При передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовуються два основних типи фізичного кодування -на основісинусоїдального несучого сигналу та 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.
При цифрове кодуваннядискретної 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.
При використанні прямокутних імпульсів для 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.
У 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. 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, так як приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпо- . знання помилкових біт всередині кадру.
Потенційний код без повернення до нуля, метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає 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 NRZпростий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відмінні 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.
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 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. 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 на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу 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 (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.
Біполярний імпульсний кодКрім 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-інший . 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 NГц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZі 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 кодУ локальних мережах донедавна найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський кодВін застосовується в технологіях Ethernet і TokenRing. 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. Оскільки сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код має хороші самосинхронізуючі властивості. Смуга пропускання манчестерського коду вже, ніж у біполярного імпульсного. 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 2В 1Q. Потенційний код із чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2 В 1Q, назва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00відповідає потенціал -2,5В, парі біт 01відповідає потенціал-0,833В, парі 11-потенціал +0,833В, а парі 10-потенціал +2,5В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи боротьби 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 2В 1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані вдвічі 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.
Логічне кодуванняЛогічне кодування використовується для покращення потенційних кодів типу AMI, NRZI або 2Q.1B. 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 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.
Для забезпечення заданої пропускної спроможності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною частотою тактовою. Так, передачі кодів 4В/5В зі швидкістю 100Мб/с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125МГц. 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:
Асинхронна та синхронна передачі
При обміні даними фізично одиницею інформації є біт, тому засоби фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем. 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.В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами "старт" та "стоп". 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.
При синхронному режимі передачі старт-стопні біти між кожною парою байт відсутні. Висновки
При передачі дискретних даних по вузькосмуговому каналу тональної частоти, що використовується в телефонії, найбільш підходящими є способи аналогової модуляції, При яких несуча синусоїда модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр Ця операція здійснюється спеціальними пристроями-модемами.
Для низькошвидкісної передачі даних застосовується зміна частоти синусоїди, що несе. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4 рівня амплітуди несучої синусоїди та 8 рівнів фази. Не всі з можливих 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, в яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу йогофронту.
При використанні потенційних кодів особливе значення набуває задача синхронізації приймача з передавачем, так як при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць сигнал на вході приймача не змінюється і складно визначити приймачу момент знімання чергового біта даних.
Найбільш простим потенційним кодом є код без повернення до нуля (NRZ), однак він не є самосинхронізується і створює постійну складову.
Найбільш популярним імпульсним кодом є манчестерський код, в якому інформацію несе напрямок перепаду сигналу в середині кожного такту. Манчестерський код застосовується в технологіях Ethernet і TokenRing.
Для поліпшення 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 2В 1Q).
Покращені потенційні коди мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.
Інформація, що передається по лінії зв'язку, зазвичай піддається спеціальному кодуванню, яке сприяє підвищенню надійності передачі. При цьому неминучі додаткові апаратні витрати на кодування та декодування, і збільшується вартість адаптерів мережі.
Кодування інформації, що передається по мережі, має відношення до співвідношення максимально допустимої швидкості передачі і пропускної здатності використовуваного середовища передачі. Наприклад, при різних кодах гранична швидкість передачі по тому самому кабелю може відрізнятися в два рази. Від вибраного коду безпосередньо залежить також складність мережевої апаратури та надійність передачі інформації.
Для передачі дискретних даних каналами зв'язку застосовується два способи фізичного кодування вихідних дискретних даних - на основі несучого синусоїдального сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називають аналоговою модуляцією,т.к. кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу (амплітуди, фази, частоти). Другий спосіб називають цифровим кодуванням. В даний час дані, що мають аналогову форму (мова, телевізійне зображення) передаються каналами зв'язку в дискретному вигляді. Процес представлення аналогової інформації у дискретній формі називають дискретною модуляцією.
5.1Аналогова модуляція
Подання дискретних даних у вигляді синусоїдального сигналу називається аналоговою модуляцією. Аналогова модуляція дозволяє представити інформацію, як синусоїдальний сигнал із різними рівнями амплітуди, або фази, або частоти. Можна використовувати також комбінації параметрів, що змінюються - амплітуда і частота, амплітуда-фаза. Наприклад, якщо сформувати синусоїдальний сигнал із чотирма рівнями амплітуди та чотирма рівнями частоти, це дасть 16 станів інформаційного параметра, і значить 4 біти інформації за одну його зміну.
Розрізняють три основні способи аналогової модуляції:
амплітудна,
частотна,
Амплітудна модуляція. (АМ)При амплітудній модуляції для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля – інший (див. рис. 5.1). Частота сигналу залишається незмінною. Цей спосіб рідко використовуються в чистому вигляді на практиці через низьку завадостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазовою модуляцією.
Рис. 5.1 Різні типи модуляції
Частотна модуляція. ( ЧС) При частотній модуляції значення логічного 0 та логічної 1 вихідних даних передають синусоїдами з різною частотою – f 1 та f 2 (див. рис. 5.1). Амплітуда сигналу залишається постійною. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем у модемах і зазвичай застосовується у низькошвидкісних модемах.
Фазова модуляція. (ФМ)При фазовій модуляції значенням логічних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою (перевернені), наприклад, 0 і 180 градусів або 0,90,180 і 270 градусів. Результуючий сигнал схожий на послідовність перевернених синусоїд (див. рис. 5.1). Амплітуда та частота сигналу залишаються постійними.
Для збільшення швидкості передачі (підвищення кількості біт один такт інформаційного параметра) використовуються комбіновані методи модуляції. Найбільш поширені методи квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Ці методи використовують таке поєднання - фазова модуляція з 8 значеннями величин зсуву фази та амплітудна модуляція з 4 рівнями амплітуди. При такому способі можливо 32 комбінації сигналу. І хоч використовуються далеко не всі, але все одно швидкість суттєво підвищується, а за рахунок надмірності можна контролювати помилки під час передачі даних. Наприклад, у деяких кодах допустимі лише 6,7 або 8 комбінацій для представлення вихідних даних, а 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.
Визначимо на яких лініях може працювати аналогова модуляція, і в якій мірі цей метод задовольняє пропускну здатність тієї чи іншої лінії передачі, що використовується, для чого розглянемо спектр результуючих сигналів. Наприклад, візьмемо спосіб амплітудної модуляції. Спектр результуючого сигналу при амплітудній модуляції складатиметься із синусоїди несучої частоти f зі двох бічних гармонік:
(f з - f m ) і (f з + f m ), де f m- частота модуляції (зміни інформаційного параметра синусоїди), яка співпадатиме зі швидкістю передачі даних, якщо використовувати два рівні амплітуди.
Рис. 5.2 Спектр сигналу під час амплітудної модуляції
Частота f mвизначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектра сигналу буде також невеликою (рівною 2f mдив. рис.5.2), тому сигнали не будуть спотворюватися лінією, якщо її смуга пропускання буде більшою або дорівнює 2f m .
Таким чином, при амплітудній модуляції результуючий сигнал має вузький спектр.
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 лініях з вузькими смугами пропускання. Типовим представником таких ліній є канал тональної частоти, що надається користувачам громадських телефонних мереж.
З типової амплітудно-частотної характеристики каналу тональної частоти видно, що канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, і таким чином, його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц (див. рис. 5.3).
Рис. 5.3 АЧХ каналу тональної частоти
Хоча людський голос має набагато ширший спектр - приблизно від 100 Гц до 10 кГц, - для прийнятної якості передачі мовлення діапазон 3100 Гц є гарним рішенням. Суворе обмеження лінії пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення та комутації каналів у телефонних мережах.
Таким чином, для каналу тональної частоти амплітудна модуляція забезпечує швидкість передачі не більше 3100/2=1550біт/с. Якщо використовувати кілька рівнів інформаційного параметра (4 рівні амплітуди), то пропускна здатність каналу тональної частоти підвищується вдвічі.
Найчастіше аналогове кодування використовується при передачі інформації по каналу з вузької смугою пропускання, наприклад, по телефонних лініях у глобальних мережах. У локальних мережах воно застосовується рідко через високу складність та вартість як кодуючого, так і декодуючого обладнання.
В даний час практично все обладнання, яке працює з аналоговими сигналами, розробляється на базі дорогих мікросхем DSP (Digital Signal Procerssor). При цьому після модуляції та передачі сигналу потрібно проводити демодуляцію при прийомі, а це знову дороге обладнання. Для виконання функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні та демодуляції на приймальній стороні, використовується спеціальний пристрій, який так і називається модем (модулятор-демодулятор). Модем на 56000 біт/с коштує 100$, а мережева картана 100 Мбіт/с коштує 10 $.
У висновку наведемо переваги та недоліки аналогової модуляції.
Аналогова модуляція має багато різноманітних інформаційних параметрів: амплітуда, фаза, частота. Кожен з цих параметрів може приймати кілька станів за одну зміну сигналу, що несе. І, отже, результуючий сигнал може передавати велику кількість бітів за секунду.
Аналогова модуляція забезпечує результуючий сигнал із вузьким спектром, і тому вона хороша там, де потрібно працювати на поганих лініях (з вузькою смугою пропускання), вона здатна забезпечувати там високою швидкістю передачі. Аналогова модуляція здатна працювати і на хороших лініях, тут особливо важлива ще одна перевага аналогової модуляції - можливість зрушувати спектр у потрібну область, залежно від смуги пропускання лінії, що використовується.
Аналогова модуляція складно реалізується та обладнання, яке займається цим дуже дороге.
Аналогова модуляція застосовується там, де без неї не можна обійтися, але в локальних мережах використовують інші методи кодування, для реалізації яких потрібне просте та дешеве обладнання. Тому найчастіше в локальних мережах при передачі даних в лініях зв'язку використовується другий метод фізичного кодування - цифрове кодування.
5. 2.Цифрове кодування
Цифрове кодування- Подання інформації прямокутними імпульсами. Для цифрового кодування використовують потенційніі імпульснікоди.
Потенційні кодиУ потенційних кодах для представлення логічних одиниць та нулів використовуються лише значення потенціалу сигналу в період такту, а його перепади, що формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Важливо лише яке значення під час такту має результуючий сигнал.
Імпульсні коди.Імпульсні коди представляють логічний нуль та логічну одиницю або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напряму. Значення імпульсного коду включається весь імпульс разом з його перепадами.
Визначимо вимоги до цифрового кодування. Наприклад, нам необхідно зробити передачу дискретних даних (послідовність логічних нулів та одиниць) з виходу одного комп'ютера – джерела – до входу іншого комп'ютера – приймача по лінії зв'язку.
1. Для передачі даних маємо лінії зв'язку, які пропускають всі частоти, вони мають певні пропускні здібності залежно від свого типу. Тому при кодуванні даних потрібно враховувати, щоб закодовані дані "пропускалися" лінією зв'язку.
2. Послідовності дискретних даних необхідно закодувати як цифрових імпульсів певної частоти. При цьому, звичайно, найкраще досягти:
а) щоб частоти закодованих сигналів були низькими, щоб забезпечувати в загальному випадку відповідність смуг пропускання ліній зв'язку.
б) щоб закодовані сигнали забезпечували високу швидкість передачі.
Таким чином, хороший код повинен мати менше Герц і більше біт за секунду.
3. Дані, які необхідно передавати - це послідовності логічних нулів і одиниць, що непередбачено змінюються.
Нехай ми певним способом закодуємо ці дані цифровими імпульсами, то як визначити яка частота у результуючого сигналу? Для того, щоб визначити нам максимальну частоту цифрового коду, достатньо розглянути результуючий сигнал при кодуванні приватних послідовностей таких як:
послідовність логічних нулів
послідовність логічних одиниць
послідовність логічних нулів і одиниць, що чергується
Далі необхідно розкласти сигнал методом Фур'є, знайти спектр, визначити частоти кожної гармоніки та знайти сумарну частоту сигналу, при цьому важливо, щоб основний спектр сигналу потрапляв у смугу пропускання лінії зв'язку. Щоб не робити всі ці обчислення досить спробувати визначити основну гармоніку спектра сигналу, для цього необхідно формою сигналу вгадати першу синусоїду, яка повторює його контур його форми, потім знайти період цієї синусоїди. Період - це відстань між двома змінами сигналу. Потім можна визначити і частоту основної гармоніки спектра сигналу як F = 1/T, де F- Частота, Т- Період сигналу. Для зручності подальших розрахунків приймемо, що бітова швидкість зміни сигналу дорівнює N.
Такі розрахунки можна провести кожного методу цифрового кодування, щоб визначити частоту результуючого сигналу. Результуючий сигнал цифрового кодування - це певна послідовність прямокутних імпульсів. Щоб уявити послідовність прямокутних імпульсів у вигляді суми синусоїд для знаходження спектру, потрібна велика кількість таких синусоїд. Спектр послідовності прямокутних сигналів, у випадку, буде значно ширшим, проти модулированными сигналами.
Якщо застосувати цифровий код передачі даних на каналі тональної частоти, то 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.
Тому цифрові коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються. Але вони дуже непогано працюють у локальних мережах, які використовують для передачі даних телефонні лінії.
Таким чином, цифрове кодування вимагає якісної передачі широку смугу пропускання.
4. При передачі інформації по лініях зв'язку від вузла-джерела до вузла-приймача необхідно забезпечити такий режим передачі, при якому приймач завжди точно знатиме, в який момент часу він приймає дані від джерела, тобто потрібно забезпечити синхронізаціюджерела та приймача. У мережах проблема синхронізації вирішується складніше, ніж при обміні даними між блоками всередині комп'ютера або між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій лінії лінії зв'язку. У такій схемі інформація знімається з лінії даних лише у момент приходу тактового імпульсу (див. рис.5.4).
Рис. 5.4 Синхронізація приймача та передавача на невеликих відстанях
Такий варіант синхронізації абсолютно не підходить для будь-якої мережі через неоднорідність характеристик провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналу може призвести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущено або повторно. Ще одна причина, через яку в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, - економія провідників у дорогих кабелях. Тому в мережах застосовуються так звані самосинхронізовані коди.
Самосинхронізовані коди- сигнали, які несуть для приймача вказівки у тому, на який час потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (чи кількох біт, якщо код орієнтований більш як два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу – так званий фронт- може бути гарною вказівкою для синхронізації приймача з передавачем. Прикладом самосинхронізується коду може бути синусоїда. Оскільки зміна амплітуди несучої частоти дозволяє приймачеві визначити момент появи вхідного коду. Але це стосується аналогової модуляції. У цифровому кодуванні також існують методи, які створюють коди, що самосинхронізуються, але про це пізніше.
Таким чином, хороший цифровий код має забезпечувати синхронізацію
Розглянувши вимоги до хорошого цифрового коду, перейдемо до самих методів цифрового кодування.
5. 2.1 Потенційний код без повернення до нуля NRZ
Цей код отримав таку назву тому, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається на нуль протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається).
Код NRZ (Non Return to Zero)- без повернення до нуля – це найпростіший дворівневий код. Результуючий сигнал має два рівні потенціалу:
Нулю відповідає нижній рівень, одиниці – верхній. Інформаційні переходи відбуваються межі бітів.
Розглянемо три окремі випадки передачі даних кодом NRZ: послідовність нулів і одиниць, що чергується, послідовність нулів і послідовність одиниць (див. рис. 5.5,а).
Рис. 5.5 Код NRZ
Спробуємо визначити, чи задовольняє цей код переліченим вимогам. Для цього необхідно визначити основну гармоніку спектра при потенційному кодуванні в кожному з наведених випадків, щоб точніше визначити які код NRZ має вимоги до лінії зв'язку.
Перший випадок - передається інформація, що складається з нескінченної послідовності одиниць і нулів, що чергуються (див. рис. 5.5,б).
Цей малюнок показує, що при чергуванні одиниць і нулів за один такт передаватиметься два біти 0 і 1. При формі синусоїди, показаної на рис. 4.22,б При N- бітової швидкості передачі період цієї синусоїди дорівнює T = 2N. Частота основна гармоніка в цьому випадку дорівнює f 0 = N/2.
Як видно, за такої послідовності цього коду швидкість передачі даних вдвічі перевищує частоту сигналу.
При передачі послідовностей нулів та одиниць результуючий сигнал - постійний струм частота зміни сигналу дорівнює нулю f 0 = 0 .
Спектр реального сигналу постійно змінюється залежно від того, які дані передаються лінією зв'язку і слід побоюватися передач довгих послідовностей нулів або одиниць, які зсувають спектр сигналу у бік низьких частот. Т.к. код NRZ при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць має постійну складову.
З теорії сигналів відомо, що до спектру сигналу, що передається крім вимог до ширини, висувають ще одна дуже важлива вимога - відсутність постійної складової(наявності постійного струму між приймачем і передавачем), оскільки застосування різних трансформаторних розв'язоку лінії зв'язку не пропускає постійний струм.
Отже, частина інформації просто ігноруватиметься цією лінією зв'язку. Тому практично завжди намагаються позбутися присутності постійної складової у спектрі несучого сигналу вже етапі кодування.
Таким чином, ми визначили ще одну вимогу до хорошого цифрового коду цифровий код повинен мати постійної складової.
Ще одним недоліком NRZ є - відсутність синхронізації. У цьому випадку допоможуть лише додаткові методи синхронізації, про які ми поговоримо пізніше.
Однією з основних переваг коду NRZ є простота. Для того, щоб згенерувати прямокутні імпульси необхідні два транзистори, а для здійснення аналогової модуляції потрібні складні мікросхеми. Потенційний сигнал не треба кодувати та декодувати, оскільки такий самий спосіб застосовується і для передачі даних усередині комп'ютера.
В результаті всього наведеного вище зробимо кілька висновків, які допоможуть нам і при розгляді інших методів цифрового кодування:
NRZ дуже простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок (через два різко відрізняються потенціали).
NRZ має постійну складову при передачі нулів і одиниць, що унеможливлює передачі в лініях з трансформаторними розв'язками.
NRZ - не самосинхронізується і це ускладнює його передачу в будь-якій лінії.
Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, полягає у досить низькій частоті основної гармоніки fо, яка дорівнює N/2 Гц, як це було показано вище. Таким чином, код NRZпрацює на низьких частотах від 0 до N/2 Гц.
В результаті в чистому вигляді код NRZ у мережах не використовується. Тим не менш, використовуються його різні модифікації, в яких успішно усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової.
Наступні методи цифрового кодування розроблялися з метою якось покращити можливість коду NRZ
5. 2.2. Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією AMI
Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)є модифікацією методу NRZ.
У цьому методі використовуються три рівні потенціалу – негативний, нульовий та позитивний. Три рівня сигналу - це недолік коду тому, щоб розрізнити три рівні необхідно найкраще співвідношення сигнал/шум на вході приймач. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж вірогідності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу, порівняно з дворівневими кодами. У коді AMI для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої.
Рис. 5.6 Код AMI
Такий прийом кодування частково ліквідує проблеми постійної складової та відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ під час передачі довгих послідовностей одиниць. Але залишається йому проблема постійної складової під час передачі послідовностей нулів (див. рис. 5.6).
Розглянемо окремі випадки роботи коду, та визначимо основну гармоніку спектра результуючого сигналу для кожного з них. При послідовності нулів – сигнал – постійний струм – fo = 0 (рис. 5.7, а)
Рис. 5.7 Визначення основних частот для AMI
З цієї причини код AMI також потребує подальшого покращення. При передачі послідовності одиниць 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 fo = N/2 Гц.
При передачі одиниць і нулів, що чергуються, основна гармоніка fo = N/4 Гцщо вдвічі менше ніж у коду NRZ.
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. 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 із некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).
Можна зробити такі висновки:
AMI ліквідує постійну складову під час передачі послідовності одиниць;
AMI має тонкий діапазон - від N/4 - N/2;
AMI частково ліквідує проблеми синхронізації
AMI використовує не два, а три рівні сигналу на лінії, і це його недолік, але його вдалося усунути наступним методом.
5. 2.3 Потенційний код із інверсією при одиниці NRZI
Цей код повністю схожий на код AMI, але використовує лише два рівні 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 (NRZI).
Він зручний у випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад, в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу - світло і темрява.
Рис. 5.8 Код NRZI
Код NRZI відрізняється за формою результуючого сигналу від коду AMI, але якщо обчислити основні гармоніки, для кожного випадку, то виявиться, що вони такі самі. Для послідовності одиниць і нулів, що чергуються, основна частота сигналу fо=N/4.(Див. рис. 5.9, а). Для при послідовності одиниць - fо=N/2.При послідовності нулів зберігається той самий недолік fо=0- Постійний струм у лінії.
Рис. 5.9 Визначення основних частот спектра для NRZI
Висновки такі:
NRZI - забезпечує ті ж можливості, що і код AMI, але використовує для цього лише два рівні сигналу і тому більш прийнятний для подальшого вдосконалення. Недоліки NRZI - постійна складова при послідовності нулів і відсутність синхронізації при передачі. Код NRZI став основним розробки більш поліпшених методів кодування на високих рівнях.
5. 2.4 Код MLT3
Код трирівневої передачі MLT-3 (Multi Level Transmission – 3)має багато спільного із кодом NRZI. Найважливіша його відмінність – три рівні сигналу.
Одиниці відповідає перехід із рівня сигналу в інший. Зміна рівня лінійного сигналу відбувається лише в тому випадку, якщо на вхід надходить одиниця, проте на відміну від коду NRZI алгоритм формування обраний таким чином, щоб дві сусідні зміни завжди мали протилежні напрямки.
Рис. 5.10 Потенційний код MLT-3
Розглянемо окремі випадки, як і у всіх попередніх прикладах.
При передачі нулів сигнал має також постійну складову, сигнал не змінюється - fо = 0Гц. (Див. рис.5.10). При передачі всіх одиниць інформаційні переходи фіксуються на межі бітів, і один цикл сигналу вміщує чотири біти. В цьому випадку fо=N/4 Гц – максимальна частота коду MLT-3 під час передачі всіх одиниць (рис.5.11,а).
Рис. 5.11 Визначення основних частот спектра для MLT-3
У разі послідовності, що чергується, код MLT-3має максимальну частоту рівну fо=N/8, Що вдвічі менше ніж код NRZI, отже, цей код має більш вузьку смугу пропускання.
Як ви помітили, недолік коду MLT-3, як і коду NRZI – відсутність синхронізації. Цю проблему вирішують за допомогою додаткового перетворення даних, яке виключає довгі послідовності нулів та можливість розсинхронізації. Загальний висновок можна зробити наступним - застосування трирівневого кодування МLТ-3дозволяє зменшити тактову частоту лінійного сигналу і цим збільшити швидкість передачі.
5. 2.5 Біполярний імпульсний код
Крім потенційних кодів використовуються і імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або його частиною - фронтом.
Найпростішим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код, У якому одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль - іншою. Кожен імпульс триває половину такту (рис. 5.12). Біполярний імпульсний код – трирівневий код. Розглянемо результуючі сигнали під час передачі даних біполярним кодуванням у тих самих окремих випадках.
Рис. 5.12 Біполярний імпульсний код
Особливістю коду і те, що у центрі біта завжди є перехід (позитивний чи негативний). Отже, кожен біт позначено. Приймач може виділити синхроімпульс (строб), що має частоту проходження імпульсів, із самого сигналу. Прив'язка проводиться до кожного біта, що забезпечує синхронізацію приймача з передавачем. Такі коди, що несуть у собі строб, і називають самосинхронізуються. Розглянемо спектр сигналів кожного випадку (рис. 5.13). При передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду fо=N Гц, що вдвічі вище основної гармоніки коду NRZ і вчетверо вище основної гармоніки коду AMI. При передачі одиниць, що чергуються, і нулів - fо=N/2
Рис. 5.13 Визначення основних частот спектра для імпульсного біполярного коду.
Цей недолік коду не дає виграшу в швидкості передачі даних і явно свідчить про те, що імпульсні коди повільніші за потенційні.
Наприклад, передачі даних по лінії зі швидкістю 10 Мбіт/с потрібна частота несучого сигналу 10 МГц. При передачі послідовності нулів і одиниць, що чергуються, швидкість зростає, але не набагато, т.к частота основної гармоніки коду fо=N/2 Гц.
Біполярний імпульсний код має велику перевагу, в порівнянні з попередніми кодами - він самосинхронізується.
Біполярний імпульсний код має широкий спектр сигналу, і тому повільніший.
Біполярний імпульсний код використовує три рівні.
5. 2.6 Манчестерський код
Манчестерський кодбув розроблений як удосконалений біполярний імпульсний код. Манчестерський код також відноситься до кодів, що самосинхронізуються, але на відміну від біполярного коду має не три, а тільки два рівні, що забезпечує кращу помехозащищенность.
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. Це відбувається так:
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.
Розглянемо окремі випадки кодування (послідовності з нулів і одиниць, що чергуються, одних нулів, одних одиниць), а потім будемо визначати основні гармоніки для кожної з послідовностей (див. рис. 5.14). У всіх випадках можна помітити, що при манчестерському кодуванні зміна сигналу в центрі кожного біта дозволяє легко виділити синхросигнал. Тому манчестерський код і володіє хорошими властивостями, що самосинхронізуються.
Рис. 5.14 Манчестерський код
Самосинхронізація завжди дає можливість передачі великих пакетів інформації без втрат через відмінності тактової частотипередавача та приймача.
Отже, визначимо основну частоту при передачі лише одиниць або лише нулів.
Рис. 5.15 Визначення основних частот для манчестерського коду.
Як видно при передачі як нулів, так і одиниць, постійна складова відсутня. Частота основної гармоніки fо=NГц, як і за біполярного кодування. Завдяки цьому гальванічна розв'язка сигналів лініях зв'язку може виконуватися найпростішими способами, наприклад, за допомогою імпульсних трансформаторів. При передачі одиниць і нулів, що чергуються, частота основної гармоніки дорівнює fо=N/2Гц.
Таким чином, манчестерський код це покращений біполярний код, покращений за рахунок використання для передачі даних лише двох рівнів сигналу, а не трьох, як у біполярному. Але цей код, як і раніше, залишається повільним порівняно з NRZI, який вдвічі швидше.
Розглянемо приклад. Візьмемо для передачі даних лінію зв'язку зі смугою пропускання 100 МГцта швидкістю 100 Мбіт. Якщо раніше ми визначали швидкість передачі даних при заданій частоті, тепер нам потрібно визначити частоту сигналу при заданій швидкості лінії. Виходячи з цього визначаємо, що передачі даних кодом NRZI нам досить діапазону частоти від N/4-N/2- це частоти від 25 -50 МГц, ці частоти входять у смугу пропускання нашої лінії - 100 МГц. Для манчестерського коду нам потрібен діапазон частот від N/2 до N – це частоти від 50 до 100 MГц, у цьому діапазоні є основні гармоніки спектру сигналу. Для коду Манчестера він не задовольняє смузі пропускання нашої лінії, і, отже, такий сигнал передаватиме лінія з великими спотвореннями (такий код не можна використовувати на цій лінії).
5.2.7Диференціальний Манчестерський (Differential Manchester) код.
Диференціальний манчестерський кодє різновидом манчестерського кодування. Середину тактового інтервалу лінійного сигналу він використовує лише синхронізації, і у ній завжди відбувається зміна рівня сигналу. Логічні 0 та 1 передаються наявністю або відсутністю зміни рівня сигналу на початку тактового інтервалу відповідно (Рис. 5.16)
Рис. 5.16 Диференціальний манчестерський код
Цей код має ті самі переваги і недоліки, що і манчестерський. Але, практично використовується саме диференціальний манчестерський код.
Таким чином, манчестерський код раніше (коли високошвидкісні лінії були великою розкішшю для локальної мережі) дуже активно використовувався в локальних мережах через свою самосинхронізацію та відсутність постійної складової. Він і зараз знаходить широке застосування в оптоволоконних та електропровідних мережах. Однак останнім часом розробники дійшли висновку, що краще все-таки застосовувати потенційне кодування, ліквідуючи його недоліки за допомогою засобів так званого логічного кодування.
5.2.8Потенційний код 2B1Q
Код 2B1Q- Потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Його назва відображає його суть - кожні два біти (2В)передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q).
Парі біт 00 відповідає потенціал (-2,5 В), парі біт 01 відповідає потенціал (-0,833 В), парі 11 - потенціал (+0,833 В), а парі 10 - потенціал ( +2,5 В).
Рис. 5.17 Потенційний код 2B1Q
Як видно на малюнку 5.17, цей спосіб кодування вимагає додаткових заходів боротьби з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. Отже, при передачі як нулів, так і одиниць fо=0Гц.При чергуванні одиниць і нулів спектр сигналу вдвічі, ніж коду NRZ, тому що при тій же бітовій швидкості тривалість такту збільшується вдвічі - fо=N/4Гц.
Таким чином, за допомогою коду 2B1Q можна по одній лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача повинна бути вищою, щоб чотири рівні потенціалу (-2,5В, -0,833, +0,833, +2,5 В) чітко відрізнялися приймачем на тлі перешкод.
5. 2.9 Код PAM5
Усі розглянуті нами вище схеми кодування сигналів були бітові. При бітовому кодуванні кожному біту відповідає значення сигналу, що визначається логікою протоколу.
При байтовому кодуванні рівень сигналу задають два біти і більше. У п'ятирівневому коді PAM 5використовується 5 рівнів напруги (амплітуди) та двобітове кодування. Для кожної комбінації задається рівень напруги. При двобітовому кодуванні для передачі інформації необхідно чотири рівні (два в другому ступені - 00, 01, 10, 11 ). Передача двох біт одночасно забезпечує зменшення в два рази частоти зміни сигналу. П'ятий рівень доданий для створення надмірності коду, який використовується для виправлення помилок. Це дає додатковий резерв співвідношення сигнал/шум.
Рис. 5.18 Код PAM 5
5. 3. Логічне кодування
Логічне кодування виконується до фізичного кодування.
На етапі логічного кодування вже не формується форма сигналів, а усуваються недоліки методів фізичного цифрового кодування, таких як відсутність синхронізації, наявність постійної складової. Таким чином, спочатку за допомогою засобів логічного кодування формуються виправлені послідовності двійкових даних, які потім за допомогою методів фізичного кодування передаються лініями зв'язку.
Логічне кодування передбачає заміну біт вихідної інформації новою послідовністю біт, що несе ту ж інформацію, але володіє, крім цього, додатковими властивостями, наприклад можливістю для приймальної сторони виявляти помилки прийнятих даних. Супровід кожного байта вихідної інформації одним бітом парності - це приклад часто застосовуваного способу логічного кодування при передачі даних за допомогою модемів.
Поділяють два методи логічного кодування:
Надлишкові коди
Скремблювання.
5. 3.1 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. Явний приклад надлишкового коду – логічний код 4В/5В.
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. Таким чином, п'яти-бітова схема дає 32 (25) дворозрядних буквено-цифрових символу, що мають значення в десятковому коді від 00 до 31. У той час як вихідні дані можуть містити тільки чотири біти або 16 (24) символів.
Тому в результуючому коді можна підібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а решту рахувати забороненими кодами (code violation).У 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, і лише "займають ефірний час". Надлишкові коди дозволяють приймачеві розпізнавати викривлені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, отже, лінії сталося спотворення сигналу.
Отже, розглянемо роботу логічного коду 4В/5В. Перетворений сигнал має 16 значень для передачі інформації та 16 надлишкових значень. У декодері приймача п'ять бітів розшифровуються як інформаційні та службові сигнали.
Для службових сигналів відведено дев'ять символів, сім символів – виключено.
Виключені комбінації, що мають понад три нулі (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Такі сигнали інтерпретуються символом Vта командою приймача VIOLATION- Збій. Команда означає наявність помилки через високий рівень перешкод або збій передавача. Єдина комбінація з п'яти нулів (00 - 00000 ) відноситься до службових сигналів, означає символ Qі має статус QUIET- Відсутність сигналу в лінії.
Таке кодування даних вирішує дві задачі - синхронізації та покращення перешкодостійкості. Синхронізація відбувається за рахунок виключення послідовності більше трьох нулів, а висока стійкість до перешкод досягається приймачем даних на п'яти-бітовому інтервалі.
Ціна за ці переваги за такого способу кодування даних - зниження швидкості передачі корисної інформації. Наприклад, в результаті додавання одного надлишкового біта на чотири інформаційні, ефективність використання смуги частот у протоколах з кодом MLT-3та кодуванням даних 4B/5Bзменшується відповідно на 25%.
Схема кодування 4В/5Впредставлена у таблиці.
|
Двійковий код 4В |
Результативний код 5В |
Отже, відповідно до цієї таблиці формується код 4В/5Впотім передається по лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів - наприклад, за допомогою цифрового коду NRZI.
Символи коду 4В/5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їхньому поєднанні на лінії не можуть зустрітися більше трьох нулів поспіль.
Літера Ву назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани - від англійської binary- Двійковий. Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, код 8В/6Тдля кодування 8 біт вихідної інформації використовується код із 6 сигналів, кожен з яких має три стани. Надмірність коду 8В/6Твище, ніж коду 4В/5В, Так як на 256 вихідних кодів припадає 36 = 729 результуючих символів.
Як ми говорили, логічне кодування відбувається до фізичного, отже, його здійснюють обладнання канального рівня мережі: мережеві адаптери та інтерфейсні блоки комутаторів та маршрутизаторів. Оскільки, як ви переконалися, використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому метод логічного кодування надлишковими кодами не ускладнює функціональні вимоги до цього обладнання.
Єдина вимога – для забезпечення заданої пропускної спроможностілінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною тактовою частотою. Так, для передачі кодів 4В/5Взі швидкістю 100 Мб/спередавач повинен працювати з тактовою частотою 125 МГц. При цьому спектр сигналу 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.
Таким чином, можна зробити наступний висновок:
В основному для локальних мережпростіше, надійніше, якісніше, швидше - використовувати логічне кодування даних за допомогою надлишкових кодів, яке усуне тривалі послідовності нулів і забезпечить синхронізацію сигналу, потім фізично використовувати для передачі швидкий цифровий код NRZI, якщо без попереднього логічного кодування використовувати для передачі даних повільний, але самосинхронізується манчестерський код.
Наприклад, для передачі даних по лінії з пропускною здатністю 100М біт/с та смугою пропускання 100 МГц, кодом NRZI необхідні частоти 25 - 50 МГц, це без кодування 4В/5В. А якщо застосувати для NRZIще й кодування 4В/5В, то тепер смуга частот розшириться від 31,25 до 62,5 МГц. Проте, цей діапазон ще "влазить" у смугу пропускання лінії. А для манчестерського коду без застосування будь-якого додаткового кодування необхідні частоти від 50 до 100 МГц, і це частоти основного сигналу, але вони вже не пропускатимуться лінією на 100 МГц.
5. 3.2 Скремблювання
Інший метод логічного кодування 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 скремблюваннядані перемішуються за певним алгоритмом та приймач, отримавши двійкові дані, передає їх на дескремблер, Що відновлює вихідну послідовність біт.
Надлишкові біти у своїй по лінії не передаються.
Суть скремблювання полягає просто в побітній зміні потоку даних, що проходить через систему. Практично єдиною операцією, яка використовується в скремблерах є XOR - "побитне виключає АБО", або ще кажуть - додавання модулю 2. При складанні двох одиниць виключає АБО відкидається старша одиниця і результат записується - 0.
Метод скремблювання дуже простий. Спочатку вигадують скремблер. Тобто вигадують за яким співвідношенням перемішувати біти у вихідній послідовності за допомогою "що виключає АБО". Потім згідно з цим співвідношенням з поточної послідовності біт вибираються значення певних розрядів і складаються по XORміж собою. При цьому всі розряди зсуваються на 1 біт, а щойно отримане значення ("0" або "1") поміщається в наймолодший розряд, що звільнився. Значення, що знаходилося в найстаршому розряді до зсуву, додається в послідовність, що кодує, стаючи черговим її бітом. Потім ця послідовність видається у лінію, де за допомогою методів фізичного кодування передається до вузла-одержувача, на вході якого ця послідовність дескремблується на основі зворотного відношення.
Наприклад, скремблер може реалізовувати таке співвідношення:
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 вхід скремблера, B i-3 та B i-5- двійкові цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і 5 тактів раніше поточного такту, - операція виключає АБО (складання за модулем 2).
Тепер давайте визначимо закодовану послідовність, наприклад, для такої вихідної послідовності 110110000001 .
Скремблер, визначений вище, дасть наступний результуючий код:
B 1 = А 1 = 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 . У якій немає послідовності з шести нулів, що була у вихідному коді.
Після отримання результуючої послідовності приймач передає її дескремблеру, який відновлює вихідну послідовність на підставі зворотного співвідношення.
Існують інші різні алгоритми скремблювання, вони відрізняються кількістю доданків, що дають цифру результуючого коду, та зсувом між доданками.
Головна проблема кодування на основі скремблерів - синхронізація передавального (кодуючого) та приймаючого (декодуючого) пристроїв. При пропуску або помилковому вставленні хоча б одного біта вся інформація, що передається, незворотно втрачається. Тому в системах кодування на основі скремблерів дуже велика увага приділяється методам синхронізації. .
Насправді для цих цілей зазвичай застосовується комбінація двох методів:
а) додавання в потік інформації синхронізуючих бітів, заздалегідь відомих приймальній стороні, що дозволяє їй при незнаходженні такого біта активно розпочати пошук синхронізації з відправником,
б) використання високоточних генераторів тимчасових імпульсів, що дозволяє в моменти втрати синхронізації проводити декодування бітів інформації, що приймаються, "по пам'яті" без синхронізації.
Існують і простіші методи боротьби з послідовностями одиниць, які також відносяться до класу скремблювання.
Для покращення коду Bipolar AMIвикористовуються два методи, що ґрунтуються на штучному спотворенні послідовності нулів забороненими символами.
Рис. 5. 19 Коди B8ZS та HDB3
На цьому малюнку показано використання методу B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution)та методу HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros)коригування коду AMI. Вихідний код складається з двох довгих послідовностей нулів (8 - у першому випадку і 5 у другому).
Код B8ZSвиправляє 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*.Vтут означає сигнал одиниці, забороненої для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1 * - Сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки відзначає той факт, що у вихідному коді в цьому такті була 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 HDB3виправляє будь-які 4 поспіль йдуть нуля у вихідній послідовності. Правила формування коду HDB3 складніші, ніж коду B8ZS. Кожні чотири нулі замінюються чотирма сигналами, у яких є один сигнал V. Для придушення постійної складової полярність сигналу Vчергується під час послідовних замін.
Крім того, для заміни використовуються два зразки чотиритактові коди. Якщо перед заміною вихідний кодмістив непарне число одиниць, то використовується послідовність 000Vа якщо число одиниць було парним - послідовність 1*00V.
Таким чином, застосування логічне кодування спільно з потенційним кодуванням дає такі переваги:
Покращені потенційні коди мають досить вузьку смугу пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в даних, що передаються. В результаті коди, отримані з потенційного шляхом логічного кодування, мають більш вузький спектр, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті.
2 Функції фізичного рівня Подання бітів електричними/оптичними сигналами Кодування бітів Синхронізація бітів Передача/прийом бітів по фізичних каналах зв'язку Погодження з фізичним середовищем Швидкість передачі Дальність Рівні сигналів, роз'єми У всіх пристроях мережі Апаратна реалізація (мережні адаптери) Приклад: 10 3, 100 ом, 100м, 10Мбіт/c, код МII, RJ-45
5 Апаратура передачі даних Перетворювач Повідомлення - Ел. сигнал Кодер (стиснення, коригувальні коди) Модулятор Проміжна апаратура Поліпшення якості зв'язку - (Підсилювач) Створення складового каналу – (Коммутатор) Ущільнення каналу – (Мультиплексор) (В ЛВС ПА може бути відсутнім)
6 Основні характеристики ліній зв'язку Пропускна здатність (Протокол) Достовірність передачі даних (Протокол) Затримка розповсюдження Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) Смуга пропускання Згасання Перешкодостійкість Перехресні наведення на ближньому кінці лінії Питома вартість
9 Згасання (Attenuation) А – одна точка на АЧХ A=log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Example 1: Pin = 10 mW, Pout =5 mW Attenuation = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Example 2: UTP cat 5 Attenuation >= -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Зазвичай, А вказується для основної частоти сигналу = -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Зазвичай А вказується для основної частоти сигналу"> 
11 Перешкодостійкість Оптоволоконні лінії Кабельні лінії Провідні повітряні лінії Радіолінії (Екранування, скручування) Стійкість до зовнішніх перешкод Стійкість до внутрішніх перешкод Ослаблення перехресних наведень на ближньому кінці (NEXT) Послаблення перехресних наведень на F
12 Перехресні наведення на ближньому кінці (Near End Cross Talk loss – NEXT) Для багатопарних кабелів NEXT = 10 log Pвих/Pнав dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT 
13 Достовірність передачі даних Bit Error Rate – BER Ймовірність спотворення біта даних Причини: зовнішні та внутрішні перешкоди, вузька смуга пропускання Боротьба: підвищення перешкодозахищеності, зниження наведень NEXT, розширення смуги пропускання Віта пара BER ~ Оптоволоконний кабель BER ~: Без додатків кодів, протоколів із повторенням
16 Віта пара Twisted Pair (TP) екран з фольги плетений дротяний екран провід в ізоляції зовнішня оболонка UTP Unshielded Twisted Pair категорії 1, UTP кат пари в оболонці STP Shielded Twisted Pair Типи Type 1…9 Кожна пара має свій крок скрутки, свій колір Складність прокладки
18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (показник заломлення) n1 n2 n2 - (показник заломлення) n1 n2"> n2 - (показник заломлення) n1 n2"> n2 - (показник заломлення) n1 n2" title="(!LANG:18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (Показник заломлення) n1 n2"> title="18 Fiber Optics Повне внутрішнє відображення променя на межі двох середовищ n1 > n2 - (показник заломлення) n1 n2"> !}
22 Волоконно-оптичний кабель Multi Mode Fiber MMF50/125, 62,5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9,5/125 D = 250 мкм 1 ГГц – 100 км BaseLH5000км - 1 Гбіт/с (20SM
23 Джерела оптичного сигналу Канал: джерело - носій - приймач (детектор) Джерела Світлодіод (LED- Light Emitting Diod) нм некогерентне джерело - MMF Напівпровідниковий лазер когерентне джерело - SMF - Потужність = f (t o) Детектори Фотодіоди, pin-діоди, лавинні діоди
25 Структуровані кабельні системи - СКС Structured Cabling System - SCS Перші ЛВС – різні кабелі та топології Уніфікація кабельної системи СКС – відкрита кабельна інфраструктура ЛВС (підсистеми, компоненти, інтерфейси) – незалежність від мережевої технології- кабелі ЛОМ, TV, системи охорони тощо. - Універсальна кабельна проводка без прив'язки до конкретної мережевої технології -Конструктор
27 Стандарти СКС (основні) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США) CENELEC EN50173 . Топологія Допустимі відстані (довжина кабелів) Інтерфейс підключення користувачів. Кабелі та сполучна апаратура. Пропускна спроможність (Performance). Практика установки (Горизонтальна підсистема – UTP, зірка, 100 м...)
28 Бездротова зв'язок Wireless Transmission Переваги: зручність, недоступні райони, мобільність. швидке розгортання... Недоліки: високий рівень перешкод (спеціальні засоби: коди, модуляція…), складність використання деяких діапазонів Лінія зв'язку: передавач - середовище - приймач Характеристики ЛЗ ~ F(Δf, fн);
34 2. Стільникова телефонія Розбиття території на стільники Повторне використання частот Мала потужність(габарити) У центрі – базова станція Європа – Global System for Mobile - GSM Бездротовий телефонний зв'язок 1. Маломощна радіостанція – (трубка-база, 300м) DECT стільникового зв'язку
35 Супутниковий зв'язокВ основі – супутник (відбивач-підсилювач) Приймачі – транспондери Н~50 Мгц (1 супутник ~ 20 транспондерів) Діапазони частот: С. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 ГГц Up 5,925-6,425 ГГц Ku - Down 11,7-12,2 ГГц Up 14,0-14,5 ГГц Ka - Down 17,7-21,7 ГГц Up 27,5-30,5 ГГц
36 Супутниковий зв'язок. Типи супутників Супутниковий зв'язок: мікрохвилі – пряма видимість Геостаціонарні Велике покриття Нерухомість, Малий знос Супутник-повторювач, широкомовність, низька вартість, вартість не залежить від відстані, Миттєве встановлення зв'язку (Mil) Tз=300мс Низька захищеність, Спочатку VS Середньоорбітальні км Global Positioning System GPS - 24 супутники Низькоорбітальні км мале покриття мала затримка Доступ до Інтернету
40 Техніка розширення спектру Спеціальні методи модуляції та кодування для бездротового зв'язкуЗ (Біт/с) = Δ F (Гц) * log2 (1+Ps/P N) Зменшення потужності Перешкодостійкість Прихованість OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA
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 модуляції, коли кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів синусоїдального 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.
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 формита 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.
Вихідна інформація, яку необхідно передавати по лінії зв'язку, може бути дискретною (вихідні дані комп'ютерів), або аналогової (мова, телевізійне зображення).
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.
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 модуляціяаналогових 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 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.
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 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.
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 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.
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 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
