Основи передачі фізичного рівня. Передача дискретних даних фізично. Фізичні основи передачі

Для передачі дискретних даних лініями зв'язку з вузькою смугою частот застосовується аналогова модуляція. Типовим представником таких ліній є лінія зв'язку тональної частоти, що надається користувачам громадських телефонних мереж. Ця лінія зв'язку передає аналогові сигнали в діапазоні частот від 300 до 3400 Гц (так смуга пропускання лінії дорівнює 3100 Гц). Суворе обмеження смуги пропускання ліній зв'язку даному випадкупов'язано з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів у телефонних мережах.

Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні та демодуляції на приймальній стороні, носить назву модем (Модулятор-демодулятор).

Аналогова модуляція є таким способом фізичного кодування, у якому інформація кодується зміною амплітуди, частотиабо фазисинусоїдального сигналу несучої частоти. При амплітудної модуляціїдля логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується на практиці в чистому вигляді через низьку завадостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншими видами модуляції. При частотної модуляціїзначення 0 та 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою . Цей спосіб модуляції не вимагає складних електронних схем у модемах і зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с. При фазової модуляціїзначенням даних 0 і 1 відповідають сигнали 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 у поєднанні з фазовою. Для підвищення швидкості передачі використовують комбіновані методи модуляції. Найбільш поширеними є методи квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation-QAM).Ці методи засновані на поєднанні фазової модуляції з 8 значеннями величин зсуву фази та амплітудної модуляції з 4 рівнями амплітуди. Однак із можливих 32 комбінацій сигналу використовуються далеко не всі. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, що є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах (особливо комутованих) дуже значні за амплітудою і тривалі за часом.

При цифрове кодуваннядискретної інформації застосовують потенційніі імпульснікоди. В потенційнихкодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формують закінчені імпульси, до уваги не приймаються. Імпульснікоди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напрямку.

При використанні прямокутних імпульсівдля передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав декількох цілей: мав при одній і тій же бітовій швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу; забезпечував синхронізацію між передавачем та приймачем; мав здатність розпізнавати помилки; мав низьку вартість реалізації.

Вужчий спектр сигналу дозволяє на одній і тій же лінії (з однією і тією ж смугою пропускання) досягати більш високої швидкості передачі даних. Синхронізація передавача та приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, у який час необхідно зчитувати нову інформаціюз лінії зв'язку. Ця проблема в мережах вирішується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад між пристроями всередині комп'ютера або між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій лінії лінії зв'язку, і інформація знімається з лінії даних тільки в момент приходу тактового імпульсу. У мережах використання цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність параметрів провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналу може призвести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущено або повторно. Іншою причиною, через яку в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, є економія провідників у дорогих кабелях. Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються,сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, у який час потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або кількох біт, якщо код орієнтований більш ніж на два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу – так званий фронт- може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем. При використанні синусоїд як несучий сигнал результуючий код має властивість самосинхронізації, так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачеві визначити момент появи вхідного коду.

Розпізнавання та корекцію спотворених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть він протоколи, що лежать вище: канальний, мережевий, транспортний чи прикладної. З іншого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівніекономить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових бітів усередині кадру.

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

Одним із найпростіших методів потенційногокодування є уніполярний потенційний код, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero-NRZ) (рис.7.1.а). Остання назва відображає те, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту. Метод NRZ має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціали), але не має властивості самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць чи нулів сигнал лінії не змінюється, тому приймач немає можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно вкотре зчитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів практично ніколи не бувають цілком ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними та довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки цілий такт і, відповідно, зчитування некоректного значення біта.

а Б В Г Д Є

Рис. 7.1. Методи кодування двійкових даних: а-уніполярний потен-

циальний код; б- біполярний потенційний код; в- уніполярний ім-

пульсний код; г -біполярний імпульсний код; д-"Манчестерський" код;

е- потенційний код із чотирма рівнями сигналу.

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля під час передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато ліній 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, але використовуються різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової.

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного потенційного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI).У цьому методі ( Рис. 7.1.б) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий та 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 та відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ. Це відбувається під час передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі і одиниці, що чергуються, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N/2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних) . Довгі послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульової амплітуди. Загалом, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI призводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до більш високої пропускної спроможностілінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка f 0 має частоту N/4 Гц. Код AMI також надає деякі можливості розпізнавання помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилкове імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).Так як у коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу на лінії, то додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу порівняно з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Найбільш простими методами імпульсногокодування є уніполярний імпульсний код,в якому одиниця представлена імпульсом, а нуль - його відсутністю ( Рис. 7.1в), та біполярний імпульсний код, В якому одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль - інший ( Рис. 7.1г). Кожен імпульс триває половину такту. Біполярний імпульсний код має хороші самосинхронізуючі властивості, але постійна імпульсна складова може бути присутнім, наприклад, при передачі довгої послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширший, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду дорівнюватиме N Гц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI при передачі одиниць і нулів, що чергуються. Через дуже широкий спектр біполярний імпульсний код використовується рідко.

У локальних мережах донедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код»(Рис. 7.1д). У манчестерському коді для кодування одиниць та нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт поділяється на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що усередині 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 уявити кілька одиниць чи нулів поспіль. Так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код має гарні властивості, що самохронізують. Смуга пропускання манчестерського коду вже, 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 і нулів, що чергуються) вона дорівнює N/2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. У середньому ширина лінії манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у біполярного імпульсного коду, а головна гармоніка коливається біля значення 3N/4. Ще однією перевагою манчестерського коду є те, що він лише два рівні сигналу, а біполярний імпульсний код – три.

Існують також потенційні коди з великою кількістю рівнів сигналів для кодування даних. Як приклад показаний ( рис 7.1е) потенційний код 2В1Qз чотирма рівнями сигналу кодування даних. У цьому коді кожні два біти передаються за один такт сигналом, що має чотири стани. Парі біт "00" відповідає потенціал -2,5 В, парі біт "01" - потенціал -0,833 В, парі біт "11" - потенціал +0,833 В, а парі біт "10" - потенціал +2,5 В. В цьому способі кодування потрібні додаткові заходи боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт, так як тоді сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу вдвічі, ніж у коду NRZ (за тієї ж бітової швидкості тривалість такту збільшується вдвічі). Таким чином, за допомогою представленого коду 2В1Q можна по одній лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI. Однак для його реалізації потужність передавача має бути вищою, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на тлі перешкод.

Для покращення потенційних кодів типу AMI та 2B1Q використовується логічне кодування. Логічне кодування покликане замінювати довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Для логічного кодування характерні два методи - надлишкові коди та скремблювання.

Надлишкові кодизасновані на розбитті вихідної послідовності бітів на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більше біт, ніж вихідний. Наприклад, логічний код 4В/5В замінює вихідні символи довжиною 4 біта на символи довжиною 5 біт. Оскільки результуючі символи містять надмірні біти, то загальна кількість бітових комбінацій у них більша, ніж у вихідних. Так, у коді 4В/5В результуючі символи можуть містити 32 бітові комбінації, у той час як вихідні символи - лише 16. Тому в результуючому коді можна відібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а решту рахувати забороненими кодами (code violation).Крім усунення постійної складової та надання коду властивості самосинхронізації, надлишкові коди дозволяють приймачеві розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, отже, лінії сталося спотворення сигналу. Код 4В/5В передається лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів. Символи коду 4В/5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їхньому поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів поспіль. Літера B у назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани (від англійської binary – двійковий). Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, код 8В/6Т для кодування 8 біт вихідної інформації використовується код з 6 сигналів, кожен з яких має три стани. Надмірність коду 8В/6Т вище, ніж коду 4В/5В, так як на 256 вихідних кодів припадає 729 (3 ступенем 6) результуючих символів. Використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому цей підхід не ускладнює мережеві адаптери та інтерфейсні блоки комутаторів та маршрутизаторів (див. розділи 9,11).

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

Інший спосіб логічного кодування заснований на попередньому «перемішуванні» вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць і нулів на лінії ставали близькими. Пристрої або блоки, що виконують таку операцію, називаються скремблерами(scramble - звалище, безладне складання). При скремблювання використовується відомий алгоритм, тому приймач, отримавши двійкові дані, передає їх на дескремблер,який відновлює вихідну послідовність біт. Надлишкові біти у своїй по лінії не передаються. Покращені потенційні надлишкові та скрембльовані коди застосовуються у сучасних високошвидкісних мережевих технологіях замість «манчестерського» та біполярного імпульсного кодування.

7.6. Технології мультиплексування ліній зв'язку

Для мультиплексування(«Ущільнення») ліній зв'язку використовується кілька технологій. Технологія частотногомультиплексування(Frequency Division Multiplexing - FDM) спочатку була розроблена для телефонних мереж, але застосовується і для інших видів мереж, наприклад мереж кабельного телебачення. Ця технологія передбачає перенесення сигналів кожного абонентського каналу у свій діапазон частот і одночасну передачу сигналів декількох абонентських каналів в одній широкосмугової лінії зв'язку. Наприклад, на входи FDM комутатора надходять вихідні сигнали від абонентів телефонної мережі. Комутатор виконує перенесення частоти кожного каналу у діапазон частот. Зазвичай високочастотний діапазон поділяється на смуги, які відводяться передачі даних абонентських каналів. У лінії зв'язку між двома FDM-комутаторами одночасно передаються сигнали всіх абонентських каналів, але кожен із них займає свою смугу частот. Вихідний FDM-комутатор виділяє модульовані сигнали кожної несучої частоти і передає їх на відповідний вихідний канал, якого безпосередньо підключений абонентський телефон. FDM-комутатори можуть виконувати як динамічну, так і постійну комутацію. При динамічній комутації один абонент ініціює з'єднання з іншим абонентом, посилаючи в мережу номер абонента, що викликається. Комутатор динамічно виділяє даному абонентуодну із вільних смуг. При постійній комутації смуга закріплюється за абонентом тривалий термін. Принцип комутації з урахуванням поділу частот залишається незмінним й у мережах іншого виду, змінюються лише межі смуг, виділених окремому абонентському каналу, і навіть їх кількість.

Технологія мультиплексуванняз поділом часу(Time Division Multiplexing - TDM) або тимчасового мультиплексуваннязаснована на використанні TDM-апаратури (мультиплексорів, комутаторів, демультиплексорів), що працює в режимі розподілу часу, по черзі обслуговуючи протягом циклу всі абонентські канали. Кожному з'єднанню виділяється один квант часу циклу роботи апаратури, званий також тайм-слотом. Тривалість тайм-слоту залежить від кількості абонентських каналів, які обслуговуються апаратурою. Мережі TDM можуть підтримувати режими або динамічною,або постійноюкомутації, а іноді й обидва ці режими.

Мережі з динамічною комутацієюпотребують попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента, який проходить через комутатори і налаштовує їх на подальшу передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизується від одного комутатора до іншого і врешті-решт досягає абонента, що викликається. Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність вихідного каналу вже вичерпана. Для FDM-комутатора вихідна ємність дорівнює кількості частотних смуг, а для TDM-комутатора - кількості тайм-слотів, куди ділиться цикл роботи каналу. Мережа відмовляє у з'єднанні також у тому випадку, якщо запитуваний абонент вже встановив з'єднання з кимось іншим. У першому випадку кажуть, що зайнятий комутатор, а у другому – абонент. Можливість відмови у з'єднанні є недоліком методу комутації каналів. Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах або фіксована пропускна здатність в TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом період з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідною для таких програм, як передача голосу та зображення або керування об'єктами у реальному масштабі часу.

За наявності всього одного фізичного каналу зв'язку, наприклад, при обміні даними за допомогою модемів через телефонну мережу, дуплексний режим роботи організується на основі поділу каналу на два логічні підканали за допомогою технологій FDM або ТDМ. При використанні технології FDM модеми для організації дуплексного режиму роботи на двопровідній лінії працюють на чотирьох частотах (дві частоти для кодування одиниць і нулів при передачі даних в одному напрямку, а дві інших частоти - для кодування при передачі в зворотному напрямку). У технології ТDМ частина тайм-слотів використовується передачі даних в одному напрямку, а частина – передачі в іншому напрямку. Зазвичай тайм-слоти протилежних напрямків чергуються.

У волоконно-оптичних кабелях для організації дуплексного режиму роботи при використанні лише одного оптичного волокна передача даних в одному напрямку проводиться за допомогою світлового пучка однієї довжини хвилі, а у зворотному - іншої довжини хвилі. Така технологія, по суті, відноситься до методу FDM, проте для волоконно-оптичних кабелів вона отримала назву технології мультиплексування за довжиною хвилі(Wave Division Multiplexing - WDM) або хвильового мультиплексування.

Технологіящільного хвильового(спектрального) мультиплексування(Dense Wave Division Multiplexing - DWDM) призначена для створення оптичних магістралей нового покоління, що працюють на мультигігабітних та терабітних швидкостях. Такий якісний стрибок продуктивності забезпечується за рахунок того, що інформація в оптичному волокні передається одночасно великою кількістю світлових хвиль. Мережі DWDM працюють за принципом комутації каналів, при цьому кожна світлова хвиля є окремим спектральним каналом і несе власну інформацію. Однією з основних переваг технології DWDM є суттєве підвищення коефіцієнта використання частотного потенціалу оптичного волокна, теоретична смуга пропускання якого становить 25000 ГГц.

Резюме

У сучасних телекомунікаційних системах інформація передається у вигляді електромагнітних хвиль – електричних, світлових чи радіосигналів.

Лінії зв'язку в залежності від типу фізичного середовища передачі можуть бути кабельними (провідними) або бездротовими. Як лінії зв'язку застосовуються телефонні кабелі на основі паралельних нескручених провідників, коаксіальні кабелі, кабелі на основі кручених пар провідників (неекрановані та екрановані), волоконно-оптичні кабелі. Найбільш ефективними на сьогоднішній день та перспективними у найближчому майбутньому є кабелі на основі кручених пар провідників та волоконно-оптичні кабелі. Бездротові лінії зв'язку найчастіше реалізуються за допомогою передачі радіосигналів у різних діапазонах радіохвиль. Інфрачервона технологія бездротової передачіданих використовує частину електромагнітного спектра між видимим світлом і короткими мікрохвильами. Найбільш високошвидкісною і стійкою до перешкод є лазерна технологія бездротового зв'язку.

Основні характеристики ліній зв'язку – амплітудно-частотна характеристика, смуга пропускання та загасання на певній частоті.

Пропускна здатність лінії зв'язку характеризує максимально можливу швидкість передачі по ній. Перешкодостійкість лінії зв'язку визначає її здатність зменшувати на внутрішніх провідниках рівень перешкод, створюваних у зовнішньому середовищі. Достовірність передачі характеризує ймовірність спотворення кожному за переданого біта даних.

Подання дискретної інформації у тому чи іншому вигляді сигналів, що подаються на лінію зв'язку, називається фізичним кодуванням. Логічне кодування передбачає заміну біт вихідної інформації новою послідовністю біт, що несе ту ж інформацію, але має додаткові властивості.

Для передачі дискретних даних лініях зв'язку з вузькою смугою частот застосовується аналогова модуляція, при якій інформація кодується зміною амплітуди, частоти або фази синусоїдального сигналу несучої частоти. При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди. Для мультиплексування ліній зв'язку використовуються технології частотного, тимчасового та хвильового мультиплексування.

Контрольні питання та завдання

1. Наведіть класифікацію ліній зв'язку.

2. Охарактеризуйте найпоширеніші кабельні лінії зв'язку.

3. Представте основні бездротові лінії зв'язку та дайте їхню порівняльну характеристику.

4. Через які фізичні фактори канали зв'язку спотворюють сигнали, що передаються?

5. Що таке амплітудно-частотна характеристика каналу зв'язку?

6. У яких одиницях вимірюється пропускна спроможність каналу зв'язку?

7. Опишіть поняття «перешкодостійкість лінії зв'язку».

8. Що визначає характеристика «достовірність передачі» і яких одиницях вона вимірюється?

9. Що таке «аналогова модуляція» та які її види застосовується для передачі дискретних даних?

10. Який пристрій виконує функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні та її демодуляції на приймальній стороні?

11. Вкажіть різницю між потенційним та імпульсним кодуванням цифрових сигналів.

12. Що являють собою коди, що самосинхронізуються?

13. З якою метою використовується логічне кодування цифрових сигналів та які методи при цьому застосовуються?

14. Опишіть технологію частотного мультиплексування ліній зв'язку.

15. Які особливості технології мультиплексування з розподілом часу?

16. Яка технологія мультиплексування застосовується у волоконно-оптичних кабелях для організації дуплексного режиму роботи при використанні лише одного оптичного волокна?

17. З якою метою розроблена технологія щільного хвильового мультиплексування?

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

Передача дискретних даних виходить з використання двох типів фізичного кодування:

а) аналогової модуляціїколи кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів синусоїдального несучого сигналу;

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

Аналогова модуляція призводить до спектру результуючого сигналу набагато меншої 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 каналами зв'язку в дискретному вигляді (у вигляді послідовності одиниць і нулів), тобто здійснюється дискретна модуляція аналогових сигналів.

Аналогова модуляція. Застосовується передачі дискретних даних каналами з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти, наданий користувачам телефонних мереж. Цим каналом передаються сигнали з частотою від 300 до 3400 Гц, тобто його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц. Така смуга цілком достатня передачі мови з прийнятною якістю. Обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів у телефонних мережах.

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

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

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

Частотна модуляція, коли під дією модулюючих 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 інформаційних бітів, що передаються, 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 низьку стійкість до перешкод. Частотна модуляція не потребує складних схем у модемах і зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с. Підвищення швидкості передачі даних забезпечується використанням комбінованих способівмодуляції, частіше амплітудної у поєднанні з фазовою.

Аналоговий спосіб передачі дискретних даних забезпечує широкосмугову передачу шляхом використання 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 представлення інформаційних одиниць та нулів застосовується лише значення потенціалу сигналу, а його перепади до уваги не беруться;

б) імпульсні коди, коли двійкові дані є або імпульсами певної полярності, або перепадами потенціалу певного напрямку.

До способів цифрового кодування дискретної інформації при використанні прямокутних імпульсів для представлення двійкових сигналів висуваються такі вимоги:

Забезпечення синхронізації між передавачем та приймачем;

Забезпечення найменшої ширини спектра результуючого сигналу при одній і тій же бітовій швидкості (оскільки вужчий спектр сигналів дозволяє на-

ні з однією і тією ж смугою пропускання досягати більш високої швидкості

передачі);

Можливість розпізнавання помилок у переданих даних;

Щодо низька вартість реалізації.

Засобами фізичного рівня здійснюється тільки розпізнавання спотворених даних (виявлення помилок), що дозволяє економити час, оскільки приймач, не чекаючи повного приміщення кадру, що приймається в буфер, відразу його відбраковує при розпізнаванні помилкових біт у кадрі. Більш складна операція – корекція спотворених даних – виконується протоколами вищого рівня: канального, мережевого, транспортного чи прикладного.

Синхронізація передавача та приймача необхідна для того, щоб приймач точно знав, у який момент слід здійснювати зчитування даних, що надходять. Синхросигнали налаштовують приймач на повідомлення, що передаєтьсяі підтримують синхронізацію приймача з бітами даних, що приходять. Проблема синхронізації легко вирішується при передачі інформації на невеликі відстані(між блоками всередині комп'ютера, між комп'ютером і принтером) шляхом використання окремої лінії зв'язку: інформація зчитується тільки в момент приходу чергового тактового імпульсу. В комп'ютерних мережахвідмовляються від використання тактуючих імпульсів з двох причин: задля економії провідників у дорогих кабелях і через неоднорідність характеристик провідників у кабелях (на великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналів може призвести до розсинхронізації тактових імпульсів в тактувальній лінії та інформаційних імпульсів в основній лінії біт даних буде або пропущений, або рахований повторно).

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

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

Самосинхронізуючі 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 із послідовною інверсією рівня.

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

Для характеристики та порівняльної оцінки СК використовуються такі показники:

рівень (якість) синхронізації;

Надійність (впевненість) розпізнавання та виділення прийнятих інформаційних бітів;

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

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

NRZ-код відрізняється простотою кодування та низькою вартістю реалізації. Таку назву він отримав тому, що при передачі серій однойменних бітів (одиниць або нулів) сигнал не повертається на нуль протягом такту, як це має місце в інших способах кодування. Рівень сигналу залишається незмінним кожної серії, що значно знижує якість синхронізації і надійність розпізнавання прийнятих бітів (може статися неузгодженість таймера приймача стосовно надходить сигналу і невчасне опитування ліній).

Для Ы^-коду мають місце співвідношення

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

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

Крім того, що цей код не має властивості самосинхронізації, у нього є й інша серйозна вада: наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих серій одиниць або нулів. Внаслідок цього код NRZ у чистому вигляді у мережах не використовується. Застосовуються його різні модифікації, у яких усувають погану самосинхронізацію коду та 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 бітів, що по черзі змінюються. Одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль – іншою. Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючі властивості, але вартість його реалізації досить висока, тому що необхідно забезпечити співвідношення

Спектр у RZ-коду ширший, ніж у потенційних кодів. Через дуже широкий спектр він використовується рідко.

Манчестерський код забезпечує зміну рівня сигналу при поданні кожного біта, а при передачі серій однойменних бітів – подвійна зміна. Кожен такт поділяється на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що усередині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль – зворотним перепадом. Співвідношення швидкостей для цього коду таке:

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

Манчестерський код широко застосовується у технологіях Ethernet та Token Ring.

Біполярний код із послідовною інверсією рівня (код AMI) є однією з модифікацій коду NRZ. У ньому використовуються три рівні потенціалу – негативний, нульовий та позитивний. Одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним. Для кодування нуля використається нульовий потенціал. Код має гарні синхронізуючі властивості при передачі серій одиниць, так як потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої. При передачі серій нулів синхронізація відсутня. Код AMI порівняно простий у реалізації. Для нього

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

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

Дискретна модуляція аналогових сигналів Як зазначалося, однією з тенденцій розвитку сучасних комп'ютерних мереж є їх цифровізація, т. е. передача у цифровій формі сигналів будь-якої природи. Джерелами цих сигналів можуть бути комп'ютери (для дискретних даних) або такі пристрої, як телефони, відеокамери, відео та звуковідтворююча апаратура (для аналогових даних). Донедавна (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 на аналогову форму.

Однак передача інформації в аналоговій формі не дозволяє покращити якість даних, якщо мало місце їх суттєве спотворення при передачі. Тому на зміну аналогової техніки запису та передачі звуку та зображення прийшла цифрова технікаяка використовує дискретну модуляцію аналогових сигналів.

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

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

Перший етап – відображення. Амплітуда вихідного безперервного сигналу вимірюється із заданим періодом, за рахунок чого відбувається дискретизація за часом. На цьому етапі аналоговий сигнал перетворюється на сигнали імпульсно-амплітудної модуляції (ІАМ). Виконання етапу базується на теорії відображення Найквіста-Котельникова, основне положення якої свідчить: якщо аналоговий сигнал відображається (тобто представляється у вигляді послідовності її дискретних за часом значень) на регулярному інтервалі з частотою не менше ніж у два рази вище за частоту найвищої гармоніки спектра вихідного безперервного сигналу, відображення міститиме інформацію, достатню для відновлення вихідного сигналу. В аналоговій телефонії для передачі голосу обраний діапазон від 300 до 3400 Гц, який є достатнім для якісної передачі всіх основних гармонік співрозмовників. Тому в цифрових мережах, де для передачі голосу реалізується метод ІКМ, прийнято частоту відображення, що дорівнює 8000 Гц (це більше 6800 Гц, що забезпечує деякий запас якості).

На етапі квантування кожному сигналу ІАМ надається квантоване значення, що відповідає найближчому рівню квантування. Весь діапазон зміни амплітуди сигналів ІАМ розбивається на 128 чи 256 рівнів квантування. Чим більше рівнів квантування, тим точніше амплітуда ІАМ - сигналу є квантованим рівнем.

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

Пристрій, який виконує зазначені етапи перетворення аналогової величини цифровий код, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). На приймальній стороні за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) здійснюється зворотне перетворення, тобто проводиться демодуляція оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлення початкової безперервної функції часу.

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

Цифрові методи запису, відтворення та передачі аналогової інформації забезпечують можливість контролю достовірності зчитаних з носія або отриманих лінії зв'язку даних. З цією метою застосовуються самі методи контролю, що й для комп'ютерних даних (див. п. 4.9).

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

Застосовуються два основних типи фізичного кодування – на основі синусоїдального несучого сигналу (аналогова модуляція) та на основі послідовності прямокутних імпульсів (цифрове кодування).

Аналогова модуляція - для передачі дискретних даних каналом з вузькою смугою пропускання - телефонні мережі канал тональної частоти (смуга пропускання від 300 до 3400 Гц) Пристрій, що виконує модуляцію та демодуляцію - модем.

Методи аналогової модуляції

n амплітудна модуляція (низька завадостійкість, часто застосовується разом із фазовою модуляцією);

n частотна модуляція (складна технічна реалізація, що звичайно застосовується в низькошвидкісних модемах).

n фазова модуляція.

Спектр модульованого сигналу

Потенційний код- якщо дискретні дані передаються зі швидкістю N біт на секунду, то спектр складається з постійної складової нульової частоти та нескінченного ряду гармонік із частотою f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., де f0 = N/2. Амплітуди цих гармонік зменшуються повільно – з коефіцієнтами 1/3, 1/5, 1/7, ... від амплітуди f0. Спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0, приблизно 7f0. Для каналу тональної частоти верхня межа швидкості передачі досягається швидкості передачі даних 971 біт в секунду, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц. Тобто, на каналах тональної частоти потенційні коди не використовуються.

Амплітудна модуляція- спектр складається з синусоїди несучої частоти fc та двох бічних гармонік fc+fm та fc-fm, де fm - частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди. Частота fm визначає пропускну здатність лінії при даному способікодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектру згналу буде також невеликою (рівною 2fm), і сигнали не буде спотворюватися лінія, якщо смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2fm. Для каналу тональної частоти такий спосіб прийнятний при швидкості передачі не вище 3100 / 2 =1550 біт сек.

Фазова та частотна модуляція- Спектр більш складний, але симетричний, з великою кількістю гармоній, що швидко спадають. Ці методи підходять передачі по каналу тональної частоти.

Квадратурна амплітудна модуляція (Quadrate Amplitude Modulation) - фазова модуляція з 8-ма значеннями зсуву фаз і амплітудна з 4-ма значеннями амплітуди. Використовуються в повному обсязі 32 комбінації сигналу.

Цифрове кодування

Потенційні коди– для представлення логічних одиниць і нулів використовується лише значення потенціалу сигналу, яке перепади, формулюють закінчені імпульси, до уваги не беруться.

Імпульсні коди– представляють двійкові дані чи імпульсами певної полярності, чи частиною імпульсу – перепадом потенціалу певного напрями.

Вимоги до методу цифрового кодування:

Мав при одній і тій же бітовій швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу (вужчий спектр сигналу дозволяє на одній і тій же лінії домагатися більш високої швидкості передачі даних, пред'являється також відсутність постійної складової, тобто наявності постійного струму між передавачем і приймачем);

Забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем (приймач повинен точно знати, у який час зчитувати потрібну інформацію з лінії, в локальних системах- тактуючі лінії, в мережах - коди, що самосинхронізуються, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта);

Мав здатність розпізнавати помилки;

Мав низьку вартість реалізації.

Потенційний код без повернення до нуля. NRZ (Non Retrurn to Zero). Сигнал не повертається на нуль протягом такту.

Простий в реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок завдяки двом сигналам, що різко розрізняються, але не володіє властивістю синхронізації. При передачі довгої послідовності нулів або одиниць сигнал на лінії не змінюється, тому приймач не може визначити коли черговий раз потрібно зчитувати дані. Ще один недолік – наявність низькочастотної складової, що наближається до нуля під час передачі довгих послідовностей одиниць і нулів. У чистому вигляді код використовується рідко, використовуються модифікації. Привабливість – низька частота основної гармоніки f0 = N/2.

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

Для кодування нуля використовується нульовий потенціал, логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної наступної одиниці протилежний потенціалу попередньої. Частково ліквідує проблеми постійної складової та відсутності самосинхронізації. У разі передачі довгої послідовності одиниць – послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що й у коду NRZ, що передає послідовність імпульсів, що чергуються, тобто без постійної складової і основний гармонікою N/2. Загалом використання AMI призводить до більш вузького спектру, ніж NRZ, отже, до вищої пропускної спроможності лінії. Наприклад, при передачі чергуються нуля і одиниць основна гармоніка f0 має частоту N/4. Є можливість розпізнавати помилкові передачі, але для забезпечення достовірності прийому необхідне підвищення потужності приблизно на 3 дБ, так як використовуються три рівні сигналу.

Потенційний код із інверсією при одиниці. (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Код, схожий на AMI, з двома рівнями сигналу. При передачі нуля передається потенціал попереднього такту, а передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Код зручний у випадках, коли використання третього рівня не бажано (оптичний кабель).

Для покращення AMI, NRZI використовуються два методи. Перший – додавання до коду надлишкових одиниць. З'являється властивість самосинхронізації, зникає постійна складова та звужується спектр, але знижується корисна пропускна здатність.

Інший метод - "перемішування" вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць та нулів на лінії ставала близькою - скремблювання. Обидва методи – логічне кодування, оскільки форму сигналів лінії вони визначають.

Біполярний імпульсний код. Одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль інший. Кожен імпульс триває половину такту.

Код має відмінні властивості самосинхронізації, але при передачі довгої послідовності нулів або одиниць може бути постійна складова. Спектр ширший, ніж у потенційних кодів.

Манчестерський код. Найпоширеніший код, який використовується в мережах Ethernet, Token Ring.

Кожен такт поділяється на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що у середині 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 поспіль. Код володіє відмінними властивостями, що самосинхронізуються. Смуга пропускання вже, що у біполярного імпульсного, немає постійної складової, а основна гармоніка в найгіршому випадку має частоту N, а в кращому - N/2.

Потенційний код 2В1Q. Кожні два біти передаються за одні такт сигналом, що має чотири стани. 00 - -2,5 В, 01 - -0,833 В, 11 - +0,833 В, 10 - +2,5 В. Потрібні додаткові засоби для боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт. При випадковому чергуванні біт спектр у два рази вже, ніж у NRZ, так як при тій же бітовій швидкості тривалість такту збільшується вдвічі, тобто можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі швидше, ніж за допомогою AMI, NRZI , але потрібна велика потужність передавача.

Логічне кодування

Покликане покращувати потенційні коди типу AMI, NRZI, 2B1Q, замінюючи довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Використовується два методи - надмірне кодування та скремблювання.

Надлишкові кодизасновані на розбиття вихідної послідовності біт на порції, які часто називають символами, після чого кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більше біт, ніж вихідний.

Код 4В/5В замінює послідовності з 4 біт послідовностями з 5 біт. Тоді замість 16 бітових комбінацій виходить 32. З них відбирається 16, які не містять великої кількості нулів, решта вважаються забороненими кодами (code violation). Крім усунення постійної складової та надання коду властивості самосинхронізації, надлишкові коди дозволяють приймачеві розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонені коди, значить на лінії сталося спотворення сигналу.

Цей код передається по лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, що чутливий тільки до довгих послідовностей нулів. Код гарантує, що на лінії не зустрінеться більше трьох нулів поспіль. Існують інші коди, наприклад, 8В/6Т.

Для забезпечення заданої пропускної спроможності передавач повинен працювати із підвищеною тактовою частотою (для 100 Мб/с – 125 МГц). Спектр сигналу, що розширюється в порівнянні з початковим, але залишається вже спектром манчестерського коду.

Скремблювання – перемішування даних скремблером перед передачею з лінії.

Методи скремблювання полягають у побітному обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду та отриманих у попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад,

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

де B i – двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-му такті роботи скремблера, A i – двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-му такті на вхід скремблера, B i -3 та B i -5 – двійкові цифри результуючого коду отримані на попередніх тактах роботи.

Для послідовності 110110000001 скремблер дасть 110001101111, тобто послідовності з шести нулів, що йдуть, не буде.

Після отримання результуючої послідовності приймач передасть її дескремблеру, який застосує зворотне перетворення

З i = B i xor B i-3 xor B i-5 ,

Різні системи скремблювання відрізняються кількістю доданків та зсувом між ними.

Існують простіші методи боротьби з послідовностями нулів або одиниць, які теж відносять до методів скремблювання.

Для покращення Bipolar AMI використовуються:

B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) – виправляє лише послідовності, що складаються з 8 нулів.

Для цього він після трьох перших нулів замість п'яти, що залишилися, вставляє п'ять сигналів V-1*-0-V-1*, де V позначає сигнал одиниці, заборонений для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1* - сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки відзначає той факт, що в вихідному кодіу цьому такті була не одиниця, а нуль. В результаті на 8 тактах приймача спостерігає 2 спотворення - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії. Тому приймач вважає такі порушення кодуванням 8 послідовних нулів. У цьому коді постійна складова дорівнює нулю за будь-яких послідовностей двійкових цифр.

Код HDB3 виправляє будь-які чотири поспіль йдуть нуля у вихідній послідовності. Кожні чотири нулі замінюються чотирма сигналами, в яких є один сигнал V. Для придушення постійної складової полярність V сигналу чергується при послідовних замінах. Крім того, для заміни використовуються два зразки чотиритактові коди. Якщо перед заміною вихідний код містив непарне число одиниць, то використовується послідовність 000V, і якщо число одиниць було парним – послідовність 1*00V.

Покращені потенційні коди мають досить вузьку смугу пропускання для будь-яких послідовностей нулів і одиниць, які зустрічаються в даних, що передаються.

При передачі дискретних даних каналами 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 аналоговою модуляцією,підкреслюючи те що, що кодування здійснюється з допомогою зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб зазвичай називають цифровим кодуванням.Ці способи відрізняються шириною спектра результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить дуже широким. Не дивно, якщо згадати, що спектр ідеального імпульсу має нескінченну ширину. Застосування синусоїди призводить до спектру набагато меншої ширини за тієї ж швидкості передачі інформації. Однак для реалізації синусоїдальної модуляції потрібна складніша і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

Нині дедалі частіше дані, спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, - передаються каналами зв'язку у дискретному вигляді, тобто як послідовності одиниць і нулів. Процес представлення аналогової інформації у дискретній формі називається дискретною модуляцією.Терміни «модуляція» та «кодування» часто використовують як синоніми.

2.2.1. Аналогова модуляція

Аналогова модуляція застосовується для передачі дискретних даних каналами з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти,надається користувачам громадських телефонних мереж. Типова амплітудно-частотна характеристика каналу тональної частоти представлена на рис. 2.12. Цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, таким чином його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц. Хоча людський голос має набагато ширший спектр - приблизно від 100 Гц до 10 кГц, -для прийнятної якості передачі мовлення діапазон у 3100 Гц є гарним рішенням. Суворе обмеження лінії пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів у телефонних мережах.

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 133

Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні та демодуляції на приймальній стороні, носить назву модем(Модулятор-демодулятор).

Методи аналогової модуляції

Аналогова модуляція є таким способом фізичного кодування, при якому інформація кодується зміною амплітуди, частоти або фаз синусоїдального сигналу несучої частоти. Основні способи аналогової модуляції показано на рис. 2.13. На діаграмі (рис. 2.13, а)показана послідовність біт вихідної інформації, представлена потенціалами високого рівня для логічної одиниці та потенціалом нульового рівня для логічного нуля. Такий спосіб кодування називається потенційним кодом, який часто використовується для передачі даних між блоками комп'ютера.

При амплітудної модуляції(Рис. 2.13, 6) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низьку завадостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазовою модуляцією.

При частотної модуляції(рис. 2.13, в) значення 0 та 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - fo та fi. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем в модемах і зазвичай застосовується в модемах низькошвидкісних, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с.

При фазової модуляції(рис. 2.13, г) значення даних 0 і 1 відповідають сигнали 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 у поєднанні з фазовою.

Розділ 2 . Основи передачі дискретних даних

Спектр модульованого сигналу

Спектр результуючого модульованого сигналу залежить від типу модуляції та швидкості модуляції, тобто бажаної швидкості передачі біт вихідної інформації.

Розглянемо спочатку спектр сигналу при потенційному кодуванні. Нехай логічна одиниця кодується позитивним потенціалом, а логічний нуль – негативним потенціалом такої самої величини. Для спрощення обчислень припустимо, що передається інформація, що складається з нескінченної послідовності одиниць і нулів, що чергуються, як це і показано на рис. 2.13, а.Зауважимо, що у разі величини бод і біт за секунду збігаються.

Для потенційного кодування спектр безпосередньо виходить із формул Фур'є періодичної функції. Якщо дискретні дані передаються з бітовою швидкістю N біт/с, спектр складається з постійної складової нульової частоти і нескінченного ряду гармонік з частотами fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., де fo = N/2. Амплітуди цих гармонік зменшуються досить повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1/5,1/7,... від амплітуди гармоніки fo (рис. 2.14, а).В результаті спектр потенційного коду вимагає якісної передачі широку смугу пропускання. Крім того, потрібно врахувати, що реально спектр сигналу змінюється в залежності від того, які дані передаються по лінії зв'язку. Наприклад, передача довгої послідовності нулів або одиниць зсуває спектр у бік низьких частот, а в крайньому випадку, коли дані складаються тільки з одиниць (або тільки з нулів), спектр складається з гармоніки нульової частоти. При передачі одиниць і нулів, що чергуються, постійна складова відсутня. Тому спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 Гц, приблизно до 7fo (гармоніками з частотами вище 7fo можна знехтувати через їх малий вклад у результуючий сигнал). Для каналу тональної частоти верхня межа при потенційному кодуванні досягається швидкості передачі даних в 971 біт/с, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц. В результаті, потенційні коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються.

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 135

При амплітудній модуляції спектр складається з синусоїди несучої частоти fc і двох бічних гармонік: (fc + fm) та (fc - fm), де fm - частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди (рис. 2.14, 6). Частота f m визначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектра сигналу буде також невеликою (рівною 2f m ), тому сигнали не спотворюватимуться лінією, якщо її смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2f m . Для каналу тональної частоти такий спосіб модуляції прийнятний при швидкості передачі не більше 3100/2=1550 біт/с. Якщо для представлення даних використовуються 4 рівня амплітуди, то пропускна здатність каналу підвищується до 3100 біт/с.

При фазової та частотної модуляції спектр сигналу виходить складнішим, ніж при амплітудній 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 передачі даних каналом тональної частоти.

Для підвищення швидкості передачі використовують комбіновані методи модуляції. Найбільш поширеними є методи квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation, QAM).Ці методи засновані на поєднанні фазової модуляції з 8 значеннями величин зсуву фази та амплітудної модуляції з 4 рівнями амплітуди. Однак із можливих 32 комбінацій сигналу використовуються далеко не всі. Наприклад, у кодах Трелісадопустимі всього 6, 7 або 8 комбінацій для представлення вихідних даних, інші комбінації є забороненими. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, що є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах, особливо комутованих, дуже значні за амплітудою і тривалі за часом.

2.2.2. Цифрове кодування

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні та імпульсні коди.

У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується тільки значення потенціалу сигналу, яке перепади, формують закінчені імпульси, до уваги не приймаються. Імпульсні коди дозволяють уявити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напрямку.

Вимоги до методів цифрового кодування

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

Мав за однієї і тієї ж бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу;

Забезпечував синхронізацію між передавачем та приймачем;

Мав здатність розпізнавати помилки;

Мав низьку вартість реалізації.

136 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

Вужчий спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії (з однією і тією ж смугою пропускання) досягати більш високої швидкості передачі даних. Крім того, часто спектру сигналу пред'являється вимога відсутності постійної складової, тобто наявності постійного струму між передавачем і приймачем. Зокрема, застосування різних трансформаторних схем гальванічної розв'язкиперешкоджає проходженню постійного струму.

Синхронізація передавача та приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, у який час 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 між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій лінії лінії зв'язку (рис. 2.15), так що інформація знімається з лінії даних тільки в момент приходу тактового імпульсу. У мережах використання цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність параметрів провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналу може призвести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущено або повторно. Іншою причиною, через яку в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, є економія провідників у дорогих кабелях.

Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються,сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, у який час потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або кількох біт, якщо код орієнтований більш ніж на два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу - так званий фронт - може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем.

При використанні синусоїд як несучий сигнал результуючий код має властивість самосинхронізації, так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачеві визначити момент появи вхідного коду.

Розпізнавання та корекцію спотворених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть він протоколи, що лежать вище: канальний, мережевий, транспортний чи прикладної. З іншого боку, розпізнавання помилок фізично економить час, тому що приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт всередині кадру.

______________________________2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні _______137

Потенційний код без повернення до нуля

На рис. 2.16 а показаний вже згаданий раніше метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення на нуль (Non Return to Zero, NRZ).Остання назва відображає те, 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 NRZ простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціали), але не має властивість самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць або нулів сигнал на лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати вхідний сигнал моменти часу, коли потрібно в черговий раз зчитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів ніколи не бувають цілком ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними та довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки цілий такт і, відповідно, зчитування некоректного значення біта.

138 Глава 2 Основи передачі дискретних даних

щі прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ у мережах не використовується. Тим не менш, 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, полягає у досить низькій частоті основної гармоніки fo, яка дорівнює N/2 Гц, як це було показано у попередньому розділі. В інших методів кодування, наприклад, манчестерського, основна гармоніка має більш високу частоту.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI).У цьому методі (рис. 2.16, 6) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий та 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 та відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ. Це відбувається під час передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі, що чергуються, і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N/2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних) . Довгі послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульової амплітуди. Тому код AMI вимагає подальшого покращення, хоча завдання спрощується – залишилося впоратися лише з послідовностями нулів.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI призводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і більш високої пропускної здатності лінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка fo має частоту N/4 Гц. Код AMI також надає деякі можливості розпізнавання помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилкове імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу лінії. 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 кількома станами сигналу порівняно з кодами, які розрізняють лише два стани.

Потенційний код із інверсією при одиниці

Існує код, схожий на AMI, але з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений у попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 139

(Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI).Цей код зручний у тих випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу - світло і темрява. Для поліпшення потенційних кодів, подібних до AMI і NRZI, використовуються два методи. Перший метод заснований на додаванні вихідний код надлишкових біт, що містять логічні одиниці. Очевидно, що в цьому випадку довгі послідовності нулів перериваються і код стає самосинхронізується для будь-яких даних. Зникає також постійна складова, отже, ще більше звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну здатність лінії, так як надлишкові одиниці користувальницької інформації не несуть. Інший метод заснований на попередньому "перемішуванні" вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць та нулів на лінії ставала близькою. Пристрої або блоки, що виконують таку операцію, називаються скремблерами(scramble - звалище, безладне складання). При скремблуванні використовується відомий алгоритм, тому приймач, отримавши двійкові дані, передає їх на дескремблер,який відновлює вихідну послідовність біт. Надлишкові біти у своїй по лінії не передаються. Обидва методи ставляться до логічного, а чи не фізичного кодування, оскільки форму сигналів лінії вони визначають. Більш детально вони вивчаються у розділі.

Біполярний імпульсний код

Крім потенційних кодів у мережах використовуються і імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або його частиною - фронтом. Найпростішим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код,в якому одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль – іншою (рис. 2.16, в).Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосинхронізуючі властивості, але постійна складова може бути присутнім, наприклад, при передачі довгої послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширший, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду дорівнюватиме N Гц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI при передачі одиниць і нулів, що чергуються. Через дуже широкий спектр біполярний імпульсний код використовується рідко.

Манчестерський код

У локальних мережах донедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код(Рис. 2.16, г). Він застосовується у технологіях Ethernet та Token Ring.

У манчестерському коді для кодування одиниць та нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт поділяється на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що усередині 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 уявити кілька одиниць чи нулів поспіль. Так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код має гарні

140 Глава 2 Основи передачі дискретних даних _____________________________________________

самосинхронізуючими властивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вже, 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 і нулів, що чергуються) вона дорівнює N/2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. У середньому ширина лінії 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 2B1Q

На рис. 2.16, дпоказаний потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2В1Qназва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5 В, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833, парі І - 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 на постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу вдвічі, ніж у коду NRZ, оскільки за тієї ж бітової швидкості тривалість такту збільшується вдвічі. Таким чином, за допомогою коду 2В1Q можна по одній лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача має бути вищою, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на тлі перешкод.

2.2.3. Логічне кодування

Логічне кодування використовується для покращення потенційних кодів типу AMI, NRZI або 2Q1B. Логічне кодування повинно замінювати довгі бітові послідовності, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Як зазначалося вище, для логічного кодування характерні два методи - надлишкові коди і скремблювання.

Надлишкові коди

Надлишкові кодизасновані на розбитті вихідної послідовності бітів на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більше біт, ніж вихідний. Наприклад, логічний код 4В/5В, що використовується в технологіях FDDI і Fast Ethernet, замінює вихідні символи довжиною 4 біти на символи довжиною 5 біт. Оскільки результуючі символи містять надмірні біти, то загальна кількість бітових комбінацій у них більша, ніж у вихідних. Так, у коді 4В/5В результуючі символи можуть містити 32 бітові комбінації, у той час як вихідні символи - лише 16. Тому в результуючому коді можна відібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а решту вважати забороненими кодами (code violation).Крім усунення постійної складової та надання коду властивості самосинхронізації, надлишкові коди дозволяють

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 141

приймачеві розпізнавати перекручені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, то на лінії сталося спотворення сигналу.

Відповідність вихідних та результуючих кодів 4В/5В представлена нижче.

Код 4В/5В потім передається лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів. Символи коду 4В/5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їхньому поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів поспіль.

Літера У назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани - від англійського binary - двійковий. Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, код 8В/6Т для кодування 8 біт вихідної інформації використовується код з б сигналів, кожен з яких має три стани. Надмірність коду 8В/6Т вище, ніж коду 4В/5В, так як на 256 вихідних кодів припадає 36 = 729 результуючих символів.

Використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому цей підхід не ускладнює мережеві адаптери та інтерфейсні блоки комутаторів та маршрутизаторів.

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

Скремблювання

Перемішування даних скремблером перед передачею в лінію з допомогою потенційного коду є іншим способом логічного кодування.

Методи скремблювання полягають у побитном обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду та отриманих у попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад, скремблер може реалізовувати таке співвідношення:

Bi-Ai 8 Bi-з ф Bi. 5 ,

де bi - двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-му такті роботи скремблера, ai - двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-му такті на

142 Розділ 2 Основи передачі дискретних даних

вхід скремблера, В^з і B t.5 - двійкові цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і 5 тактів раніше поточного такту, 0 - операція виключає АБО (складання за модулем 2).

Наприклад, для вихідної послідовності 110110000001 скремблер дасть наступний результуючий код:

bi = ai - 1 (перші три цифри результуючого коду збігатимуться з вихідним, тому що ще немає потрібних попередніх цифр)

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

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

Різні алгоритми скремблювання відрізняються кількістю доданків, що дають цифру результуючого коду, та зсувом між доданками. Так, у мережах ISDN при передачі даних від мережі до абонента використовується перетворення зі зсувами в 5 і 23 позиції, а при передачі даних від абонента в мережу - зі зсувами 18 та 23 позиції.

Існують і простіші методи боротьби з послідовностями одиниць, які також відносяться до класу скремблювання.

Для покращення коду Bipolar AMI використовуються два методи, що базуються на штучному спотворенні послідовності нулів забороненими символами.

На рис. 2.17 показано використання методу B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) та методу HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для коригування коду AMI. Вихідний код і двох довгих послідовностей нулів: у першому випадку - з 8, тоді як у другому - з 5.

Код B8ZS виправляє лише послідовності, що складаються з 8 нулів. Для цього він після перших трьох нулів замість п'яти нулів, що залишилися, вставляє п'ять цифр: V-1*-0-V-1*. V тут позначає сигнал одиниці, забороненої для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1* - сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки зазначає той

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 143

факт, що у вихідному коді у цьому такті була не одиниця, а нуль. В результаті на 8 тактах приймач спостерігає 2 спотворення - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії або інші збої 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 за будь-яких послідовностей двійкових цифр.

Код HDB3 виправляє будь-які чотири поспіль йдуть нуля у вихідній 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 V сигналу чергується при послідовних замінах. Крім того, для заміни використовуються два зразки чотиритактові коди. Якщо перед заміною вихідний код містив непарне число одиниць, використовується послідовність OOOV, а якщо число одиниць було парним - послідовність 1*OOV.

Покращені потенційні коди мають досить вузьку смугу пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в даних, що передаються. На рис. 2.18 наведено спектри сигналів різних кодів, отримані при передачі довільних даних, у яких різні поєднання нулів та одиниць у вихідному коді рівноймовірні. При побудові графіків спектр усереднювався за можливими наборами вихідних послідовностей. Природно, що результуючі коди можуть мати й інший розподіл нулів та одиниць. З рис. 2.18 видно, що потенційний код NRZ має хороший спектр з одним недоліком - у нього є постійна складова. Коди, отримані з потенційного шляхом логічного кодування, мають більш вузький спектр, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті (на малюнку спектр коду 4В/5В повинен був приблизно збігатися з кодом B8ZS, але він зрушений

144 Глава2 Основи передачі дискретних даних

область більш високих частот, так як його тактова частота підвищена на 1/4 у порівнянні з іншими кодами). Цим пояснюється застосування потенційних надлишкових і скрембльованих кодів сучасних технологіях, подібних до FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN і т. п. замість манчестерського і біполярного імпульсного кодування.

2.2.4. Дискретна модуляція аналогових сигналів

Однією з основних тенденцій розвитку мережевих технологій є передача в одній мережі дискретних і аналогових за своєю природою даних. Джерелами дискретних даних є комп'ютери та інші обчислювальні пристрої, а джерелами аналогових даних є такі пристрої, як телефони, відеокамери, аудіо- та відеовідтворююча апаратура. На ранніх етапах вирішення цієї проблеми в територіальних мережах всі типи даних передавалися в аналоговій формі, при цьому дискретні за своїм характером комп'ютерні дані перетворювалися на аналогову форму за допомогою модемів.

Однак у міру розвитку техніки знімання та передачі аналогових даних з'ясувалося, що передача їх в аналоговій формі не дозволяє покращити якість прийнятих на іншому кінці лінії даних, якщо вони суттєво спотворилися під час передачі. Сам аналоговий сигнал не дає жодних вказівок ні про те, що відбулося спотворення, ні про те, як його виправити, оскільки форма сигналу може бути будь-якою, у тому числі і такою, яку зафіксував приймач. Поліпшення якості ліній, особливо територіальних, вимагає величезних зусиль і капіталовкладень. Тому на зміну аналогової техніки запису та передачі звуку та зображення прийшла цифрова техніка. Ця техніка використовує так звану дискретну модуляцію вихідних безперервних у часі аналогових процесів.

Дискретні способи модуляції засновані на дискретизації безперервних процесів як за амплітудою, так і за часом (рис. 2.19). Розглянемо принципи іскретної модуляції з прикладу імпульсно-кодової модуляції, ІКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ),яка широко застосовується у цифровій телефонії.

Амплітуда вихідної безперервної функції вимірюється із заданим періодом - за рахунок цього відбувається дискретизація за часом. Потім кожен вимір представляється як двійкового числа певної розрядності, що означає дискретизацію за значеннями функції - безперервна безліч можливих значень амплітуди замінюється дискретним безліччю її значень. Пристрій, який виконує подібну функцію, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП).Після цього виміри передаються каналами зв'язку у вигляді послідовності одиниць і нулів. При цьому застосовуються ті ж методи кодування, що і у разі передачі дискретної інформації, тобто, наприклад, методи, засновані на коді B8ZS або 2В1Q.

На приймальній стороні лінії коди перетворюються на вихідну послідовність біт, а спеціальна апаратура, звана цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП),проводить демодуляцію оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлюючи вихідну безперервну функцію часу.

Дискретна модуляція заснована на теорії відображення Найквіста – Котель-нікова.Відповідно до цієї теорії, аналогова безперервна функція, передана у вигляді послідовності її дискретних за часом значень, може бути точно відновлена, якщо частота дискретизації була в два або більше разів вище, ніж частота найвищої гармоніки спектра вихідної функції.

Якщо ця умова не дотримується, то відновлена функція істотно відрізнятиметься від вихідної.

Перевагою цифрових методів запису, відтворення та передачі аналогової інформації є можливість контролю достовірності зчитаних з носія або отриманих лінії зв'язку даних. Для цього можна застосовувати ті ж методи, що застосовуються для комп'ютерних даних (і розглядаються докладніше), - обчислення контрольної суми, повторна передача спотворених кадрів, застосування кодів, що самокоректуються.

Для якісної передачі голосу у методі ІКМ використовується частота квантування амплітуди звукових коливань 8000 Гц. Це з тим, що у аналогової телефонії передачі голосу було обрано діапазон від 300 до 3400 Гц, який досить якісно передає все основні гармоніки співрозмовників. Відповідно до теорема Найквіста - Котельтковадля якісної передачі голосу

146 Глава 2 Основи передачі дискретних даних

Досить вибрати частоту дискретизації, що у два рази перевищує найвищу гармоніку безперервного сигналу, тобто 2 х 3400 = 6800 Гц. Вибрана частота дискретизації 8000 Гц забезпечує деякий запас якості. У методі ІКМ зазвичай використовується 7 або 8 біт коду для представлення амплітуди одного вимірювання. Відповідно, це дає 127 або 256 градацій звукового сигналу, що виявляється цілком достатнім для якісної передачі голосу. При використанні методу ІКМ для передачі одного голосового каналу необхідна пропускна здатність 56 або 64 Кбіт/с залежно від того, якою кількістю біт представляється кожен вимір. Якщо для цих цілей використовується

7 біт, то при частоті передачі вимірів 8000 Гц отримуємо:

8000 х 7 = 56000 біт/с чи 56 Кбіт/с; а для випадку 8-ми біт:

8000 х 8 – 64000 біт/с або 64 Кбіт/с.

Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт/с, який також називається елементарним каналом цифрових телефонних мереж.

Передача безперервного сигналу дискретному вигляді вимагає від мереж жорсткого дотримання тимчасового інтервалу в 125 мкс (відповідного частоті дискретизації 8000 Гц) між сусідніми вимірами, тобто вимагає синхронної передачі даних між вузлами мережі. При недотриманні синхронності вимірів, що надходять, вихідний сигнал відновлюється неправильно, що призводить до спотворення голосу, зображення або іншої мультимедійної інформації, що передається по цифрових мережах. Так, спотворення синхронізації в 10 мс може призвести до ефекту «луна», а зрушення між вимірами в 200 мс призводять до втрати розпізнаваності слів, що вимовляються. У той же час втрата одного виміру при дотриманні синхронності між іншими вимірами практично не позначається на звуку, що відтворюється. Це відбувається за рахунок пристроїв, що згладжують, у цифро-аналогових перетворювачах, які засновані на властивості інерційності будь-якого фізичного сигналу- Амплітуда звукових коливань не може миттєво змінитися на велику величину.

На якість сигналу після ЦАП впливає як синхронність надходження з його вхід вимірів, а й похибка дискретизації амплітуд цих вимірів.

8 теоремі Найквіста - Котельникова передбачається, що амплітуди функції вимірюються точно, в той же час використання для їх зберігання двійкових чисел з обмеженою розрядністю дещо спотворює ці амплітуди. Відповідно, спотворюється відновлений безперервний сигнал, що називається шумом дискретизації (по амплітуді).

Існують і інші методи дискретної модуляції, що дозволяють представити виміри голосу більш компактної формі, наприклад у вигляді послідовності 4-бітних або 2-бітних чисел. При цьому один голосовий канал вимагає меншої пропускної здатності, наприклад, 32 Кбіт/с, 16 Кбіт/с або ще менше. З 1985 застосовується стандарт CCITT кодування голосу, званий Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коди ADPCM засновані на знаходженні різниць між послідовними вимірами голосу, які потім передаються по мережі. У коді ADPCM для зберігання однієї різниці використовуються 4 біти і голос передається зі швидкістю 32 Кбіт/с. Більш сучасний метод, Linear Predictive Coding (LPC), робить виміри вихідної функції рідше, але використовує методи прогнозування напряму зміни амплітуди сигналу. За допомогою цього можна знизити швидкість передачі голосу до 9600 біт/с.

2.2. Методи передачі дискретних даних фізично 147

Представлені в цифровій формі безперервні дані можна передати через комп'ютерну мережу. Для цього достатньо помістити кілька вимірів у кадр будь-якої стандартної мережевої технології, забезпечити кадр правильною адресою призначення та надіслати адресату. Адресат повинен витягти з кадру виміри та подати їх із частотою квантування (для голосу - з частотою 8000 Гц) на цифро-аналоговий перетворювач. У міру надходження наступних кадрів із вимірами голосу операція має повторитись. Якщо кадри будуть прибувати досить синхронно, то якість голосу може бути досить високою. Однак, як ми вже знаємо, кадри в комп'ютерних мережах можуть затримуватися як у кінцевих вузлах (при очікуванні доступу до середовища, що розділяється), так і в проміжних комунікаційних пристроях - мостах, комутаторах і маршрутизаторах. Тому якість голосу під час передачі у цифровій формі через комп'ютерні мережі зазвичай буває невисоким. Для якісної передачі оцифрованих безперервних сигналів – голоси, зображення – сьогодні використовують спеціальні цифрові мережі, такі як ISDN, ATM, та мережі цифрового телебачення. Проте передачі внутрішньокорпоративних телефонних розмов сьогодні характерні мережі frame relay, затримки передачі кадрів яких укладаються у допустимі межі.

2.2.5. Асинхронна та синхронна передачі

При обміні даними фізично одиницею інформації є біт, тому засоби фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем.

Канальний рівеньоперує кадрами даних і забезпечує синхронізацію між приймачем та передавачем на рівні кадрів. До обов'язків приймача входить розпізнавання початку першого байта кадру, розпізнавання меж полів кадру та розпізнавання ознаки закінчення кадру.

Зазвичай достатньо забезпечити синхронізацію на зазначених двох рівнях - бітовому та кадровому, щоб передавач і приймач змогли забезпечити стійкий обмін інформацією. Однак при поганій якості лінії зв'язку (зазвичай це відноситься до телефонних комутованих каналів) для здешевлення апаратури та підвищення надійності передачі вводять додаткові засоби синхронізації на рівні байт.

Такий режим роботи називається асинхроннимабо старт-стопним.Іншою причиною використання такого режиму роботи є наявність пристроїв, що генерують байти даних у випадкові моменти часу. Так працює клавіатура дисплея або іншого термінального пристрою, з якого людина вводить дані обробки їх комп'ютером.

В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами "старт" та "стоп" (рис. 2.20, а).Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про надходження даних і, по-друге, щоб дати приймачеві достатньо 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 або два такти, тому кажуть, що використовується один, півтора або два біти як стоповий сигнал, хоча ці біти ці сигнали не представляють.

Асинхронним описаний режим називається тому, що кожен байт може бути дещо зміщений у часі щодо побітових тактів попереднього

148 Глава 2 Основи передачі дискретних даних

байт. Така асинхронність передачі байт не впливає на коректність даних, оскільки на початку кожного байта відбувається додаткова синхронізація приймача з джерелом за рахунок бітів «старт». Більше «вільні» тимчасові допуски визначають низьку вартість обладнання асинхронної системи.

При синхронному режимі передачі старт-стопні біти між кожною парою байт відсутні. Ці дані збираються в кадр, який передує байтами синхронізації (рис. 2.20, б).Байт синхронізації - це байт, що містить заздалегідь відомий код, наприклад 0111110, який сповіщає приймач про надходження кадру даних. При його отриманні приймач повинен увійти до байтового синхронізму з передавачем, тобто правильно розуміти початок чергового байта кадру. Іноді використовується кілька синхробайт для забезпечення більш надійної синхронізації приймача та передавача. Так як при передачі довгого кадру у приймача можуть з'явитися проблеми з синхронізацією біт, то в цьому випадку використовуються коди, що самосинхронізуються.

» При передачі дискретних даних по вузькосмуговому каналу тональної частоти, що використовується в телефонії, найбільш підходящими виявляються способи аналогової модуляції, при яких синусоїда, що несе, модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр. Ця операція здійснюється спеціальними пристроями – модемами.

* Для низькошвидкісної передачі даних застосовується зміна частоти несучої синусоїди. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4 рівні амплітуди несучої синусоїди та 8 рівнів фази. Не всі з можливих 32 поєднань методу QAM використовуються для передачі даних, заборонені поєднання дозволяють розпізнавати спотворені дані фізично.

* На широкосмугових каналах зв'язку застосовуються потенційні та імпульсні методи кодування, у яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу або його фронту.

* 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 приймачеві складно визначити момент знімання чергового біта даних.

___________________________________________2.3. Методи передачі донних канального рівня _______149

* 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 у технологіях Ethernet та Token Ring.

» Для покращення властивостей потенційного коду NRZ використовуються 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 2B1Q).

» Покращені потенційні коди мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Перехресні наведення на ближньому кінці лінії визначають перешкодостійкість кабелю до внутрішніх джерел перешкод. Зазвичай вони оцінюються стосовно кабелю, що складається з декількох кручених пар, коли взаємні наведення однієї пари на іншу можуть досягати значних величин і створювати внутрішні перешкоди, порівняні з корисним сигналом.

Достовірність передачі даних(або інтенсивність бітових помилок) характеризує ймовірність спотворення для кожного біта даних, що передається. Причинами спотворення інформаційних сигналів є перешкоди лінії, і навіть обмеженість смуги її пропускання. Тому підвищення достовірності передачі даних досягається підвищенням ступеня помехозащищенности лінії, зниженням рівня перехресних наведень у кабелі, використанням широкосмугових ліній зв'язку.

Для звичайних кабельних ліній зв'язку без додаткових засобів захисту від помилок достовірність передачі становить як правило, 10 -4 -10 -6 . Це означає, що в середньому з 10 4 або 10 6 біт, що передаються, буде спотворено значення одного біта.

Апаратура ліній зв'язку(Апаратура передачі даних - АПД) є прикордонним обладнанням, що безпосередньо пов'язує комп'ютери з лінією зв'язку. Вона входить до складу лінії зв'язку і зазвичай працює фізично, забезпечуючи передачу і прийом сигналу потрібної форми і потужності. Прикладами АПД є модеми, адаптери, аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі.

До складу АПД не включається кінцеве обладнання даних (ООД) користувача, яке виробляє дані передачі по лінії зв'язку і підключається безпосередньо до АПД. До ООД належить, наприклад, маршрутизатор локальних мереж. Зауважимо, що поділ обладнання класи АПД і ООД є досить умовним.

На лініях зв'язку великої протяжності використовується проміжна апаратура, яка вирішує дві основні завдання: підвищення якості інформаційних сигналів (їх форми, потужності, тривалості) та створення постійного складового каналу (наскрізного каналу) зв'язку між двома абонентами мережі. У ЛКС проміжна апаратура не використовується, якщо протяжність фізичного середовища (кабелів, радіоефіру) невисока, тому сигнали від одного мережевого адаптерадо іншого можна передавати без проміжного відновлення параметрів.

В глобальних мережахзабезпечується якісна передача сигналів на сотні та тисячі кілометрів. Тож через певні відстані встановлюються підсилювачі. Для створення між двома абонентами наскрізної лінії використовуються мультиплексори, демультиплексори та комутатори.

Проміжна апаратура каналу зв'язку є прозорою для користувача (він її не помічає), хоча насправді вона утворює складну мережу, звану первинною мережеюі основою для побудови комп'ютерних, телефонних та інших мереж.

Розрізняють аналогові та цифрові лінії зв'язку, в яких використовуються різні типипроміжної апаратури. У аналогових лініях проміжна апаратура призначена посилення аналогових сигналів, мають безперервний діапазон значень. У високошвидкісних аналогових каналах реалізується техніка частотного мультиплексування, коли кілька низькошвидкісних аналогових абонентських каналів мультиплексують один високошвидкісний канал. У цифрових каналах зв'язку, де інформаційні сигнали прямокутної форми мають кінцеве число станів, проміжна апаратура покращує форму сигналів та відновлює період їхнього прямування. Вона забезпечує утворення високошвидкісних цифрових каналів, працюючи за принципом тимчасового мультиплексування каналів, коли кожному низькошвидкісному каналу виділяється певна частка часу високошвидкісного каналу.

При передачі дискретних комп'ютерних даних по цифрових лініях зв'язку протокол фізичного рівня визначено, оскільки параметри інформаційних сигналів, що передаються лінією стандартизовані, а при передачі по аналогових лініях – не визначено, оскільки інформаційні сигнали мають довільну форму і до способу представлення одиниць та нулів апаратурою передачі даних ніяких вимог не висувається.

У мережах зв'язку знайшли застосування такі режими передачі інформації:

· симплексні, коли передавач і приймач зв'язуються одним каналом зв'язку, яким інформація передається тільки в одному напрямку (це характерно для телевізійних мереж зв'язку);

· Напівдуплексні, коли два вузли зв'язку з'єднані також одним каналом, по якому інформація передається поперемінно то в одному напрямку, то в протилежному (це характерно для інформаційно-довідкових, запит-відповідних систем);

· дуплексні, коли два вузли зв'язку з'єднані двома каналами (прямим каналом зв'язку та зворотним), якими інформація одночасно передається в протилежних напрямках. Дуплексні канали застосовуються в системах з вирішальним та інформаційним зворотним зв'язком.

Комутовані та виділені канали зв'язку. У ТСС розрізняють виділені (некоммутируемые) канали зв'язку і з комутацією на час передачі інформації цими каналами.

При використанні виділених каналів зв'язку приймальна апаратура вузлів зв'язку постійно з'єднана між собою. Цим забезпечується високий рівень готовності системи до передачі інформації, вищу якість зв'язку, підтримка великого обсягу трафіку. Через порівняно високі витрати на експлуатацію мереж з виділеними каналами зв'язку їх рентабельність досягається лише за умови досить повного завантаження каналів.

Для комутованих каналів зв'язку, створюваних лише на час передачі фіксованого обсягу інформації, характерні висока гнучкість і порівняно невелика вартість (при малому обсязі трафіку). Недоліки таких каналів: втрати часу на комутацію (на встановлення зв'язку між абонентами), можливість блокування через зайнятість окремих ділянок лінії зв'язку, нижчу якість зв'язку, більшу вартість за значного обсягу трафіку.

Передача дискретних данихбазується на використанні двох типів фізичного кодування:

а) аналогової модуляціїколи кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів синусоїдального несучого сигналу;

б) цифрового кодуванняшляхом зміни рівнів послідовності прямокутних інформаційних імпульсів.

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

· амплітудна модуляція, коли змінюється тільки амплітуда несучої синусоїдальних коливань відповідно до послідовності інформаційних бітів, що передаються: наприклад, при передачі одиниці амплітуда коливань встановлюється великий, а при передачі нуля – малої, або сигнал несучої взагалі відсутня;

· Частотна модуляція, коли під дією модулюючих 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 інформаційних бітів, що передаються, 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 низьку стійкість до перешкод. Частотна модуляція не вимагає складних схем у модемах і зазвичай застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 або 1200 біт/с. Підвищення швидкості передачі даних забезпечується використанням комбінованих способів модуляції, частіше амплітудної у поєднанні з фазовою.

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

· Забезпечення синхронізації між передавачем і приймачем;

· Забезпечення найменшої ширини спектра результуючого сигналу при одній і тій же бітовій швидкості (оскільки вужчий спектр сигналів дозволяє на лінії з однією і тією ж смугою пропускання досягати вищої швидкості передачі даних);

· Можливість розпізнавання помилок у переданих даних;

· Відносно низька вартість реалізації.

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

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

Самосинхронізуючі 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 почерговою інверсією рівня.

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

Рис. 32. Схеми кодування повідомлення за допомогою кодів, що самосинхронізують