальших розрахунків приймемо, що бітова швидкість зміни сигналу дорівнює N.

Такі розрахунки можна провести для кожного методу цифрового кодування, щоб визначити частоту результуючого сигналу. Результуючий сигнал в цифровому кодуванні - це певна послідовність прямокутних імпульсів. Щоб уявити послідовність прямокутних імпульсів у вигляді суми синусоїд для знаходження спектра, необхідна велика кількість таких синусоид. Спектр послідовності прямокутних сигналів, в загальному випадку, буде значно ширшим, порівняно з модульованим сигналами.

Якщо застосувати цифровий код для передачі даних на каналі тональної частоти, то верхня межа при потенційному кодуванні досягається для швидкості передачі даних в 971 біт / с, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц.

Тому цифрові коди на каналах тональної частоти просто ніколи не використовуються. Але зате вони дуже непогано працюють в локальних мережах, які не використовують для передачі даних телефонні лінії.

Таким чином, цифрове кодування вимагає для якісної передачі широку смугу пропускання.

4. При передачі інформації по лініях зв'язку від вузла-джерела до вузла-приймача необхідно забезпечити такий режим передачі, при якому приймач завжди буде точно знати, в який момент часу він приймає дані від джерела, тобто потрібно забезпечити синхронізаціюджерела і приймача. У мережах проблема синхронізації вирішується складніше, ніж при обміні даними між блоками всередині комп'ютера або ж між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій тактується лінії зв'язку. У такій схемі інформація знімається з лінії даних тільки в момент приходу тактового імпульсу (див. Рис.5.4).

Рис. 5.4 Синхронізація приймача і передавача на невеликих відстанях

Такий варіант синхронізації абсолютно не підходить для будь-якої мережі через неоднорідність характеристик провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості поширення сигналу може привести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або лічений повторно. Ще одна причина, по якій в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, - економія провідників у дорогих кабелях. Тому в мережах застосовуються так звані самосинхронізуються коди.

самосинхронізуються коди- сигнали, які несуть для приймача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт, якщо код орієнтований більше ніж на два стану сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу - так званий фронт- може служити хорошим зазначенням для синхронізації приймача з передавачем. Прикладом самосінхронізірующіхся коду може бути синусоїда. Так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачу визначити момент появи вхідного коду. Але це стосується аналогової модуляції. У цифровому кодуванні також існують методи, які створюють самосинхронізуються коди, але про це пізніше.

Таким чином, хороший цифровий код повинен забезпечувати синхронізацію

Розглянувши вимоги до хорошого цифрового коду, перейдемо до розгляду самих методів цифрового кодування

5. 2.1Потенціальний код без повернення до нуля NRZ

Цей код отримав таку назву тому, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається).

Код NRZ (Non Return to Zero)- без повернення до нуля - це найпростіший дворівневий код. Результуючий сигнал має два рівні потенціалу:

Нулю відповідає нижній рівень, одиниці - верхній. Інформаційні переходи відбуваються на кордоні бітів.

Розглянемо три окремих випадки передачі даних кодом NRZ: Чергується послідовність нулів і одиниць, послідовність нулів і послідовність одиниць (див. Рис. 5.5, а).

Рис. 5.5 Код NRZ

Спробуємо визначити чи задовольняє цей код перерахованим вимогам. Для цього необхідно визначити основну гармоніку спектра при потенційному кодуванні в кожному з представлених випадків, щоб точніше визначити які код NRZ має вимоги до використовуваної лінії зв'язку.

Перший випадок - передається інформація, яка складається з нескінченної послідовності чергуються одиниць і нулів (див. Рис. 5.5, б).

Цей малюнок показує, що при чергуванні одиниць і нулів за один такт буде передаватися два біта 0 і 1. При формі синусоїди показаної на рис. 4.22, б При N- бітової швидкості передачі період цієї синусоїди дорівнює T \u003d 2N. Частота основна гармоніка в цьому випадку дорівнює f 0 \u003d N / 2.

Як видно, при такій послідовності цього коду швидкість передачі даних удвічі перевищує частоту сигналу.

При передачі послідовностей нулів і одиниць результуючий сигнал - постійний струм частота зміни сигналу дорівнює нулю f 0 = 0 .

Спектр реального сигналу постійно змінюється в залежності від того, які дані передаються по лінії зв'язку і слід побоюватися передач довгих послідовностей нулів або одиниць, які зрушують спектр сигналу в бік низьких частот. Оскільки код NRZ при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць має постійну складову.

З теорії сигналів відомо, що до спектру сигналу, що передається крім вимог до ширини, висувають ще одне дуже важливе вимога - відсутність постійної складової(Наявності постійного струму між приймачем і передавачем), тому як застосування різних трансформаторних розв'язокв лінії зв'язку не пропускає постійний струм.

Отже, частина інформації просто буде ігноруватися цією лінією зв'язку. Тому на практиці завжди намагаються позбутися від присутності постійної складової в спектрі несучого сигналу вже на етапі кодування.

Таким чином, ми визначили ще одну вимогу до хорошого цифрового коду цифровий код не повинен мати постійної складової.

Ще одним недоліком NRZ є - відсутність синхронізації. У цьому випадку допоможуть тільки додаткові методи синхронізації, про які ми поговоримо пізніше.

Одним з основних достоїнств коду NRZ є простота. Для того, щоб згенерувати прямокутні імпульси необхідні два транзистора, а для здійснення аналогової модуляції потрібні складні мікросхеми. Потенційний сигнал не треба кодувати і декодувати, оскільки такий же спосіб застосовується і для передачі даних всередині комп'ютера.

В результаті всього показаного вище зробимо кілька висновків, які допоможуть нам і при розгляді інших методів цифрового кодування:

NRZ дуже простий в реалізації, має гарну распознаваема помилок (через двох різко відрізняються потенціалів).

NRZ має постійну складову при передачі нулів і одиниць, що робить його неможливим для передачі в лініях з трансформаторними розв'язками.

NRZ - НЕ Самосінхронізірующійся код і це ускладнює його передачу в будь-якої лінії.

Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, складається в досить низькій частоті основної гармоніки fо, яка дорівнює N / 2 Гц, як це було показано вище. Таким чином, код NRZпрацює на низьких частотах від 0 до N / 2 Гц.

В результаті в чистому вигляді код NRZ в мережах не використовується. Проте, використовуються його різні модифікації, в яких з успіхом усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової.

Наступні методи цифрового кодування розроблялися з метою якимось чином поліпшити можливість коду NRZ

5. 2.2. Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією AMI

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)є модифікацією методу NRZ.

У цьому методі використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий і позитивний. Три рівня сигналу - це недолік коду тому, щоб розрізнити три рівні необхідно краще співвідношення сигнал / шум на вході в приймач. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу в порівнянні з дворівневими кодами. У коді AMIдля кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої.

Рис. 5.6 Код AMI

Такий прийом кодування частково ліквідує проблеми постійної складової і відсутності самосинхронизации, властиві коду NRZ при передачі довгих послідовностей одиниць. Але залишається для нього проблема постійної складової при передачі послідовностей нулів (див. Рис. 5.6).

Розглянемо окремі випадки роботи коду, і визначимо основну гармоніку спектра результуючого сигналу для кожного з них. При послідовності нулів - сигнал - постійний струм - fo \u003d 0 (рис. 5.7, а)

Рис. 5.7 Визначення основних частот спектру для AMI

З цієї причини код AMI також вимагає подальшого поліпшення. При передачі послідовності одиниць сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, передає чергуються нулі і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою fo \u003d N / 2 Гц.

При передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка fo \u003d N / 4 Гцчто в два рази менше ніж у коду NRZ.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI приводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до більш високої пропускної здатності лінії. Код AMI надає також деякі можливості по розпізнаванню помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилковий імпульсі або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

Можна зробити наступні висновки:

AMI ліквідує постійну складову при передачі послідовності одиниць;

AMI має вузький спектр - від N / 4 - N / 2;

AMI частково ліквідує проблеми синхронізації

AMI використовує не два, а три рівня сигналу на лінії і це його недолік, але його вдалося усунути наступним алгоритмом.

5. 2.3 Потенційний код з інверсією при одиниці NRZI

Цей код повністю схожий на код AMI, але тільки використовує два рівня сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений в попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний.

Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI).

Він зручний в тих випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стану сигналу - світло і темрява.

Рис. 5.8 Код NRZI

Код NRZIотлічается за формою результуючого сигналу від коду AMI, але якщо обчислити основні гармоніки, для кожного випадку, то виявиться, що вони такі ж. Для послідовності чергуються одиниць і нулів основна частота сигналу fо \u003d N / 4.(Див. Рис. 5.9, а). Для при послідовності одиниць - fо \u003d N / 2.При послідовності нулів зберігається той же недолік fо \u003d 0- постійний струм в лінії.

Рис. 5.9 Визначення основних частот спектру для NRZI

Висновки такі:

NRZI - забезпечує ті ж можливості, що і код AMI, але використовує для цього тільки два рівня сигналу і тому більш прийнятний для подальшого удосконалення. Недоліки NRZI - постійна складова при послідовності нулів, і відсутність синхронізації при передачі. Код NRZI став основним при розробці більш поліпшених методів кодування на більш високих рівнях.

5. 2.4 Код MLT3

Код трирівневої передачі MLT-3 (Multi Level Transmission - 3)має багато спільного з кодом NRZI. Найважливіший його відмінність - три рівня сигналу.

Одиниці відповідає перехід з одного рівня сигналу на інший. Зміна рівня лінійного сигналу відбувається тільки в тому випадку, якщо на вхід надходить одиниця, проте на відміну від коду NRZI алгоритм формування обраний таким чином, щоб два сусідніх зміни завжди мали протилежні напрямки.

Рис. 5.10 Потенційний код MLT-3

Розглянемо окремі випадки, як і у всіх попередніх прикладах.

При передачі нулів сигнал він має також постійну складову, сигнал не змінюється - fо \u003d 0Гц. (Див. Ріс.5.10). При передачі всіх одиниць інформаційні переходи фіксуються на кордоні бітів, і один цикл сигналу вміщує чотири біта. В цьому випадку fо \u003d N / 4 Гц - максимальна частота коду MLT-3 при передачі всіх одиниць (ріс.5.11, а).

Рис. 5.11 Визначення основних частот спектру для MLT-3

У разі чергується послідовності код MLT-3має максимальну частоту рівну fо \u003d N / 8, Що в два рази менше ніж у коду NRZI, отже, цей код має більш вузьку смугу пропускання.

Як ви помітили, недолік коду MLT-3, як і коду NRZI - відсутність синхронізації. Цю проблему вирішують за допомогою додаткового перетворення даних, яке виключає довгі послідовності нулів і можливість рассинхронизации. Загальний висновок можна зробити наступний - застосування трирівневого кодування МLТ-3дозволяє зменшити тактову частоту лінійного сигналу і тим самим збільшити швидкість передачі.

5. 2.5 Біполярний імпульсний код

Крім потенційних кодів використовуються й імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або ж його частиною - фронтом.

Найбільш простим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код, В якому одиниця представлена \u200b\u200bімпульсом однієї полярності, а нуль - інший. Кожен імпульс триває половину такту (рис. 5.12). Біполярний імпульсний код - трирівневий код. Розглянемо результуючі сигнали при передачі даних біполярним кодуванням в тих же приватних випадках.

Рис. 5.12 Біполярний імпульсний код

Особливістю коду є те, що в центрі біта завжди є перехід (позитивний або негативний). Отже, кожен біт позначений. Приймач може виділити синхроимпульс (стрибає), який має частоту проходження імпульсів, з самого сигналу. Прив'язка проводиться до кожного біту, що забезпечує синхронізацію приймача з передавачем. Такі коди, що несуть в собі стрибає, і називають самосінхронізірующіхся. Розглянемо спектр сигналів для кожного випадку (рис. 5.13). При передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду fо \u003d N Гц, Що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI. При передачі одиниць, що чергуються, і нулів - fо \u003d N / 2

Рис. 5.13 Визначення основних частот спектру для біполярного імпульсного коду.

Цей недолік коду не дає виграшу в швидкості передачі даних і явно свідчить про те, що імпульсні коди повільніше потенційних.

Наприклад, для передачі даних по лінії зі швидкістю 10 Мбіт / с потрібно частота несучого сигналу 10 МГц. При передачі послідовності чергуються нулів і одиниць швидкість зростає, але не набагато, т.к частота основної гармоніки коду fо \u003d N / 2 Гц.

Біполярний імпульсний код має велику перевагу, в порівнянні з попередніми кодами, - він Самосінхронізірующійся.

Біполярний імпульсний код має широкий спектр сигналу, і тому більш повільний.

Біполярний імпульсний код використовує три рівня.

5. 2.6 Манчестерський код

Манчестерський кодбув розроблений, як вдосконалений біполярний імпульсний код. Манчестерський код також відноситься до самосинхронізується кодами, але на відміну від біполярного коду має не три, а тільки два рівня, що забезпечує кращу перешкодозахищеність.

У манчестерському коді для кодування одиниць і нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються в середині кожного такту. Це відбувається наступним чином:

Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль - зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити кілька одиниць або нулів підряд.

Розглянемо окремі випадки кодування (послідовності з чергуються нулів і одиниць, одних нулів, одних одиниць), а потім будемо визначати основні гармоніки для кожної з послідовностей (див. Рис. 5.14). У всіх випадках можна помітити, що при манчестерському кодуванні зміна сигналу в центрі кожного біта дозволяє легко виділити синхросигнал. Тому манчестерський код і володіє хорошими самосінхронізірующіхся властивостями.

Рис. 5.14 Манчестерський код

Самосинхронізація завжди дає можливість передачі великих пакетів інформації без втрат через відмінності тактової частоти передавача і приймача.

Отже, визначимо основну частоту при передачі тільки одиниць або тільки нулів.

Рис. 5.15 Визначення основних частот спектру для манчестерського коду.

Як видно при передачі, як нулів, так і одиниць, постійна складова відсутня. Частота основної гармоніки fо \u003d N Гц, Як і при біполярному кодуванні. Завдяки цьому гальванічна розв'язка сигналів в лініях зв'язку може виконуватися найпростішими способами, наприклад, за допомогою імпульсних трансформаторів. При передачі одиниць, що чергуються, і нулів частота основної гармоніки дорівнює fо \u003d N / 2Гц.

Таким чином, манчестерський код це покращений біполярний код, покращений за рахунок використання для передачі даних тільки двох рівнів сигналу, а в НЕ трьох, як в біполярному. Але цей код як і раніше залишається повільним у порівнянні з NRZI, який в два рази швидше.

Розглянемо приклад. Візьмемо для передачі даних лінію зв'язку з пропускною здатністю 100 МГці швидкістю 100 Мбіт. Якщо раніше ми визначали швидкість передачі даних при заданій частоті, тепер нам потрібно визначити частоту сигнал при заданій швидкості лінії. Виходячи з цього визначаємо, що для передачі даних кодом NRZI нам досить діапазону частоти від N / 4-N / 2 це частоти від 25 -50 МГц, ці частоти входять в смугу пропускання нашої лінії - 100 МГц. Для манчестерського коду нам потрібен діапазон частот від N / 2 до N - це частоти від 50 до 100 МГц, в цьому діапазоні знаходяться основні гармоніки спектра сигналу. Для коду Манчестера він не задовольняє смузі пропускання нашої лінії, і, отже, такий сигнал лінія буде передавати з великими спотвореннями (такий код не можна використовувати на цій лінії).

5.2.7Диференціальний манчестерський (Differential Manchester) код.

Диференціальний манчестерський кодє різновидом манчестерського кодування. Середину тактового інтервалу лінійного сигналу він використовує тільки для синхронізації, і на ній завжди відбувається зміна рівня сигналу. Логічні 0 і 1 передаються наявністю або відсутністю зміни рівня сигналу на початку тактового інтервалу відповідно (Рис. 5.16)

Рис. 5.16 Диференціальний манчестерський код

Цей код має ті ж самими перевагами і недоліками, що і манчестерський. Але, на практиці використовується саме диференційний манчестерський код.

Таким чином, манчестерський код раніше (коли високошвидкісні лінії були великою розкішшю для локальної мережі) дуже активно використовувався в локальних мережах, через свою самосинхронизации і відсутності постійної складової. Він і зараз знаходить широке застосування в оптоволоконних і електропровідних мережах. Однак останнім часом розробники прийшли до висновку, що краще все-таки застосовувати потенційне кодування, ліквідуючи його недоліки за допомогою засобами так званого логічного кодування.

5.2.8Потенційний код 2B1Q

код 2B1Q- потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Його назва відображає його суть - кожні два біти (2В)передаються за один такт сигналом, що має чотири стану (1Q).

Паре біт 00 відповідає потенціал (-2,5 В), Парі біт 01 відповідає потенціал (-0,833 В), парі 11 - потенціал (+0,833 В), А парі 10 - потенціал ( +2,5 В).

Рис. 5.17 Потенційний код 2B1Q

Як видно на малюнку 5.17, цей спосіб кодування вимагає додаткових заходів по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється в постійну складову. Отже, при передачі, як нулів, так і одиниць fо \u003d 0Гц.При чергуванні одиниць і нулів спектр сигналу в два рази вже, ніж у коду NRZ, так як при тій же бітової швидкості тривалість такту збільшується в два рази - fо \u003d N / 4 Гц.

Таким чином, за допомогою коду 2B1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача повинна бути вище, щоб чотири рівні потенціалу (-2,5В, -0,833 В, +0,833 В, +2,5 В) чітко розрізнялися приймачем на тлі перешкод.

5. 2.9 Код PAM5

Всі розглянуті нами вище схеми кодування сигналів були бітовими. При битовом кодуванні кожному біту відповідає значення сигналу, яке визначається логікою протоколу.

При байтовому кодуванні рівень сигналу задають два біта і більш. У П'ятирівнева коді PAM 5використовується 5 рівнів напруги (амплітуди) і двухбітовий кодування. Для кожної комбінації задається свій рівень напруги. При двухбітовий кодуванні для передачі інформації необхідно чотири рівні (два в другому ступені - 00, 01, 10, 11 ). Передача двох бітів одночасно забезпечує зменшення в два рази частоти зміни сигналу. П'ятий рівень доданий для створення надмірності коду, використовуваного для виправлення помилок. Це дає додатковий резерв співвідношення сигнал / шум.

Рис. 5.18 Код PAM 5

5. 3. Логічне кодування

логічне кодування виконується до фізичного кодування.

На етапі логічного кодування вже не формується форма сигналів, а усуваються недоліки методів фізичного цифрового кодування, таких як - відсутність синхронізації, наявність постійної складової. Таким чином, спочатку за допомогою засобів логічного кодування формуються виправлені послідовності двійкових даних, які потім за допомогою методів фізичного кодування передаються по лініях зв'язку.

Логічне кодування передбачає заміну біт вихідної інформації нової послідовністю біт, що несе ту ж інформацію, але володіє, крім цього, додатковими властивостями, наприклад можливістю для приймальної сторони виявляти помилки в прийнятих даних. Супровід кожного байта вихідної інформації одним бітом парності - це приклад дуже часто застосовуваного методу логічного кодування при передачі даних за допомогою модемів.

Розділяють два методи логічного кодування:

надлишкові коди

Скремблювання.

5. 3.1 Надлишкові коди

надлишкові кодизасновані на розбитті вихідної послідовності біт на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більшу кількість біт, ніж вихідний. Явний приклад надмірного коду - логічний код 4В / 5В.

Логічний код 4В / 5В замінює вихідні символи довжиною в 4 біта на символи довжиною в 5 біт. Так як результуючі символи містять надлишкові біти, то загальна кількість бітових комбінацій в них більше, ніж у вихідних. Таким чином, п'яти-бітова схема дає 32 (2 5) двухразрядного буквено-цифрових символу, що мають значення в десятковому коді від 00 до 31. У той час як вихідні дані можуть містити тільки чотири біта або 16 (2 4) символів.

Тому в результуючому коді можна підібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а інші вважати забороненими кодами (code violation).В цьому випадку довгі послідовності нулів перериваються, і код стає самосинхронізується для будь-яких даних, що передаються. Зникає також постійна складова, а значить, ще більше звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну здатність лінії, так як надлишкові одиниці користувальницької інформації не несуть, і тільки "займають ефірний час". Надлишкові коди дозволяють приймачу розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, значить, на лінії відбулося спотворення сигналу.

Отже, розглянемо роботу логічного коду 4В / 5В. Перетворений сигнал має 16 значень для передачі інформації і 16 надлишкових значень. У декодере приймача п'ять бітів розшифровуються як інформаційні та службові сигнали.

Для службових сигналів відведені дев'ять символів, сім символів - виключені.

Виключені комбінації, які мають більше трьох нулів (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Такі сигнали інтерпретуються символом Vі командою приймача VIOLATION- збій. Команда означає наявність помилки через високого рівня перешкод або збою передавача. Єдина комбінація з п'яти нулів (00 - 00000 ) відноситься до службових сигналів, означає символ Qі має статус QUIET- відсутність сигналу в лінії.

Таке кодування даних вирішує два завдання - синхронізації і поліпшення завадостійкості. Синхронізація відбувається за рахунок виключення послідовності більше трьох нулів, а висока стійкість досягається приймачем даних на п'яти-бітове інтервалі.

Ціна за ці достоїнства при такому способі кодування даних - зниження швидкості передачі корисної інформації. Наприклад, В результаті додавання одного надлишкового біта на чотири інформаційних, ефективність використання смуги частот в протоколах з кодом MLT-3і кодуванням даних 4B / 5Bзменшується відповідно на 25%.

схема кодування 4В / 5Впредставлена \u200b\u200bв таблиці.

Отже, відповідно до цієї таблиці формується код 4В / 5В, Потім передається по лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів - наприклад, в допомогою цифрового коду NRZI.

Символи коду 4В / 5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їх поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів підряд.

Літера Вв назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стану - від англійського binary- двійковий. Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, в коді 8В / 6Тдля кодування 8 біт вихідної інформації використовується код з 6 сигналів, кожен з яких має три стану. надмірність коду 8В / 6Твище, ніж коду 4В / 5В, Так як на 256 вихідних кодів припадає 3 6 \u003d 729 результуючих символів.

Як ми говорили, логічне кодування відбувається до фізичного, отже, його здійснюють обладнання канального рівня мережі: мережеві адаптери і інтерфейсні блоки комутаторів і маршрутизаторів. Оскільки, як ви самі переконалися, використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому метод логічного кодування надлишковими кодами не ускладнювати функціональні вимоги до цього устаткування.

Єдина вимога - для забезпечення заданої пропускної здатності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною тактовою частотою. Так, для передачі кодів 4В / 5Взі швидкістю 100 Мб / спередавач повинен працювати з тактовою частотою 125 МГц. При цьому спектр сигналу на лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надмірна код. Проте, спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача і передавача на підвищеній тактовій частоті.

Таким чином, можна зробити наступний висновок:

В основному для локальних мереж простіше, надійніше, якісніше, швидше - використовувати логічне кодування даних за допомогою надлишкових кодів, яке усуне тривалі послідовності нулів і забезпечить синхронізацію сигналу, потім на фізичному рівні використовувати для передачі швидкий цифровий код NRZI, ніж без попереднього логічного кодування використовувати для передачі даних повільний, але Самосінхронізірующійся манчестерський код.

Наприклад, для передачі даних по лінії з пропускною спроможністю 100М біт / с і смугою пропускання 100 МГц, кодом NRZI необхідні частоти 25 - 50 МГц, це без кодування 4В / 5В. А якщо застосувати для NRZIще й кодування 4В / 5В, то тепер смуга частот розшириться від 31,25 до 62,5 МГц. Але тим не менш, цей діапазон ще "влазить" в смугу пропускання лінії. А для манчестерського коду без застосування будь-якого додаткового кодування необхідні частоти від 50 до 100 МГц, і це частоти основного сигналу, але вони вже не будуть пропускатися лінією на 100 МГц.

5. 3.2 скремблювання

Інший метод логічного кодування заснований на попередньому "перемішуванні" вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць і нулів на лінії ставала близькою.

Пристрої, або блоки, які виконують таку операцію, називаються скремблера (scramble - звалище, безладна зборка).

при скремблюваннядані перемешіваються за певним алгоритмом і приймач, отримавши виконавчі дані, передає їх на дескремблер, Який відновлює вихідну послідовність біт.

Надлишкові біти при цьому по лінії не передаються.

Суть скремблювання полягає просто в побітному зміні проходить через систему потоку даних. Практично єдиною операцією, використовуваної в скремблерами є XOR - "побітно виключає АБО", Або ще кажуть - додавання за модулю 2. При складанні двох одиниць виключає АБО відкидається старша одиниця і результат записується - 0.

Метод скремблювання дуже простий. Спочатку придумують скремблер. Іншими словами придумують за яким співвідношенням перемішувати біти в вихідної послідовності за допомогою "виключає АБО". Потім згідно з цим співвідношенням з поточної послідовності біт вибираються значення певних розрядів і складаються з XORміж собою. При цьому всі розряди зсуваються на 1 біт, а тільки що отримане значення ( "0" або "1") поміщається в звільнився наймолодший розряд. Значення, що знаходилося в самому старшому розряді до зсуву, додається в послідовність, що кодує, стаючи черговим її бітом. Потім ця послідовність видається в лінію, де за допомогою методів фізичного кодування передається до вузла-одержувача, на вході якого ця послідовність дескрембліруется на основі зворотного відносини.

Наприклад, скремблер може реалізовувати наступне співвідношення:

де Bi- двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-м такті роботи скремблера, Ai- двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-м такті на вхід скремблера, B i-3 і B i-5 - виконавчі цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і на 5 тактів раніше поточного такту, - операція виключає АБО (додавання по модулю 2).

Тепер давайте, визначимо закодовану послідовність, наприклад, для такої вихідної послідовності 110110000001 .

Скремблер, визначений вище дасть наступний результуючий код:

B 1 \u003d А 1 \u003d 1 (перші три цифри результуючого коду будуть збігатися з вихідним, так як ще немає потрібних попередніх цифр)

Таким чином, на виході скремблера з'явиться послідовність 110001101111 . В якій немає послідовності з шести нулів, яка була присутня в вихідному коді.

Після отримання результуючої послідовності приймач передає її дескремблеру, який відновлює вихідну послідовність на підставі зворотного співвідношення.

Існують інші різні алгоритми скремблювання, вони відрізняються кількістю доданків, що дають цифру результуючого коду, і зрушенням між складовими.

Головна проблема кодування на основі скремблеров - синхронізація передавального (кодує) і приймає (декодирующего) пристроїв. При пропуску або помилковому вставлянні хоча б одного біта вся передана інформація необоротно втрачається. Тому, в системах кодування на основі скремблеров дуже велика увага приділяється методам синхронізації .

На практиці для цих цілей зазвичай застосовується комбінація двох методів:

а) додавання в потік інформації синхронізуючих бітів, заздалегідь відомих приймальній стороні, що дозволяє їй при незнаходження такого біта активно почати пошук синхронізації з відправником,

б) використання високоточних генераторів тимчасових імпульсів, що дозволяє в моменти втрати синхронізації виробляти декодування прийнятих бітів інформації "по пам'яті" без синхронізації.

Існують і більш прості методи боротьби з послідовностями одиниць, також відносяться до класу скремблювання.

Для поліпшення коду Bipolar AMIвикористовуються два методу, засновані на штучному спотворенні послідовності нулів забороненими символами.

Рис. 5. 19 Коди B8ZS і HDB3

На цьому малюнку показано використання методу B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution)і методу HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros)для коригування коду AMI. Вихідний код складається з двох довгих послідовностей нулів (8- в першому випадку і 5 у другому).

код B8ZSвиправляє тільки послідовності, що складаються з 8 нулів. Для цього він після перших трьох нулів замість решти п'яти нулів вставляє п'ять цифр: V-1 * -0-V-1 *.Vтут позначає сигнал одиниці, забороненої для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1 * - сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки відзначає той факт, що у вихідному коді в цьому такті була одиниця, а нуль. В результаті на 8 тактах приймач спостерігає 2 перекручування - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії чи інших збоїв передачі. Тому приймач вважає такі порушення кодуванням 8 послідовних нулів і після прийому замінює їх на вихідні 8 нулів.

Код B8ZS побудований так, що його постійна складова дорівнює нулю при будь-яких послідовностях двійкових цифр.

код HDB3виправляє будь-які 4 поспіль нуля в вихідної послідовності. Правила формування коду HDB3 складніші, ніж коду B8ZS. Кожні чотири нулі замінюються чотирма сигналами, в яких є один сигнал V. Для придушення постійної складової полярність сигналу Vчергується при послідовних замінах.

Крім того, для заміни використовуються два зразка чотирьохтактових кодів. Якщо перед заміною вихідний код містив непарне число одиниць, то використовується послідовність 000V, А якщо число одиниць було парних - послідовність 1 * 00V.

Таким чином, застосування логічне кодування спільно з потенційним кодуванням дає наступні переваги:

Покращені потенційні коди мають досить вузькою смугою пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в переданих даних. В результаті коди, отримані з потенційного шляхом логічного кодування, мають більш вузький спектр, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті.