Методы передачи на физическом уровне. Передача дискретных данных на физическом уровне

Тема 2. Физический уровень

План

Теоретические основы передачи данных

Информация может передаваться по проводам за счет изменения какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Представив значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени, можно смоделировать поведение сигнала и подвергнуть его математическому анализу.

Ряды Фурье

В начале XIX столетия французский математик Жан-Батист Фурье (JeanBaptiste Fourier) доказал, что любая периодическая функция с периодом Т может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный), состоящий из сумм синусов и косинусов:
(2.1)
где - основная частота (гармоника), и - амплитуды синусов и косинусов n-й гармоники, а с - константа. Подобное разложение называется рядом Фурье. Разложенная в ряд Фурье функция может быть восстановлена по элементам этого ряда, то есть если период T и амплитуды гармоник известны, то исходная функция может быть восстановлена с помощью суммы ряда (2.1).
Информационный сигнал, имеющий конечную длительность (все информационные сигналы имеют конечную длительность), может быть разложен в ряд Фурье, если представить, что весь сигнал бесконечно повторяется снова и снова (то есть интервал от Т до 2Т полностью повторяет интервал от 0 до Т, и т. д.).
Амплитуды могут быть вычислены для любой заданной функции. Для этого нужно умножить левую и правую стороны уравнения (2.1) на, а затем проинтегрировать от 0 до Т. Поскольку:
(2.2)
остается только один член ряда. Ряд исчезает полностью. Аналогично, умножая уравнение (2.1) на и интегрируя по времени от 0 до Т, можно вычислить значения. Если проинтегрировать обе части уравнения, не изменяя его, то можно получить значение константы с . Результаты этих действий будут следующими:
(2.3.)

Управляемые носители информации

Назначением физического уровня сети является передача необработанного потока битов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Носители можно разделить на две группы: управляемые носители, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и неуправляемые, например радиосвязь и передача по лазерному лучу без кабеля.

Магнитные носители

Один из самых простых способов перенести данные с одного компьютера на другой - записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения и там прочитать их.
Высокая пропускная способность. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 200 Гбайт. В коробку размером 60x60x60 помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 1600 Тбит (1,6 Пбит). Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часов службой Federal Express или другой компанией. Эффективная полоса пропускания при такой передаче составляет 1600 Тбит/86 400 с, или 19 Гбит/с. Если же пункт назначения находится всего в часе езды, то пропускная способность составит свыше 400 Гбит/с. Ни одна компьютерная сеть пока не в состоянии даже приблизиться к таким показателям.
Экономичность. Оптовая цена кассеты составляет около $40. Коробка с лентами обойдется в $4000, при этом одну и ту же ленту можно использовать десятки раз. Прибавим $1000 на перевозку (а на самом деле, гораздо меньше) и получим около $5000 за передачу 200 Тбайт или 3 цента за гигабайт.
Недостатки. Хотя скорость передачи данных с помощью магнитных лент отличная, однако величина задержки при такой передаче очень велика. Время передачи измеряется минутами или часами, а не миллисекундами. Для многих приложений требуется мгновенная реакция удаленной системы (в подключенном режиме).

Витая пара

Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.
Применение – телефонная линия, компьютерная сеть. Может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях требуются повторители. Объединяются в кабель, с защитным покрытием. В кабеле пары проводов свиты, для избежание наложения сигнала. Могут использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но в большинстве случаев на расстоянии до нескольких километров может быть достигнута скорость несколько мегабит в секунду. Благодаря довольно высокой пропускной способности и небольшой цене витые пары широко распространены и, скорее всего, будут популярны и в будущем.
Витые пары применяются в нескольких вариантах, два из которых особенно важны в области компьютерных сетей. Витые пары категории 3 (CAT 3) состоят из двух изолированных проводов, свитых друг с другом. Четыре такие пары обычно помещаются вместе в пластиковую оболочку.
Витые пары категории 5 (CAT 5) похожи на витые пары третьей категории, но имеют большее число витков на сантиметр длины проводов. Это позволяет еще сильнее уменьшить наводки между различными каналами и обеспечить улучшенное качество передачи сигнала на большие расстояния (рис. 1).

Рис. 1. UTP категории 3 (а), UTP категории 5 (б).
Все эти типы соединений часто называются UTP (unshielded twisted pair - неэкранированная витая пара)
Экранированные кабели из витых пар корпорации IBM не стали популярными за пределами фирмы IBM.

Коаксиальный кабель

Другим распространенным средством передачи данных является коаксиальный кабель. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один из них, 50-омный, обычно используется для передачи исключительно цифровых данных. Другой тип кабеля, 75-омный, часто применяется для передачи аналоговой информации, а также в кабельном телевидении.
Вид кабеля в разрезе показан на рисунке 2.

Рис. 2. Коаксиальные кабель.
Конструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность. Максимальная пропускная способность зависит от качества, длины и соотношения сигнал/шум линии. Современные кабели имеют полосу пропускания около 1 ГГц.
Применение – телефонные системы (магистрали), кабельное телевиденье, региональные сети.

Волоконная оптика

Существующая ныне оптоволоконная технология, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и при этом много специалистов занято поиском более совершенных материалов. Сегодняшний практический предел в 10 Гбит/с обусловлен неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно, хотя в лабораторных условиях уже достигнута скорость 100 Гбит/с на одинарном волокне.
Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса - за ноль. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на него света детектор генерирует электрический импульс. Присоединив к одному концу оптического волокна источник света, а к другому - детектор, получается однонаправленная система передачи данных.
При передачи светового сигнала используется свойство отражения и преломления света при переходе из 2-х сред. Таким образом при подаче света под определенным углом на границу сред световой пучок полностью отражается и запирается в волокне (рис. 3).

Рис. 3. Свойство преломления света.
Существует 2 типа оптоволоконного кабеля: многомодный - передает пучок света, одномодный - тонкий до предела нескольких длин волны, действует практически как волновод, свет двигается по прямой без отражения. Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км.
В системах связи используются три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм соответственно.
Структура оптоволоконного кабеля схожа с структурой коаксиального провода. Разница состоит лишь в том, что в первом нет экранирующей сетки.
В центре оптоволоконной жилы располагается стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет. В многомодовом оптоволокне диаметр сердечника составляет 50 мкм, что примерно равно толщине человеческого волоса. Сердечник в одномодовом волокне имеет диаметр от 8 до 10 мкм. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника. Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Оптоволоконные жилы обычно группируются в пучки, защищенные внешней оболочкой. На рисунке 4 показан трехжильный кабель.

Рис. 4. Трехжильный оптоволоконный кабель.
При обрыве соединение отрезков кабеля может осуществляться тремя способами:

На конец кабеля может прикрепляться специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в оптическую розетку. Потеря - 10-20 % силы света, зато позволяет легко изменить конфигурацию системы.

Сращивание - два аккуратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой. Улучшение прохождения света достигается выравниванием концов кабеля. Потеря - 10 % мощности света.

Сплавление. Потеря практически отсутствуют.

Для передачи сигнала по оптоволоконному кабелю могут использоваться два типа источника света: светоизлучающие диоды (LED, Light Emitting Diode) и полупроводниковые лазеры. Их сравнительная характеристика приведена в таблице 1.

Таблица 1.
Сравнительная таблица использования светодиода и полупроводникового лазера
Приемный конец оптического кабеля представляет собой фотодиод, генерирующий электрический импульс, когда на него падает свет.

Сравнительная характеристика оптоволоконного кабеля и медного провода.

Оптическое волокно обладает рядом преимуществ:

Высокая скорость.

Меньше ослабление сигнала, вывод меньше повторителей (один на 50км, а не на 5)

Инертен к внешним электромагнитным излучениям, химически нейтрально.

Легче по весу. 1000 медных витых пар длиной в 1 км весит около 8000 кг. Пара оптоволоконных кабелей весит всего 100 кг при большей пропускной способности

Низкие затраты на прокладку

Недостатки:

Сложность и компетентность при монтаже.

передачи в режиме simplex, между сетями требуется минимум 2 жилы.

Беспроводная связь

Электромагнитный спектр

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число колебаний электромагнитных колебаний в секунду называется частотой, и измеряется в герцах. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны. Эта величина традиционно обозначается греческой буквой (лямбда).
Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приемником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи.
В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света, - 3*108 м/с. В меди или стекле скорость света составляет примерно 2/3 от этой величины, кроме того, слегка зависит от частоты.
Связь величин, и:

Если частота () измеряется в МГц, а длина волны () в метрах то.
Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения (рис. 5). Радио, микроволновый, инфракрасный диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако их сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, они опасны для всего живого. Официальное название диапазонов приведено в таблице 6.

Рис. 5. Электромагнитный спектр и его применение в связи.
Таблица 2.
Официальные названия диапазонов по ITU
Количество информации, которое может переносить электромагнитная волна связана с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрастать восьмикратно на высоких частотах.
Зная ширину диапазона длин волн, можно вычислить соответствующий ей диапазон частот и скорость передачи данных.

Пример: Для 1,3 микронного диапазона оптоволоконного кабеля получается, то. Тогда при 8 бит/с получается можно получить скорость передачи 240 Тбит/с.

Радиосвязь

Радиоволны легко генерировать, преодолевают большие расстояния, проходят сквозь стены, огибают здания, распространяются во всех направлениях. Свойство радиоволн зависят от частоты (рис. 6). При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, однако мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удаленности от источника выражается примерно так: 1/r2. На высоких частотах радиоволны вообще имеют тенденцию распространяться исключительно по прямой линии и отражаться от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождем. Радиосигналы любых частот подвержены помехам со стороны двигателей с искрящими щетками и другого электрического оборудования.

Рис. 6. Волны диапазонов VLF, LF, MF огибают неровности поверхности земли (а), волны диапазонов HF и VHF отражаются от ионосферы, поглощаются землей (б).

Связь в микроволновом диапазоне

На частотах выше 100 МГц радиоволны распространяются почти по прямой, поэтому могут быть сфокусированы в узкие пучки. Концентрация энергии в виде узкого пучка при помощи параболической антенны (вроде всем известной спутниковой телевизионной тарелки) приводит к улучшению соотношения сигнал/шум, однако для подобной связи передающая и принимающая антенны должны быть довольно точно направлены друг на друга.
В отличие от радиоволн с более низкими частотами, микроволны плохо проходят сквозь здания. Микроволновая радиосвязь стала настолько широко использоваться в междугородной телефонии, сотовых телефонах, телевещании и других областях, что начала сильно ощущаться нехватка ширины спектра.
Данная связь имеет ряд преимуществ перед оптоволокном. Главное из них состоит в том, что не нужно прокладывать кабель, соответственно, не нужно платить за аренду земли на пути сигнала. Достаточно купить маленькие участки земли через каждые 50 км и установить на них ретрансляционные вышки.

Инфракрасные и миллиметровые волны

Инфракрасное и миллиметровое излучения без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях (пример дистанционные пульты). Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но не проходит сквозь твердые объекты.
Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Спутники связи

Используются е типа спутников: геостационные (GEO), средневысотные (MEO) и низкоорбитальные (LEO) (рис. 7).

Рис. 7. Спутники связи и их свойства: высота орбиты, задержка, число спутников, необходимое для покрытия всей поверхности земного шара.

Коммутируемая телефонная сеть общего пользования

Структура телефонной системы

Структура типичного маршрута телефонной связи на средние дистанции представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Типичный маршрут связи при средней дистанции между абонентами.

Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь

Так как компьютер работает с цифровым сигналом, а местная телефонная линия представляет собой передачу аналогового сигнала для выполнения преобразования цифрового в аналоговый и обратно используется устройство - модем, а сам процесс называется модуляцией/демодуляцией (рис. 9).

Рис. 9. Использование телефонной линии при передачи цифрового сигнала.
Существует 3 способа модуляции (рис. 10):

амплитудная модуляция - используются 2 разные амплитуды сигнала (для 0 и 1),

частотная - используются несколько разных частот сигнала (для 0 и 1),

фазовая - используются сдвиги фаз при переходе между логическими единицами (0 и 1). Углы сдвига - 45, 135, 225, 180.

На практике используются комбинированные системы модуляции.

Рис. 10. Двоичный сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в); фазовая модуляция.
Все современные модемы позволяют передавать данные в обоих направлениях, такой режим работы называется дуплексным. Соединение с возможностью поочередной передачи называется полудуплексным. Соединения при котором происходит передача только в одном направлении называется симплексным.
Максимальная скорость модемов которая может быть достигнута на текущий момент равна 56Кб/с. Стандарт V.90.

Цифровые абонентские линии. Технология xDSL.

После того, как скорость через модемы достигла своего предела телефонные компании стали искать выход из данной ситуации. Таким образом появилось множество предложений под общим названием xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - цифровая абонентская линия, где вместо x могуть быть другие буквы. Наиболее известная технология из данных предложений является ADSL (Asymmetric DSL).
Причина ограничения скорости модемов заключалась в том, что они для передачи данных использовали диапазон передачи человеческой речи - 300Гц до 3400Гц. Вместе с пограничными частотами, полоса пропускания составляла не 3100 Гц, а 4000 Гц.
Хотя сам спектр местной телефонной линии составляет 1,1Гц.
Первое предложение технологии ADSL использовало весь спектр местной телефонной линии, который разделяется на 3 диапазона:

POTS - диапазон обычной телефонной сети;

исходящий диапазон;

входящий диапазон.

Технология, в которой для разных целей используются разные частоты, называется частотным уплотнением или частотным мультиплексированием.
Альтернативный метод под названием дискретная мультитональная модуляция, DMT (Discrete MultiTone) состоит в разделении всего спектра местной линии шириной 1,1 МГц на 256 независимых каналов по 4312,5 Гц в каждом. Канал 0 - это POTS. Каналы с 1 по 5 не используются, чтобы голосовой сигнал не имел возможности интерферировать с информационным. Из оставшихся 250 каналов один занят контролем передачи в сторону провайдера, один - в сторону пользователя, а все прочие доступны для передачи пользовательских данных (рис. 11).

Рис. 11. Работа ADSL с использованием дискретной мультитональной модуляции.
Стандарт ADSL позволяет принимать до 8 Мб/с, а отправлять до 1Мб/с. ADSL2+ - исходящий до 24Мб/с, входящий до 1,4 Мб/с.
Типичная конфигурация оборудования ADSL содержит:

DSLAM - мультиплексор доступа к DSL;

NID - устройство сопряжения с сетью, разделяет владения телефонной компании и абонента.

Разветвитель (сплиттер) - разделитель частот, отделяющий полосу POTS и данные ADSL.

Рис. 12. Типичная конфигурация оборудования ADSL.

Магистрали и уплотнения

Экономия ресурсов играет важную роль в телефонной системе. Стоимость прокладки и обслуживания магистрали с высокой пропускной способностью и низкокачественной линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей, а не на сам медный или оптоволоконный кабель).
По этой причине телефонные компании совместно разработали несколько схем передачи нескольких разговоров по одному физическому кабелю. Схемы мультиплексирования (уплотнения) могут быть разделены на две основные категории FDM (Frequency Division Multiplexing -частотное уплотнение) и TDM (Time Division Multiplexing - мультиплексирование с временным уплотнением) (рис. 13).
При частотном уплотнении частотный спектр делится между логическими каналами ри этом каждый пользователь получает в исключительное владение свой поддиапазон. При мультиплексировании с временным уплотнением пользователи по очереди (циклически) пользуются одним и тем же каналом, и каждому на короткий промежуток времени предоставляется вся пропускная способность канала.
В оптоволоконных каналах используется особый вариант частотного уплотнения. Он называется спектральным уплотнением (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Рис. 13. Пример частотного уплотнения: исходные спектры 1 сигналов (а), спектры, сдвинутые по частоте (б), уплотненный канал (в).

Коммутация

С точки зрения среднего телефонного инженера, телефонная система состоит из двух частей: внешнего оборудования (местных телефонных линий и магистралей, вне коммутаторов) и внутреннего оборудования (коммутаторов), расположенного на телефонной станции.
Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации (связи) своих абонентов между собой. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
В телефонных системах используются два различных приема: коммутации каналов и коммутации пакетов.

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал (рис. 14).

Коммутация пакетов

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения (рис. 14).
и т.д.................

Исходная информация, которую необходимо передавать по линии связи, может быть либо дискретной (выходные данные компьютеров), либо аналоговой (речь, телевизионное изображение).

Передача дискретных данных базируется на использовании двух типов физического кодирования:

а) аналоговой модуляции, когда кодирование осуществляется за счет изменения параметров синусоидального несущего сигнала;

б) цифрового кодирования путем изменения уровней последовательности прямоугольных информационных импульсов.

Аналоговая модуляция приводит к спектру результирующего сигнала гораздо меньшей ширины, чем при цифровом кодировании, при той же скорости передачи информации, однако для ее реализации требуется более сложная и дорогая аппаратура.

В настоящее время исходные данные, имеющие аналоговую форму, все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде (в виде последовательности единиц и нулей), т. е. осуществляется дискретная модуляция аналоговых сигналов.

Аналоговая модуляция. Применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый пользователям телефонных сетей. По этому каналу передаются сигналы с частотой от 300 до 3400 Гц, т. е. его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая полоса вполне достаточна для передачи речи с приемлемым качеством. Ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Перед передачей дискретных данных на передающей стороне с помощью модулятора-демодулятора (модема) осуществляется модуляция несущей синусоиды исходной последовательности двоичных цифр. Обратное преобразование (демодуляция) выполняется принимающим модемом.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму, или три метода аналоговой модуляции:

Амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля - малой, или сигнал несущей вообще отсутствует;

Частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля - низкая, а при передаче единицы - высокая;

Фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°. В чистом виде амплитудная модуляция на практике используется редко из-за низкой помехоустойчивости. Частотная модуляция не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/ с. Повышение скорости передачи данных обеспечивается использованием комбинированных способов модуляции, чаще амплитудной в сочетании с фазовой.

Аналоговый способ передачи дискретных данных обеспечивает широкополосную передачу путем использования в одном канале сигналов различных несущих частот. Это гарантирует взаимодействие большого количества абонентов (каждая пара абонентов работает на своей частоте).

Цифровое кодирование. При цифровом кодировании дискретной информации используются два вида кодов:

а) потенциальные коды, когда для представления информационных единиц и нулей применяется только значение потенциала сигнала, а его перепады во внимание не принимаются;

б) импульсные коды, когда двоичные данные представляются либо импульсами определенной полярности, либо перепадами потенциала определенного направления.

К способам цифрового кодирования дискретной информации при использовании прямоугольных импульсов для представления двоичных сигналов предъявляются такие требования:

Обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

Обеспечение наименьшей ширины спектра результирующего сигнала при одной и той же битовой скорости (так как более узкий спектр сигналов позволяет на ли-

нии с одной и той же полосой пропускания добиваться более высокой скорости

передачи данных);

Возможность распознавания ошибок в передаваемых данных;

Относительно низкая стоимость реализации.

Средствами физического уровня осуществляется только распознавание искаженных данных (обнаружение ошибок), что позволяет экономить время, так как приемник, не ожидая полного помещения принимаемого кадра в буфер, сразу его отбраковывает при распознавании ошибочных бит в кадре. Более сложная операция - коррекция искаженных данных - выполняется протоколами более высокого уровня: канального, сетевого, транспортного или прикладного.

Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент следует осуществлять считывание поступающих данных. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных. Проблема синхронизации легко решается при передаче информации на небольшие расстояния (между блоками внутри компьютера, между компьютером и принтером) путем использования отдельной тактирующей линии связи: информация считывается только в момент прихода очередного тактового импульса. В компьютерных сетях отказываются от использования тактирующих импульсов по двум причинам: ради экономии проводников в дорогостоящих кабелях и из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях (на больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигналов может привести к рассинхронизации тактовых импульсов в тактирующей линии и информационных импульсов в основной линии, вследствие чего бит данных будет либо пропущен, либо считан повторно).

В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Указанные требования к способам цифрового кодирования дискретной информации являются в определенной степени взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже способов кодирования имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими.

Самосинхронизирующие коды. Наиболее распространенными являются следующие СК:

Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero);

Биполярный импульсный код (RZ-код);

Манчестерский код;

Биполярный код с поочередной инверсией уровня.

На рис. 32 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Для характеристики и сравнительной оценки СК используются такие показатели:

Уровень (качество) синхронизации;

Надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

Требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

Сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Такое название он получил потому, что при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) сигнал не возвращается к нулю в течение такта, как это имеет место в других способах кодирования. Уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линий).

Для Ы^-кода имеют место соотношения

где VI - скорость изменения уровня сигнала в линии связи (бод);

У2 - пропускная способность линии связи (бит/ с).

Кроме того, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, у него есть и другой серьезный недостаток: наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных серий единиц или нулей. Вследствие этого код NRZ в чистом виде в сетях не используется. Применяются его различные модификации, в которых устраняют плохую самосинхронизацию кода и наличие постоянной составляющей.

RZ-код, или биполярный импульсный код (код с возвращением к нулю), отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение

Спектр у RZ-кода шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра он используется редко.

Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов - двойное изменение. 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. Соотношение скоростей для этого кода такое:

Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных. Его полоса пропускания уже, чем у RZ-кода (в среднем в полтора раза). В отличие от биполярного импульсного кода, где для передачи данных используются три уровня сигнала (что иногда весьма нежелательно, например, в оптических кабелях устойчиво распознаются только два состояния - свет и темнота), в манчестерском коде - два уровня.

Манчестерский код широко применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Биполярный код с поочередной инверсией уровня (код AMI) является одной из модификаций кода NRZ. В нем используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Для кодирования нуля используется нулевой потенциал. Код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц, так как потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче серий нулей синхронизация отсутствует. Код AMI сравнительно прост в реализации. Для него

При передаче различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а следовательно, и к более высокой пропускной способности линии.

Заметим, что улучшенные потенциальные коды (модернизированные манчестерский код и код AMI) обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, например в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Как уже отмечалось, одной из тенденций развития современных компьютерных сетей является их цифровизация, т. е. передача в цифровой форме сигналов любой природы. Источниками этих сигналов могут быть компьютеры (для дискретных данных) или такие устройства, как телефоны, видеокамеры, видео- и звуковоспроизводящая аппаратура (для аналоговых данных). До недавнего времени (до появления цифровых сетей связи) в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, причем дискретные по своему характеру компьютерные данные с помощью модемов преобразовывались в аналоговую форму.

Однако передача информации в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принимаемых данных, если имело место их существенное искажение при передаче. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передаче звука и изображения пришла цифровая техника, которая использует дискретную модуляцию аналоговых сигналов.

Дискретная модуляция основана на дискретизации непрерывных сигналов как по амплитуде, так и по времени. Одним из широко распространенных методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США).

При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 33).

Первый этап - отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала. В аналоговой телефонии для передачи голоса выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточен для качественной передачи всех основных гармоник собеседников. Поэтому в цифровых сетях, где для передачи голоса реализуется метод ИКМ, принята частота отображения, равная 8000 Гц (это больше 6800 Гц, что обеспечивает некоторый запас качества).

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ - сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256- шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 33 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами - 64 Кбит/ с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/ с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т. е. производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстановление исходной непрерывной функции времени.

В современных цифровых сетях связи используются и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме, например, в виде последовательности 4-разряных чисел. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Цифровые методы записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации обеспечивают возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. С этой целью применяются те же методы контроля, что и для компьютерных данных (см. п. 4.9).

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде предъявляет жесткие требования к синхронизации приемника. В случае несоблюдения синхронности исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажениям голоса или передаваемого изображения. Если кадры с замерами голоса (или другой аналоговой величины) будут прибывать синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако в компьютерных сетях кадры могут задерживаться как в конечных узлах, так и в промежуточных коммутационных устройствах (мостах, коммутаторах, маршрутизаторах), что негативно сказывается на качестве передачи голоса. Поэтому для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов используются специальные цифровые сети (ISDN, ATM, сети цифрового телевидения), хотя для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров и сегодня применяются сети Frame Relay, поскольку задержки передачи кадров в них находятся в допустимых пределах.

Перекрестные наводки на ближнем конце линии – определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Обычно они оцениваются применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, когда взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин и создавать внутренние помехи, соизмеримые с полезным сигналом.

Достоверность передачи данных (или интенсивность битовых ошибок) характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Причинами искажения информационных сигналов являются помехи на линии, а также ограниченность полосы ее пропускания. Поэтому повышение достоверности передачи данных достигается повышением степени помехозащищенности линии, снижением уровня перекрестных наводок в кабеле, использованием более широкополосных линий связи.

Для обычных кабельных линий связи без дополнительных средств защиты от ошибок достоверность передачи данных составляет, как правило, 10 -4 -10 -6 . Это значит, что в среднем из 10 4 или 10 6 передаваемых бит будет искажено значение одного бита.

Аппаратура линий связи (аппаратура передачи данных – АПД) является пограничным оборудованием, непосредственно связывающим компьютеры с линией связи. Она входит в состав линии связи и обычно работает на физическом уровне, обеспечивая передачу и прием сигнала нужной формы и мощности. Примерами АПД являются модемы, адаптеры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

В состав АПД не включается оконечное оборудование данных (ООД) пользователя, которое вырабатывает данные для передачи по линии связи и подключается непосредственно к АПД. К ООД относится, например, маршрутизатор локальных сетей. Заметим, что разделение оборудования на классы АПД и ООД является достаточно условным.

На линиях связи большой протяженности используется промежуточная аппаратура, которая решает две основные задачи: повышение качества информационных сигналов (их формы, мощности, длительности) и создание постоянного составного канала (сквозного канала) связи между двумя абонентами сети. В ЛКС промежуточная аппаратура не используется, если протяженность физической среды (кабелей, радиоэфира) невысока, так что сигналы от одного сетевого адаптера к другому можно передавать без промежуточного восстановления их параметров.

В глобальных сетях обеспечивается качественная передача сигналов на сотни и тысячи километров. Поэтому через определенные расстояния устанавливаются усилители. Для создания между двумя абонентами сквозной линии используются мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы.

Промежуточная аппаратура канала связи прозрачна для пользователя (он ее не замечает), хотя в действительности она образует сложную сеть, называемую первичной сетью и служащую основой для построения компьютерных, телефонных и других сетей.

Различают аналоговые и цифровые линии связи , в которых используются различные типы промежуточной аппаратуры. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, имеющих непрерывный диапазон значений. В высокоскоростных аналоговых каналах реализуется техника частотного мультиплексирования, когда несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов мультиплексируют в один высокоскоростной канал. В цифровых каналах связи, где информационные сигналы прямоугольной формы имеют конечное число состояний, промежуточная аппаратура улучшает форму сигналов и восстанавливает период их следования. Она обеспечивает образование высокоскоростных цифровых каналов, работая по принципу временного мультиплексирования каналов, когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени высокоскоростного канала.

При передаче дискретных компьютерных данных по цифровым линиям связи протокол физического уровня определен, так как параметры передаваемых линией информационных сигналов стандартизованы, а при передаче по аналоговым линиям – не определен, поскольку информационные сигналы имеют произвольную форму и к способу представления единиц и нулей аппаратурой передачи данных никаких требований не предъявляется.

В сетях связи нашли применение следующие режимы передачи информации :

· симплексные, когда передатчик и приемник связываются одним каналом связи, по которому информация передается только в одном направлении (это характерно для телевизионных сетей связи);

· полудуплексные, когда два узла связи соединены также одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запрос-ответных систем);

· дуплексные, когда два узла связи соединены двумя каналами (прямым каналом связи и обратным), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.

Коммутируемые и выделенные каналы связи . В ТСС различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема трафика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.

Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

Передача дискретных данных базируется на использовании двух типов физического кодирования:

а) аналоговой модуляции , когда кодирование осуществляется за счет изменения параметров синусоидального несущего сигнала;

б) цифрового кодирования путем изменения уровней последовательности прямоугольных информационных импульсов.

Аналоговая модуляция . Применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый пользователям телефонных сетей. По этому каналу передаются сигналы с частотой от 300 до 3400 Гц, т. е. его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая полоса вполне достаточна для передачи речи с приемлемым качеством. Ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

· амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля – малой, или сигнал несущей вообще отсутствует;

· частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля – низкая, а при передаче единицы – высокая;

· фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°.

В чистом виде амплитудная модуляция на практике используется редко из-за низкой помехоустойчивости. Частотная модуляция не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с. Повышение скорости передачи данных обеспечивается использованием комбинированных способов модуляции, чаще амплитудной в сочетании с фазовой.

Цифровое кодирование . При цифровом кодировании дискретной информации используются два вида кодов:

· обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

· обеспечение наименьшей ширины спектра результирующего сигнала при одной и той же битовой скорости (так как более узкий спектр сигналов позволяет на линии с одной и той же полосой пропускания добиваться более высокой скорости передачи данных);

· возможность распознавания ошибок в передаваемых данных;

· относительно низкая стоимость реализации.

Средствами физического уровня осуществляется только распознавание искаженных данных (обнаружение ошибок), что позволяет экономить время, так как приемник, не ожидая полного помещения принимаемого кадра в буфер, сразу его отбраковывает при распознавании ошибочных бит в кадре. Более сложная операция – коррекция искаженных данных – выполняется протоколами более высокого уровня: канального, сетевого, транспортного или прикладного.

В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Самосинхронизирующие коды . Наиболее распространенными являются следующие СК:

· потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ – Non Return to Zero);

· биполярный импульсный код (RZ-код);

· манчестерский код;

· биполярный код с поочередной инверсией уровня.

На рис. 32 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Рис. 32. Схемы кодирования сообщения с помощью самосинхронизирующих кодов

Для передачи дискретных данных по линиям связи с узкой полосой частот применяется аналоговая модуляция . Типичным представителем таких линий является линия связи тональной частоты, предоставляемая в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Эта линия связи передает аналоговые сигналы в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц (таким образом полоса пропускания линии равна 3100 Гц). Строгое ограничение полосы пропускания линий связи в данном случае связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

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. При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется на практике в чистом виде из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другими видами модуляции. При частотной модуляции значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с разной частотой. Этот способ модуляции не требует сложных электронных 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, 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. Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation - QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Однако из возможных 32 комбинаций сигнала используются далеко не все. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах (особенно коммутируемых) весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

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, формирующие законченные импульсы, 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 сигнала позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. 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 устройствами внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, и информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях. 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, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). 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.

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.

Одним из простейших методов потенциального кодирования является униполярный потенциальный код , называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero - NRZ) (рис.7.1.а ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал налинии не изменяется, поэтому приемник не имеет возможность определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов практически 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.

а б в г д е

Рис. 7.1. Методы кодирования двоичных данных: а -униполярный потен-

циальный код; б - биполярный потенциальный код; в - униполярный им-

пульсный код; г - биполярный импульсный код; д - «манчестерский» код;

е - потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие линии 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, но используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей.

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного потенциального кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion - AMI). В этом методе (рис. 7.1.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. 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. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation). Так как в коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии, то дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика 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.

Наиболее простыми методами импульсного кодирования являются униполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом, а ноль - его отсутствием (рис. 7.1в ), и биполярный импульсный код , в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 7.1г ). Каждый импульс длится половину такта. Биполярный импульсный код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, но постоянная импульсная 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. 7.1д ). 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 самохронизирующими 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 около значения 3N/4. Еще одним преимуществом манчестерского кода является то, что он только два уровня сигнала, а биполярный импульсный код – три.

Существуют также потенциальные коды с большим числом уровней сигналов для кодирования данных. В качестве примера показан (рис 7.1е ) потенциальный код 2В1Q с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. В этом коде каждые два бита передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния. Паре бит «00» соответствует потенциал -2,5 В, паре бит «01» - потенциал -0,833 В, паре бит «11» - потенциал +0,833 В, а паре бит «10» - потенциал +2,5 В. В этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как тогда сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ (при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза). Таким образом, с помощью представленного кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Для улучшения потенциальных кодов типа AMI и 2B1Q используетсялогическое кодирование . Логическое кодирование призвано заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скремблирование .

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала. Код 4В/5В передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд. Буква B в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния (от английского binary – двоичный). Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 729 (3 в степени 6) результирующих символов. Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов (см. разделы 9,11 ).

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Другой способ логического кодирования основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятности появления единиц и нулей на линиистановились близкими. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичныеданные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Улучшенные потенциальные избыточные и скрэмблированные коды применяются в современных высокоскоростных сетевых технологиях вместо «манчестерского» и биполярного импульсного кодирования.

7.6. Технологии мультиплексирования линий связи

Для мультиплексирования («уплотнения») линий связи используется несколько технологий. Технология частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing - FDM ) первоначально была разработана для телефонных сетей, но применяется и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения. Эта технология предполагает перенос сигналов каждого абонентского канала в свой собственный диапазон частот и одновременную передачу сигналов нескольких абонентских каналов в одной широкополосной линии связи. Например, на входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов. В линии связи между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон. FDM-коммутаторы могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос. При постоянной коммутации полоса закрепляется за абонентом на длительный срок. Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также их количество.

Технология мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing - TDM ) или временного мультиплексирования основана на использовании TDM-аппаратуры (мультиплексоров, коммутаторов, демультиплексоров), работающей в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла все абонентские каналы. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом . Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых аппаратурой. Сети TDM могут поддерживать режимы либо динамической, либо постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима.

Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора выходная емкость равна количеству частотных полос, а для TDM-коммутатора - количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором - абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов. Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения является важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голоса и изображения или управление объектами в реальном масштабе времени.

При наличии всего одного физического канала связи, например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть, дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала с помощью технологий FDM или ТDМ. При использовании технологии FDM модемы для организации дуплексного режима работы на двухпроводной линии работают на четырех частотах (две частоты – для кодирования единиц и нулей при передаче данных в одном направлении, а две других частоты – для кодирования при передаче в обратном направлении). В технологии ТDМ часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть – для передачи в другом направлении. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются.

В волоконно-оптических кабелях для организации дуплексного режима работы при использовании только одного оптического волокна передача данных в одном направлении производится с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном – другой длины волны. Такая технология по сути относится к методу FDM, однако для волоконно-оптических кабелей она получила название технологии мультиплексированияпо длине волны (Wave Division Multiplexing -WDM ) или волнового мультиплексирования .

Технология плотного волнового (спектрального)мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing - DWDM ) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой качественный скачок производительности обеспечивается за счет того, что информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн. Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию. Одним из основных преимуществ технологии DWDM является существенное повышение коэффициента использования частотного потенциала оптического волокна, теоретическая полоса пропускания которого составляет 25 000 ГГц.

Резюме

В современных телекоммуникационных системах информация передается посредством электромагнитных волн – электрических, световых или радиосигналов.

Линии связи в зависимости от типа физической среды передачи информации могут быть кабельными (проводными) или беспроводными. В качестве линий связи применяются телефонные кабели на основе параллельных нескрученных проводников, коаксиальные кабели, кабели на основе витых пар проводников (неэкранированные и экранированные), волоконно-оптические кабели. Наиболее эффективными на сегодняшний день и перспективными в ближайшем будущем являются кабели на основе витых пар проводников и волоконно-оптические кабели. Беспроводные линии связи чаще всего реализуются посредством передачи радиосигналов в различных диапазонах радиоволн. Инфракрасная технология беспроводной передачи данных использует часть электромагнитного спектра между видимым светом и самыми короткими микроволнами. Наиболее высокоскоростной и помехоустойчивой является лазерная технология беспроводной связи.

Основные характеристики линий связи – амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

Пропускная способность линии связи характеризует максимально возможную скорость передачи данных по ней. Помехоустойчивость линии связи определяет ее способность уменьшать на внутренних проводниках уровень помех, создаваемых во внешней среде. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных.

Представление дискретной информации в том или ином виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим кодированием. Логическое кодирование подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей дополнительными свойствами.

Для передачи дискретных данных по линиям связи с узкой полосой частот применяется аналоговая модуляция, при которой информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. Для мультиплексирования линий связи используются технологии частотного, временного и волнового мультиплексирования.

Контрольные вопросы и задания

1. Приведите классификацию линий связи.

2. Охарактеризуйте наиболее распространенные кабельные линии связи.

3. Представьте основные беспроводные линии связи и дайте их сравнительную характеристику.

4. Из-за каких физических факторов каналы связи искажают передаваемые сигналы?

5. Что такое амплитудно-частотная характеристика канала связи?

6. В каких единицах измеряется пропускная способность канала связи?

7. Опишите понятие «помехоустойчивость линии связи».

8. Что определяет характеристика «достоверность передачи данных» и в каких единицах она измеряется?

9. Что такое «аналоговая модуляция» и какие ее виды применяется для передачи дискретных данных?

10. Какое устройство выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и ее демодуляции на приемной стороне?

11. Укажите различие между потенциальным и импульсным кодированием цифровых сигналов.

12. Что представляют собой самосинхронизирующиеся коды?

13. С какой целью используется логическое кодирование цифровых сигналов и какие методы при этом применяются?

14. Опишите технологию частотного мультиплексирования линий связи.

15. Каковы особенности технологии мультиплексирования с разделением времени?

16. Какая технология мультиплексирования применяется в волоконно-оптических кабелях для организации дуплексного режима работы при использовании только одного оптического волокна?

17. Для каких целей разработана технология плотного волнового мультиплексирования?