Физические основы передачи данных. Методы передачи данных на физическом уровне. Физические основы передачи данных

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

7.2. Методы передачи дискретных данных

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 27. Различные типы модуляции

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа и скорости модуляции.

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

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

Рис. 28. Спектры сигналов при потенциальном кодировании

и амплитудной модуляции

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

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

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

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

· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

· обладал способностью распознавать ошибки;

· обладал низкой стоимостью реализации.

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

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

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

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

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

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники f 0 , ко­торая равна N/2 Гц. У других мето­дов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Рис. 29. Способы дискретного кодирования данных

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

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

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f 0 имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Такой сигнал называется запрещенным сигналом (signal violation ).

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

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

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

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

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

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

Страница 27 из 27 Физические основы передачи данных (Линии связи,)

Физические основы передачи данных

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

Линии связи

Первичные сети, линии и каналы связи

При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, и во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в их употреблении.

Звено (link) - это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.

Каналом (channel) чаще всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с.

Составной канал (circuit) - это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается и термин «канал» используется для обозначения как составного канала, так и канала между соседними узлами, то есть в пределах звена.

Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов.

На рис. показаны два варианта линии связи. В первом случае (а) линия состоит из сегмента кабеля длиной несколько десятков метров и представляет собой звено. Во втором случае (б) линия связи представляет собой составной канал, развернутый в сети с коммутацией каналов. Такой сетью может быть первичная сеть или телефонная сеть.

Однако для компьютерной сети эта линия представляет собой звено, так как соединяет два соседних узла, и вся коммутационная промежуточная аппаратура является прозрачной для этих узлов. Повод для взаимного непонимания на уровне терминов компьютерных специалистов и специалистов первичных сетей здесь очевиден.

Первичные сети специально создаются для того, чтобы предоставлять услуги каналов передачи данных для компьютерных и телефонных сетей, про которые в таких случаях говорят, что они работают «поверх» первичных сетей и являются наложенными сетями.

Классификация линий связи

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Физическая среда передачи данных (физические носители информации) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В первом случае говорят о проводной среде, а во втором - о беспроводной.

В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов - все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.

Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов - неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, либо локальные или мобильные сети, где это условие выполняется.

2 Функции физического уровня Представление битов электрическими/оптическими сигналами Кодирование битов Синхронизация битов Передача/прием битов по физическим каналам связи Согласование с физической средой Скорость передачи Дальность Уровни сигналов, разъемы Во всех устройствах сети Аппаратная реализация (сетевые адаптеры) Пример: 10 BaseT - UTP кат 3, 100 ом, 100м, 10Мбит/c, код МII, RJ-45

5 Аппаратура передачи данных Преобразователь Сообщение - Эл. сигнал Кодер (сжатие, корректирующие коды) Модулятор Промежуточная аппаратура Улучшение качества связи - (Усилитель) Создание составного канала – (Коммутатор) Уплотнение канала – (Мультиплексор) (В ЛВС ПА может отсутствовать)

6 Основные характеристики линий связи Пропускная способность (Протокол) Достоверность передачи данных(Протокол) Задержка распространения Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Полоса пропускания Затухание Помехоустойчивость Перекрестные наводки на ближнем конце линии Удельная стоимость

9 Затухание (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 Обычно А указывается для основной частоты сигнала = -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Обычно А указывается для основной частоты сигнала">

11 Помехоустойчивость Оптоволоконные линии Кабельные линии Проводные воздушные линии Радиолинии (Экранирование, скручивание) Устойчивость к внешним помехам Устойчивость к внутренним помехам Ослабление перекрестных наводок на ближнем конце (NEXT) Ослабление перекрестных наводок на дальнем конце (FEXT) (FEXT - Две пары в одном направлении)

12 Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk loss – NEXT) Для многопарных кабелей NEXT = 10 log Pвых/Pнав dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Достоверность передачи данных Bit Error Rate – BER Вероятность искажения бита данных Причины: внешние и внутренние помехи, узкая полоса пропускания Борьба: повышение помехозащищенности, снижение наводок NEXT, расширение полосы пропускания Витая пара BER ~ Оптоволоконный кабель BER ~ Без дополнительных средств защиты::корректирующих кодов, протоколов с повторением

16 Витая пара Twisted Pair (TP) экран из фольги плетеный проволочный экран провод в изоляции внешняя оболочка UTP Unshielded Twisted Pair категории 1, UTP кат пары в оболочке STP Shielded Twisted Pair Типы Type 1…9 У каждой пары свой экран Каждая пара - свой шаг скрутки, свой цвет Помехозащищенность Стоимость Сложность прокладки

18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2 n2 - (показатель преломления) n1 n2"> n2 - (показатель преломления) n1 n2"> n2 - (показатель преломления) n1 n2" title="18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2"> title="18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2">

22 Волоконно-оптический 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 Гбит/с (2005 г) MMSM

23 Источники оптического сигнала Канал: источник - носитель - приемник (детектор) Источники Светодиод (LED- Light Emitting Diod) нм некогерентный источник - MMF Полупроводниковый лазер когерентный источник - SMF - Мощность = f (t o) Детекторы Фотодиоды, pin-диоды, лавинные диоды

25 Структурированные кабельные системы - СКС Structured Cabling System - SCS Первые ЛВС – различные кабели и топологии Унификация кабельной системы СКС – открытая кабельная инфраструктура ЛВС (подсистемы, компоненты, интерфейсы) - независимость от сетевой технологии - кабели ЛВС, TV, системы охраны и т.п. - универсальная кабельная проводка без привязки к конкретной сетевой технологии -Конструктор

27 Стандарты СКС (основные) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США) CENELEC EN50173 Performance Requirements of Generic Cabling Schemes (Европа) ISO/IEC IS Information Technology - Generic cabling for customer premises cabling Для каждой подсистемы: Среда передачи данных. Топология Допустимые расстояния (длина кабелей) Интерфейс подключения пользователей. Кабели и соединительная аппаратура. Пропускная способность (Performance). Практика установки (Горизонтальная подсистема – UTP, звезда, 100 м...)

28 Беспроводная связь Wireless Transmission Достоинства: у добство, недоступные районы, мобильность. быстрое развертывание... Недостатки: в ысокий уровень помех (специальные средства: коды, модуляция…), сложность использования некоторых диапазонов Линия связи: передатчик - среда - приемник Характеристики ЛС ~ F(Δf, fн);

34 2. Cотовая телефония Разбиение территории на соты Повторное использование частот Малая мощность (габариты) В центре – базовая станция Европа – Global System for Mobile - GSM Беспроводная телефонная связь 1. Маломощная радиостанция – (трубка-база, 300м) DECT Digital European Cordless Telecommunication Роуминг - переключение с одной базовой сети на другую - основа сотовой связи

35 Спутниковая связь В основе – спутник (отражатель–усилитель) Приемопередатчики – транспондеры Н~50 Мгц (1 спутник ~ 20 транспондеров) Диапазоны 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 Спутниковая связь. Типы спутников Спутниковая связь: микроволны – прямая видимость Геостационарные Большое покрытие Неподвижность, Малый износ Cпутник-повторитель, широковещательность, низкая стоимость, стоимость не зависит от расстояния, Мгновенное установление связи (Mil) Tз=300мс Низкая защищенность, Первоначально большая антенна (но VSAT) Среднеорбитальные км Global Positioning System GPS - 24 спутника Низкоорбитальные км малое покрытие малая задержка Доступ в Интернет

40 Техника расширения спектра Специальные методы модуляции и кодирования для беспроводной связи С (Бит/с) = Δ F (Гц) * log2 (1+Ps/P N) Уменьшение мощности Помехоустойчивость Скрытность OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция) и на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Аналоговая модуляция - для передачи дискретных данных по каналом с узкой полосой пропускания - телефонные сети канал тональной частоты (полоса пропускания от 300 до 3400 Гц) Устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию - модем.

Методы аналоговой модуляции

n амплитудная модуляция (низкая помехоустойчивость, часто применяется совместно с фазовой модуляцией);

n частотная модуляция (сложная техническая реализация, обчно применяется в низкоскоростных модемах).

n фазовая модуляция.

Спектр модулированного сигнала

Потенциальный код - если дискретные данные передаются со скоростью N бит в секунду, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотой f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., где f0 = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают медленно - с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, ... от амплитуды f0. Спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0, до примерно 7f0. Для канала тональной частоты верхняя граница скорости передачи достигается для скорости передачи данных 971 бит в секунду, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. То есть на каналах тональной частоты потенциальные коды не используются.

Амплитудная модуляция - спектр состоит из синусоиды несущей частоты fc и двух боковых гармоник fc+fm и fc-fm, где fm - частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды. Частота fm определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой чпстоте модуляции ширина спектра сгнала будет таеже небольшой (равной 2fm), и сигналы не будет искажаться линие, если полоса пропускания будет больше или равна 2fm. Для канала тональной частоты такой способ приемлем при скорости передачи данных не выше 3100 / 2 =1550 бит в сек.

Фазовая и частотная модуляция - спектр более сложный, но симметричный, с большим количеством быстро убывающих гармоник. Эти методы подходят для передачи по каналу тональной частоты.

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrate Amplitude Modulation) - фазовая модуляция с 8 значениям величин сдвига фаз и амплитудная с 4 значениями амплитуды. Используются не все 32 комбинации сигнала.

Цифровое кодирование

Потенциальные коды – для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формулирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются.

Импульсные коды – представляют двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методу цифрового кодирования:

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала (более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных, предъявляется также требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником);

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником (приемник должен точно знать, в какой момент времени считывать нужную информацию с линии, в локальных системах – тактирующие линии, в сетях – самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита);

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

Потенциальный код без возвращения к нулю. NRZ (Non Retrurn to Zero). Сигнал не возвращается к нулю в течение такта.

Прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок благодаря двум резко различающимся сигналам, но не обладает свойством синхронизации. При передаче длинной последовательности нулей или единиц сигнал на линии не меняется, поэтому приемник не может определить, когда очередной раз нужно считывать данные. Еще одни недостаток – наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц и нулей. В чистом виде код используется редко, используются модификации. Привлекательность – низкая частота основной гармоники f0 = N /2.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией . (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), модификация метода NRZ.

Для кодирования нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется либо положительные потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой следующей единицы противоположен потенциалу предыдущей. Частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации. В случае передачи длинной последовательности единиц – последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего последовательность чередующихся импульсов, то есть без постоянной составляющей и основной гармоникой N/2. В целом использование AMI приводит к более узкому спектру, чем NRZ, а значит, к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся нуляе и единиц основная гармоника f0 имеет частоту N/4. Есть возможность распознавать ошибочные передачи, но для обеспечения достоверности приема необходимо повышение мощности примерно на 3 дБ, так как используются тру уровня сигнала.

Потенциальный код с инверсией при единице . (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Код, похожий на AMI, по с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля передается потенциал предыдущего такта, а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня не желательно (оптический кабель).

Для улучшения AMI, NRZI используются два метода. Первый – добавление в код избыточных единиц. Появляется свойство самосинхронизации, исчезает постоянная составляющая и сужается спектр, но снижается полезная пропускная способность.

Другой метод – “перемешивание” исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой - скрэмблирование. Оба метода – логическое кодирование, так как форму сигналов на линии они не определяют.

Биполярный импульсный код . Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта.

Код обладает отличными свойствами самосинхронизации, но при передаче длинной последовательности нулей или единиц может присутствовать постоянная составляющая. Спектр шире, чем у потенциальных кодов.

Манчестерский код . Самый распространенный код, применяющийся в сетях Ethernet, Token Ring.

Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебных перепад сигнала, елси нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Код обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами. Полоса пропускания уже, что у биполярного импульсного, нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае имеет частоту N, а в лучшем - N/2.

Потенциальный код 2В1Q . Каждые два бита передаются за одни такт сигналом, имеющим четыре состояния. 00 - -2,5 В, 01 - -0,833 В, 11 - +0,833 В, 10 - +2,5 В. Требуются дополнительные средства для борьбы с длинными последовательностями одинаковых пар бит. При случайном чередовании бит спектр в два раза уже, чем у NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза, то есть можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью AMI, NRZI, но нужна большая мощность передатчика.

Логическое кодирование

Призвано улучшать потенциальные коды типа AMI, NRZI, 2B1Q, заменяя длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Используется два метода – избыточное кодирование и скремблирование.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами, после чего каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.

Код 4В/5В заменяет последовательности из 4 бит последовательностями из 5 бит. Тогда вместо 16 битовых комбинаций получается 32. Из них отбирается 16, которые не содержат большого количества нулей, остальные считаются запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенные код, значит на линии произошло искажение сигнала.

Этот код передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Код гарантирует, что на линии не встретится более трех нулей подряд. Существуют другие коды, например 8В/6Т.

Для обеспечения заданной пропускной способности передатчик должен работать с повышенной тактовой частотой (для 100 Мб/с – 125 Мгц). Спектр сигнала, расширяется по сравнению с первоначальным, но остается уже спектра манчестерского кода.

Скрэмблирование – перемешивание данных скрэмблером перед передачей из в линию.

Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например,

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

где B i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-ом такте работы скрэмблера, A i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-ом такте на вход скремблера, B i -3 и B i -5 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы.

Для последовательности 110110000001 скремблер даст 110001101111, то есть последовательности из шести подряд идущих нулей не будет.

После получения результирующей последовательности приемник передаст ее дескремблеру, который применит обратное преобразование

С i = В i xor B i-3 xor B i-5 ,

Различные системы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых и сдвигом между ними.

Существуют более простые методы борьбы с последовательностями нулей или единиц, которые тоже относят к методам скремблирования.

Для улучшения Bipolar AMI используются:

B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) – исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей.

Для этого он после трех первых нулей вместо оставшихся пяти вставляет пять сигналов V-1*-0-V-1*, где V обозначает сигнал единицы, запрещенный для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемнике наблюдает 2 искажения – очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей. В этом коде постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным – последовательность 1*00V.

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей нулей и единиц, которые встречаются в передаваемых данных.

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.
Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты представлена на рис. 2.12. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).
Методы аналоговой модуляции
Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.
На диаграмме (рис. 2.13, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.
При амплитудной модуляции (рис. 2,13, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.
При частотной модуляции (рис. 2.13, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f0 и f1. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, нос различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.
В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.
При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:
· имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
· обладал способностью распознавать ошибки;
· обладал низкой стоимостью реализации.
Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи.
Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.