Způsoby přenosu na fyzické vrstvě. Přenos diskrétních dat na fyzické vrstvě

Téma 2. Fyzická vrstva

Plán

Teoretické základy přenosu dat

Informace lze přenášet po drátech změnou nějaké fyzikální veličiny, jako je napětí nebo proud. Znázorněním hodnoty napětí nebo proudu jako jednohodnotové funkce času je možné modelovat chování signálu a podrobit jej matematické analýze.

Fourierova řada

Na začátku 19. století francouzský matematik Jean-Baptiste Fourier dokázal, že libovolnou periodickou funkci s periodou T lze rozšířit na řadu (možná nekonečnou) sestávající ze součtů sinů a kosinů:
(2.1)
kde je základní frekvence (harmonická) a jsou amplitudy sinů a kosinus n-té harmonické a c je konstanta. Takové rozšíření se nazývá Fourierova řada. Funkce rozšířená ve Fourierově řadě může být obnovena prvky této řady, to znamená, že pokud je známa perioda T a amplitudy harmonických, pak může být původní funkce obnovena pomocí součtu řady (2.1).
Informační signál, který má konečnou dobu trvání (všechny informační signály mají konečnou dobu trvání), lze rozšířit do Fourierovy řady, pokud si představíme, že se celý signál donekonečna opakuje znovu a znovu (tj. interval od T do 2T zcela opakuje interval od 0 do T atd.).
Amplitudy lze vypočítat pro jakoukoli danou funkci. Chcete-li to provést, musíte vynásobit levou a pravou stranu rovnice (2.1) a poté integrovat od 0 do T. Protože:
(2.2)
zůstává pouze jeden člen série. Linka úplně zmizí. Podobně lze vypočítat hodnoty vynásobením rovnice (2.1) a integrací v čase od 0 do T. Pokud integrujeme obě části rovnice, aniž bychom ji změnili, můžeme získat hodnotu konstanty S. Výsledky těchto akcí budou následující:
(2.3.)

Spravovaná paměťová média

Účelem fyzické vrstvy sítě je přenášet surový bitový tok z jednoho stroje na druhý. Pro přenos lze použít různá fyzická média, nazývaná také média pro šíření signálu. Každý z nich má charakteristickou sadu šířek pásma, zpoždění, ceny a snadnost instalace a použití. Média lze rozdělit do dvou skupin: řiditelná média, jako je měděný drát a kabel z optických vláken, a neřízená média, jako je rádiový přenos a přenos laserového paprsku bez kabelu.

Magnetická média

Jedním z nejjednodušších způsobů přenosu dat z jednoho počítače do druhého je zapsat je na pásku nebo jiné vyměnitelné médium (například přepisovatelné DVD), fyzicky přenést tyto pásky a disky na místo určení a tam je přečíst.
Vysoká propustnost. Standardní pásková kazeta Ultrium pojme 200 GB. Asi 1000 těchto kazet je umístěno v boxu 60x60x60, což dává celkovou kapacitu 1600 Tbit (1,6 Pbit). Krabice kazet může být odeslána v rámci USA do 24 hodin společností Federal Express nebo jinou společností. Efektivní šířka pásma pro tento přenos je 1600 Tbps/86400 s nebo 19 Gbps. Pokud je cíl vzdálený jen hodinu, pak bude propustnost přes 400 Gbps. Ani jedna počítačová síť se zatím nemůže takovým ukazatelům ani přiblížit.
Ziskovost. Velkoobchodní cena kazety je asi 40 dolarů. Krabice stuh bude stát 4000 dolarů a stejnou stuhu lze použít desítkykrát. Připočtěme 1000 USD za dopravu (ve skutečnosti mnohem méně) a dostaneme asi 5000 USD za přenos 200 TB, neboli 3 centy za gigabajt.
Nedostatky. Rychlost přenosu dat pomocí magnetických pásek je sice vynikající, ale zpoždění při takovém přenosu je velmi velké. Doba přenosu se měří v minutách nebo hodinách, nikoli v milisekundách. Mnoho aplikací vyžaduje okamžitou odezvu vzdáleného systému (v připojeném režimu).

kroucený pár

Kroucený pár se skládá ze dvou izolovaných měděných drátů s typickým průměrem 1 mm. Dráty se stáčejí jeden kolem druhého ve formě spirály. To vám umožní snížit elektromagnetickou interakci několika sousedních kroucených párů.
Aplikace - telefonní linka, počítačová síť. Dokáže přenášet signál bez útlumu výkonu na vzdálenost několika kilometrů. Na delší vzdálenosti jsou nutné opakovače. Jsou spojeny do kabelu, s ochranným povlakem. Pár vodičů je v kabelu zkroucený, aby se zabránilo překrývání signálu. Mohou být použity pro přenos analogových i digitálních dat. Šířka pásma závisí na průměru a délce drátu, ale ve většině případů lze dosáhnout několika megabitů za sekundu na vzdálenost několika kilometrů. Vzhledem k poměrně vysoké šířce pásma a nízkým nákladům jsou kroucené dvoulinky široce používány a s největší pravděpodobností budou i nadále oblíbené iv budoucnu.
Twisted pair mají několik forem, z nichž dvě jsou zvláště důležité v oblasti počítačových sítí. Kroucená dvoulinka kategorie 3 (CAT 3) se skládá ze dvou izolovaných vodičů stočených dohromady. Čtyři takové páry jsou obvykle umístěny společně v plastové skořepině.
Kroucená dvoulinka kategorie 5 (CAT 5) je podobná kroucené dvojlinkě kategorie 3, ale má více závitů na centimetr délky vodiče. To umožňuje dále snížit rušení mezi různými kanály a zajistit lepší kvalitu přenosu signálu na velké vzdálenosti (obr. 1).

Rýže. 1. UTP kategorie 3 (a), UTP kategorie 5 (b).
Všechny tyto typy připojení jsou často označovány jako UTP (unshielded twisted pair - nestíněná kroucená dvojlinka)
Stíněné kroucené dvoulinky od IBM se mimo IBM nestaly populárními.

Koaxiál

Dalším běžným prostředkem přenosu dat je koaxiální kabel. Je lépe stíněný než kroucená dvoulinka, takže může přenášet data na delší vzdálenosti vyšší rychlostí. Široce se používají dva typy kabelů. Jeden z nich, 50ohmový, se obvykle používá pro přenos výhradně digitálních dat. Jiný typ kabelu, 75-ohmový, se často používá k přenosu analogových informací, stejně jako v kabelové televizi.
Řez kabelu je znázorněn na obrázku 2.

Rýže. 2. Koaxiální kabel.
Konstrukce a speciální typ stínění koaxiálního kabelu poskytuje vysokou šířku pásma a vynikající odolnost proti rušení. Maximální propustnost závisí na kvalitě, délce a odstupu signálu od šumu linky. Moderní kabely mají šířku pásma asi 1 GHz.
Aplikace - telefonní systémy (sítě), kabelová televize, regionální sítě.

vláknová optika

Současná technologie optických vláken může dosáhnout rychlosti přenosu dat až 50 000 Gb/s (50 Tb/s) a mnoho lidí hledá lepší materiály. Dnešní praktický limit 10 Gbps je dán neschopností převádět elektrické signály na optické signály a naopak rychleji, ačkoliv již bylo v laboratorních podmínkách dosaženo 100 Gbps na jednom vlákně.
Systém přenosu dat z optických vláken se skládá ze tří hlavních součástí: zdroje světla, nosiče, kterým se šíří světelný signál, a přijímače signálu neboli detektoru. Světelný puls se považuje za jedničku a nepřítomnost pulsu se považuje za nulu. Světlo se šíří v ultratenkém skleněném vláknu. Když na něj dopadne světlo, detektor vygeneruje elektrický impuls. Připojením světelného zdroje k jednomu konci optického vlákna a detektoru ke druhému se získá jednosměrný systém přenosu dat.
Při přenosu světelného signálu se využívá vlastnosti odrazu a lomu světla při přechodu ze 2 prostředí. Když je tedy světlo přiváděno pod určitým úhlem k hranici média, světelný paprsek je zcela odražen a uzamčen ve vláknu (obr. 3).

Rýže. 3. Vlastnost lomu světla.
Existují 2 typy optických kabelů: vícevidový - přenáší paprsek světla, jednovidový - tenký na hranici několika vlnových délek, působí téměř jako vlnovod, světlo se pohybuje přímočaře bez odrazu. Dnešní jednovidové optické spoje mohou pracovat rychlostí 50 Gb/s na vzdálenost až 100 km.
V komunikačních systémech se používají tři rozsahy vlnových délek: 0,85, 1,30 a 1,55 µm.
Struktura kabelu z optických vláken je podobná jako u koaxiálního drátu. Jediný rozdíl je v tom, že první z nich nemá stínící mřížku.
Uprostřed jádra z optických vláken je skleněné jádro, kterým se šíří světlo. Multimode vlákno má průměr jádra 50 µm, což je asi tloušťka lidského vlasu. Jádro v jednovidovém vláknu má průměr 8 až 10 µm. Jádro je pokryto vrstvou skla s nižším indexem lomu než má jádro. Je navržen tak, aby spolehlivěji bránil úniku světla z jádra. Vnější vrstva je plastový plášť, který chrání zasklení. Jádra optických vláken jsou obvykle seskupena do svazků chráněných vnějším pláštěm. Obrázek 4 ukazuje třížilový kabel.

Rýže. 4. Třížilový optický kabel.
V případě přerušení lze spojení kabelových segmentů provést třemi způsoby:

Na konec kabelu lze nasadit speciální konektor, pomocí kterého se kabel zasune do optické zásuvky. Ztráta je 10-20% intenzity světla, ale usnadňuje změnu konfigurace systému.

Spojování - dva úhledně odříznuté konce kabelu se položí vedle sebe a sevřou se speciální objímkou. Lepší propustnost světla je dosažena zarovnáním konců kabelu. Ztráta - 10% světelného výkonu.

Fúze. Neexistuje prakticky žádná ztráta.

K přenosu signálu přes optický kabel lze použít dva typy světelných zdrojů: světelné diody (LED, Light Emitting Diode) a polovodičové lasery. Jejich srovnávací charakteristiky jsou uvedeny v tabulce 1.

Stůl 1.
Srovnávací tabulka využití LED a polovodičového laseru
Přijímací konec optického kabelu je fotodioda, která generuje elektrický impuls, když na něj dopadá světlo.

Srovnávací charakteristiky optického kabelu a měděného drátu.

Optické vlákno má několik výhod:

Vysoká rychlost.

Menší útlum signálu, menší výkon opakovačů (jeden na 50 km, ne 5)

Inertní vůči vnějšímu elektromagnetickému záření, chemicky neutrální.

Lehčí na váhu. 1000 měděných kroucených párů o délce 1 km váží asi 8000 kg. Pár optických kabelů váží pouze 100 kg s větší šířkou pásma

Nízké náklady na pokládku

nedostatky:

Složitost a odbornost v instalaci.

přenos v simplexním režimu, mezi sítěmi jsou vyžadovány minimálně 2 vodiče.

Bezdrátové připojení

elektromagnetické spektrum

Pohyb elektronů generuje elektromagnetické vlny, které se mohou šířit prostorem (i ve vakuu). Počet oscilací elektromagnetických oscilací za sekundu se nazývá frekvence a měří se v hertzech. Vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími maximy (nebo minimy) se nazývá vlnová délka. Tato hodnota se tradičně označuje řeckým písmenem (lambda).
Pokud je v elektrickém obvodu zahrnuta anténa vhodné velikosti, pak lze elektromagnetické vlny úspěšně přijímat přijímačem na určitou vzdálenost. Na tomto principu jsou založeny všechny bezdrátové komunikační systémy.
Ve vakuu se všechny elektromagnetické vlny šíří stejnou rychlostí, bez ohledu na jejich frekvenci. Tato rychlost se nazývá rychlost světla, - 3*108 m/s. V mědi nebo skle je rychlost světla asi 2/3 této hodnoty a také mírně závisí na frekvenci.
Vztah množství a:

Pokud je frekvence () měřena v MHz a vlnová délka () v metrech, pak.
Souhrn všech elektromagnetických vln tvoří tzv. spojité spektrum elektromagnetického záření (obr. 5). Rádio, mikrovlnné, infračervené a viditelné světlo lze použít k přenosu informací pomocí amplitudové, frekvenční nebo fázové modulace vln. Ultrafialové, rentgenové a gama záření by bylo vzhledem k vysokým frekvencím ještě lepší, ale je obtížné je generovat a modulovat, špatně proniká budovami a navíc je nebezpečné pro všechno živé. Oficiální název rozsahů je uveden v tabulce 6.

Rýže. 5. Elektromagnetické spektrum a jeho aplikace v komunikacích.
Tabulka 2
Oficiální názvy kapel ITU
Množství informací, které může elektromagnetická vlna přenést, souvisí s frekvenčním rozsahem kanálu. Moderní technologie umožňují kódovat několik bitů na hertz při nízkých frekvencích. Za určitých podmínek se toto číslo může na vysokých frekvencích zvýšit až osminásobně.
Při znalosti šířky rozsahu vlnových délek je možné vypočítat odpovídající frekvenční rozsah a datovou rychlost.

Příklad: Pro řadu 1,3 mikronových optických kabelů. Pak se ukázalo, že při 8 bps můžete získat přenosovou rychlost 240 Tbps.

Rádiová komunikace

Rádiové vlny se snadno generují, cestují na velké vzdálenosti, procházejí zdmi, obcházejí budovy a šíří se všemi směry. Vlastnosti rádiových vln závisí na frekvenci (obr. 6). Při provozu na nízkých frekvencích rádiové vlny dobře procházejí překážkami, ale síla signálu ve vzduchu prudce klesá, když se vzdalujete od vysílače. Poměr výkonu a vzdálenosti od zdroje je vyjádřen přibližně takto: 1/r2. Při vysokých frekvencích mají rádiové vlny obecně tendenci se pohybovat pouze v přímé linii a odrážet se od překážek. Navíc je pohlcuje například déšť. Rádiové signály jakékoli frekvence jsou rušeny motory zapalovacích kartáčů a jinými elektrickými zařízeními.

Rýže. 6. Vlny pásem VLF, LF, MF obcházejí drsnost zemského povrchu (a), vlny pásem HF a VHF se odrážejí od ionosféry a pohlcují zemí (b).

Komunikace v mikrovlnném dosahu

Při frekvencích nad 100 MHz se rádiové vlny šíří téměř přímočaře, takže je lze zaostřit do úzkých paprsků. Koncentrace energie ve formě úzkého paprsku pomocí parabolické antény (jako známá parabola satelitní televize) vede ke zlepšení poměru signálu k šumu, nicméně pro takové spojení jsou vysílací a přijímací antény musí být poměrně přesně namířeny na sebe.
Na rozdíl od rádiových vln s nižšími frekvencemi neprocházejí mikrovlny dobře budovami. Mikrovlnné rádio se tak široce využívalo v dálkové telefonii, mobilních telefonech, televizním vysílání a dalších oblastech, že došlo k vážnému nedostatku spektra.
Toto spojení má oproti optickému vláknu řadu výhod. Hlavním z nich je, že není třeba pokládat kabel, a proto není třeba platit za pronájem pozemků podél signální cesty. Stačí každých 50 km koupit malé pozemky a nainstalovat na ně reléové věže.

Infračervené a milimetrové vlny

Infračervené a milimetrové záření bez použití kabelu se hojně využívá pro komunikaci na krátké vzdálenosti (například dálkové ovladače). Jsou relativně směrové, levné a snadno se instalují, ale neprojdou pevnými předměty.
Komunikace v infračerveném rozsahu se používá v systémech stolních počítačů (například pro propojení notebooků s tiskárnami), ale stále nehraje významnou roli v telekomunikacích.

Komunikační satelity

Používají se družice typu E: geostacionární (GEO), střední nadmořská výška (MEO) a nízká oběžná dráha (LEO) (obr. 7).

Rýže. 7. Komunikační družice a jejich vlastnosti: výška oběžné dráhy, zpoždění, počet družic potřebných k pokrytí celého povrchu zeměkoule.

Veřejná komutovaná telefonní síť

Struktura telefonního systému

Struktura typické telefonní komunikační trasy na střední vzdálenosti je znázorněna na obrázku 8.

Rýže. 8. Typická komunikační trasa s průměrnou vzdáleností mezi účastníky.

Místní linky: modemy, ADSL, bezdrátové

Vzhledem k tomu, že počítač pracuje s digitálním signálem a místní telefonní linka je přenosem analogového signálu, používá se modemové zařízení pro převod digitálního na analogový a naopak a samotný proces se nazývá modulace / demodulace (obr. 9). .

Rýže. 9. Použití telefonní linky při přenosu digitálního signálu.
Existují 3 způsoby modulace (obr. 10):

amplitudová modulace - používají se 2 různé amplitudy signálu (pro 0 a 1),

frekvence - používá se několik různých frekvencí signálu (pro 0 a 1),

fáze - fázové posuny se používají při přechodu mezi logickými jednotkami (0 a 1). Úhly smyku - 45, 135, 225, 180.

V praxi se používají kombinované modulační systémy.

Rýže. 10. Binární signál (a); amplitudová modulace (b); frekvenční modulace (c); fázová modulace.
Všechny moderní modemy umožňují přenos dat oběma směry, tento režim provozu se nazývá duplex. Spojení se schopností sériového přenosu se nazývá poloviční duplex. Spojení, ve kterém dochází k přenosu pouze jedním směrem, se nazývá simplexní.
Maximální rychlost modemu, které lze v současnosti dosáhnout, je 56 Kb/s. standard V.90.

Digitální účastnické linky. technologie xDSL.

Poté, co rychlost přes modemy dosáhla svého limitu, začaly telefonní společnosti hledat východisko z této situace. Mnoho návrhů se tak objevilo pod obecným názvem xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - digitální účastnická linka, kde místo X mohou tam být i jiná písmena. Nejznámější technologií z těchto návrhů je ADSL (Asymmetric DSL).
Důvodem omezení rychlosti modemů bylo, že pro přenos dat využívaly rozsah přenosu lidské řeči - 300 Hz až 3400 Hz. Spolu s hraničními frekvencemi nebyla šířka pásma 3100 Hz, ale 4000 Hz.
Přestože spektrum místní telefonní linky je 1,1 Hz.
První návrh technologie ADSL využíval celé spektrum místní telefonní linky, které je rozděleno do 3 pásem:

POTS - dosah konvenční telefonní sítě;

odchozí rozsah;

vstupní rozsah.

Technologie, která používá různé frekvence pro různé účely, se nazývá frekvenční multiplexování nebo frekvenční multiplexování.
Alternativní metoda nazývaná diskrétní vícetónová modulace, DMT (Discrete MultiTone) spočívá v rozdělení celého spektra 1,1 MHz široké místní linky na 256 nezávislých kanálů po 4312,5 Hz. Kanál 0 je POTS. Kanály 1 až 5 se nepoužívají, aby hlasový signál nemohl rušit informační signál. Ze zbývajících 250 kanálů je jeden obsazen řízením přenosu směrem k poskytovateli, jeden směrem k uživateli a všechny ostatní jsou k dispozici pro přenos uživatelských dat (obr. 11).

Rýže. 11. Provoz ADSL pomocí diskrétní vícetónové modulace.
Standard ADSL umožňuje přijímat až 8 Mb/s a odesílat až 1 Mb/s. ADSL2+ - odchozí až 24 Mb/s, příchozí až 1,4 Mb/s.
Typická konfigurace zařízení ADSL obsahuje:

DSLAM - DSL přístupový multiplexer;

NID je zařízení síťového rozhraní, které odděluje vlastnictví telefonní společnosti a účastníka.

Rozbočovač (splitter) je frekvenční rozbočovač, který odděluje pásmo POTS a data ADSL.

Rýže. 12. Typická konfigurace zařízení ADSL.

Linky a těsnění

Úspora zdrojů hraje v telefonním systému důležitou roli. Náklady na pokládku a údržbu vysokokapacitní páteře a nekvalitního vedení jsou téměř stejné (to znamená, že lví podíl těchto nákladů je vynaložen na kopání příkopů, nikoli na samotný měděný nebo optický kabel).
Z tohoto důvodu telefonní společnosti spolupracovaly na vývoji několika schémat pro přenos více konverzací přes jediný fyzický kabel. Schémata multiplexování (komprese) lze rozdělit do dvou hlavních kategorií FDM (Frequency Division Multiplexing - frekvenční multiplexování) a TDM (Time Division Multiplexing - multiplexování s časovým dělením) (obr. 13).
Díky frekvenčnímu multiplexování je frekvenční spektrum rozděleno mezi logické kanály a každý uživatel získává výhradní vlastnictví svého subpásma. Při multiplexování s časovým dělením se uživatelé střídají (cyklicky) pomocí stejného kanálu a každému je dána plná kapacita kanálu na krátkou dobu.
Kanály z optických vláken využívají speciální variantu frekvenčního multiplexování. Říká se tomu multiplexování spektrálního dělení (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Rýže. 13. Příklad frekvenčního multiplexování: původní spektra 1 signálů (a), frekvenčně posunutá spektra (b), multiplexovaný kanál (c).

Přepínání

Z pohledu průměrného telefonního inženýra se telefonní systém skládá ze dvou částí: vnějšího zařízení (místní telefonní linky a svazky, mimo ústředny) a vnitřního zařízení (ústředny) umístěné na telefonní ústředně.
Jakékoli komunikační sítě podporují nějaký způsob přepojování (komunikace) svých účastníků mezi sebou. Poskytnout každé dvojici interagujících účastníků vlastní nepřepínanou fyzickou komunikační linku, kterou by si mohli dlouhodobě monopolizovat „vlastní“, je prakticky nemožné. Proto se v jakékoli síti vždy používá nějaký způsob přepínání předplatitelů, který zajišťuje dostupnost dostupných fyzických kanálů současně pro několik komunikačních relací mezi předplatiteli sítě.
V telefonních systémech se používají dvě různé techniky: přepínání okruhů a přepojování paketů.

Přepínání okruhů

Přepínání okruhů znamená vytvoření spojitého kompozitního fyzického kanálu ze sériově spojených jednotlivých kanálových sekcí pro přímý přenos dat mezi uzly. V síti s přepojováním okruhů je před přenosem dat vždy nutné provést proceduru navázání spojení, při které se vytvoří kompozitní kanál (obr. 14).

Přepínání paketů

Při přepojování paketů jsou všechny zprávy přenášené uživatelem sítě rozděleny ve zdrojovém uzlu na relativně malé části, nazývané pakety. Každý paket je opatřen hlavičkou, která specifikuje informace o adrese potřebné k doručení paketu cílovému hostiteli, stejně jako číslo paketu, které bude cílovým hostitelem použito k sestavení zprávy. Pakety jsou přenášeny po síti jako nezávislé informační bloky. Síťové přepínače přijímají pakety od koncových uzlů a na základě informací o adrese je předávají mezi sebou a nakonec do cílového uzlu (obr. 14).
atd.................

Počáteční informace, které je třeba přenést po komunikační lince, může být buď diskrétní (výstupní data počítače) nebo analogová (řeč, televizní obraz).

Přenos diskrétních dat je založen na použití dvou typů fyzického kódování:

a) analogová modulace, kdy se kódování provádí změnou parametrů sinusového nosného signálu;

b) digitální kódování změnou úrovní sekvence pravoúhlých informačních impulsů.

Analogová modulace vede k mnohem menšímu spektru výsledného signálu než u digitálního kódování, při stejné rychlosti přenosu informace, ale její implementace vyžaduje složitější a dražší zařízení.

V současné době jsou původní data, která mají analogovou formu, stále častěji přenášena komunikačními kanály v diskrétní formě (ve formě sekvence jedniček a nul), tj. probíhá diskrétní modulace analogových signálů.

analogová modulace. Používá se k přenosu diskrétních dat přes kanály s úzkou šířkou pásma, jejichž typickým představitelem je hlasový frekvenční kanál poskytovaný uživatelům telefonních sítí. Tímto kanálem jsou přenášeny signály s frekvencí 300 až 3400 Hz, to znamená, že jeho šířka pásma je 3100 Hz. Takové pásmo je zcela dostačující pro přenos řeči s přijatelnou kvalitou. Omezení šířky pásma tónového kanálu je spojeno s použitím zařízení pro multiplexování a přepínání okruhů v telefonních sítích.

Před přenosem diskrétních dat na vysílací straně pomocí modulátor-demodulátor (modem) je provedena modulace nosné sinusoidy původní sekvence binárních číslic. Inverzní konverzi (demodulaci) provádí přijímající modem.

Existují tři způsoby převodu digitálních dat do analogové formy nebo tři způsoby analogové modulace:

Amplitudová modulace, kdy se mění pouze amplituda nositele sinusových kmitů v souladu s posloupností přenášených informačních bitů: např. při vysílání jedničky je amplituda kmitání nastavena velká a při vysílání nula malá, resp. vůbec žádný nosný signál;

Frekvenční modulace, kdy se vlivem modulačních signálů (vysílaných informačních bitů) mění pouze nosná frekvence sinusových kmitů: např. při vysílání nuly je nízká a při vysílání jedničky vysoká;

Fázová modulace, kdy se v souladu s posloupností přenášených informačních bitů mění pouze fáze nositele sinusových kmitů: při přepnutí ze signálu 1 na signál 0 nebo naopak se fáze změní o 180°. Ve své čisté podobě se amplitudová modulace v praxi používá jen zřídka kvůli nízké odolnosti proti šumu. Frekvenční modulace nevyžaduje složité obvody v modemech a obvykle se používá v nízkorychlostních modemech pracujících při 300 nebo 1200 bps. Zvýšení rychlosti přenosu dat je zajištěno použitím kombinovaných modulačních metod, častěji amplitudové modulace v kombinaci s fází.

Analogová metoda diskrétního přenosu dat poskytuje širokopásmový přenos pomocí signálů různých nosných frekvencí v jednom kanálu. To zaručuje interakci velkého počtu účastníků (každá dvojice účastníků pracuje na své vlastní frekvenci).

Digitální kódování. Při digitálním kódování diskrétních informací se používají dva typy kódů:

a) potenciálové kódy, kdy se k reprezentaci informačních jednotek a nul používá pouze hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy se neberou v úvahu;

b) pulzní kódy, kdy jsou binární data reprezentována buď pulzy určité polarity, nebo potenciálními poklesy určitého směru.

Na metody digitálního kódování diskrétních informací při použití pravoúhlých impulsů k reprezentaci binárních signálů jsou kladeny následující požadavky:

Zajištění synchronizace mezi vysílačem a přijímačem;

Zajištění nejmenší šířky spektra výsledného signálu při stejné přenosové rychlosti (protože užší spektrum signálů umožňuje

sítě se stejnou šířkou pásma dosahují vyšších rychlostí

přenos dat);

Schopnost rozpoznat chyby v přenášených datech;

Relativně nízké náklady na implementaci.

Prostřednictvím fyzické vrstvy se provádí pouze rozpoznání poškozených dat (detekce chyb), což šetří čas, protože přijímač, aniž by čekal na úplné umístění přijatého rámce do vyrovnávací paměti, jej okamžitě odmítne, když rozpozná chybný bity v rámu. Složitější operaci – opravu poškozených dat – provádějí protokoly vyšší úrovně: kanál, síť, transport nebo aplikace.

Synchronizace vysílače a přijímače je nutná, aby přijímač přesně věděl, kdy má číst příchozí data. Hodinové signály naladí přijímač na přenášenou zprávu a udržují přijímač synchronizovaný s příchozími datovými bity. Problém synchronizace je snadno vyřešen při přenosu informací na krátkou vzdálenost (mezi bloky uvnitř počítače, mezi počítačem a tiskárnou) použitím samostatné komunikační linky časování: informace se čte až v okamžiku příchodu dalšího hodinového pulsu. V počítačových sítích se od používání hodinových pulsů upouští ze dvou důvodů: z důvodu úspory vodičů v drahých kabelech a z důvodu heterogenity charakteristik vodičů v kabelech (na velké vzdálenosti může nerovnoměrná rychlost šíření signálu vést k desynchronizaci hodinové impulsy v hodinovém řádku a informační impulsy v hlavním řádku, v důsledku čehož bude datový bit buď přeskočen, nebo přečten).

V současné době se synchronizace vysílače a přijímače v sítích dosahuje pomocí samosynchronizačních kódů (SC). Kódování přenášených dat pomocí SC má zajistit pravidelné a časté změny (přechody) úrovní informačního signálu v kanálu. Každý přechod úrovně signálu z vysoké na nízkou nebo naopak se používá k trimování přijímače. Nejlepší jsou ty SC, které poskytují přechod úrovně signálu alespoň jednou během časového intervalu potřebného pro příjem jednoho informačního bitu. Čím častější jsou přechody úrovně signálu, tím spolehlivější je synchronizace přijímače a tím jistější je identifikace přijímaných datových bitů.

Tyto požadavky na způsoby digitálního kódování diskrétních informací jsou do jisté míry vzájemně protichůdné, proto má každý z níže uvažovaných způsobů kódování své výhody a nevýhody oproti jiným.

Samosynchronizační kódy. Nejběžnější jsou následující SC:

Potenciální kód bez návratu na nulu (NRZ - Non Return to Zero);

Bipolární pulzní kód (RZ kód);

Manchester kód;

Bipolární kód s alternativní inverzí úrovní.

Na Obr. 32 ukazuje schémata kódování pro zprávu 0101100 používající tyto CK.

K charakterizaci a srovnání SC se používají následující ukazatele:

Úroveň (kvalita) synchronizace;

Spolehlivost (důvěra) rozpoznávání a výběru přijatých informačních bitů;

Požadovaná rychlost změny úrovně signálu v komunikační lince při použití SC, pokud je nastavena šířka pásma linky;

Složitost (a tím i cena) zařízení, které implementuje SC.

Kód NRZ se snadno kóduje a jeho implementace je nízká. Takové jméno obdržela proto, že při přenosu stejnojmenné série bitů (jedniček nebo nul) se signál během cyklu nevrátí na nulu, jako je tomu u jiných způsobů kódování. Úroveň signálu zůstává pro každou sérii nezměněna, což výrazně snižuje kvalitu synchronizace a spolehlivost rozpoznávání přijímaných bitů (časovač přijímače se může špatně sladit s příchozím signálem a může dojít k předčasnému dotazování linek).

Pro N^-kód platí následující vztahy:

kde VI je rychlost změny úrovně signálu v komunikační lince (baud);

Y2 - propustnost komunikační linky (bit/s).

Kromě toho, že tento kód nemá vlastnost samosynchronizace, má další vážnou nevýhodu: přítomnost nízkofrekvenční složky, která se při vysílání dlouhých řad jedniček nebo nul blíží nule. V důsledku toho se kód NRZ v čisté podobě v sítích nepoužívá. Uplatňují se jeho různé modifikace, při kterých odpadá špatná autosynchronizace kódu a přítomnost konstantní složky.

RZ-kód neboli bipolární pulzní kód (return-to-zero code) se liší tím, že během přenosu jednoho informačního bitu se úroveň signálu změní dvakrát, bez ohledu na to, zda se jedná o sérii bitů stejného jména nebo o střídavé bity. přenášeno. Jednotka je reprezentována impulsem jedné polarity a nula je reprezentována jinou. Každý puls trvá půl cyklu. Takový kód má vynikající samosynchronizační vlastnosti, ale náklady na jeho implementaci jsou poměrně vysoké, protože je nutné zajistit poměr

Spektrum RZ kódu je širší než spektrum potenciálních kódů. Pro své příliš široké spektrum se používá jen zřídka.

Manchester kód poskytuje změnu úrovně signálu při prezentaci každého bitu a při přenosu série bitů stejného jména dvojitou změnu. Každé opatření je rozděleno na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními kapkami, ke kterým dochází uprostřed každého cyklu. Jednotka je zakódována přechodem z nízkého do vysokého a nula je zakódována zpětným přechodem. Rychlostní poměr pro tento kód je:

Manchester kód má dobré vlastnosti automatického taktování, protože signál se změní alespoň jednou za cyklus přenosu jednoho datového bitu. Jeho šířka pásma je užší než u kódu RZ (v průměru jedenapůlkrát). Na rozdíl od bipolárního pulzního kódu, kde se pro přenos dat používají tři úrovně signálu (což je někdy velmi nežádoucí, např. v optických kabelech jsou konzistentně rozpoznány pouze dva stavy – světlo a tma), má Manchesterský kód dvě úrovně.

Manchester kód je široce používán v technologiích Ethernet a Token Ring.

Alternate Level Inversion Bipolar Code (AMI kód) je modifikací kódu NRZ. Využívá tři úrovně potenciálu – negativní, nulový a pozitivní. Jednotka je zakódována buď kladným, nebo záporným potenciálem. Pro zakódování nuly se používá nulový potenciál. Kód má dobré synchronizační vlastnosti při přenosu sérií jednotek, protože potenciál každé nové jednotky je opačný než potenciál předchozí jednotky. Při přenosu běhů nul nedochází k synchronizaci. Implementace kódu AMI je poměrně snadná. Pro něj

Při přenosu různých kombinací bitů na lince vede použití kódu AMI k užšímu spektru signálu než u kódu NRZ, a tím k vyšší propustnosti linky.

Všimněte si, že rozšířené potenciální kódy (aktualizovaný kód Manchester a kód AMI) mají užší spektrum než pulzní kódy, takže se používají ve vysokorychlostních technologiích, jako je FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Diskrétní modulace analogových signálů. Jak již bylo uvedeno, jedním z trendů ve vývoji moderních počítačových sítí je jejich digitalizace, tedy přenos signálů jakékoli povahy v digitální podobě. Zdrojem těchto signálů mohou být počítače (pro diskrétní data) nebo zařízení, jako jsou telefony, videokamery, video a audio zařízení (pro analogová data). Donedávna (před příchodem digitálních komunikačních sítí) byly v teritoriálních sítích všechny typy dat přenášeny v analogové formě a počítačová data, diskrétní povahy, byla převáděna do analogové formy pomocí modemů.

Přenos informací v analogové formě však nezlepší kvalitu přijímaných dat, pokud během přenosu došlo k výraznému zkreslení. Proto byla analogová technika pro záznam a přenos zvuku a obrazu nahrazena digitální technologií, která využívá diskrétní modulaci analogových signálů.

Diskrétní modulace je založena na vzorkování spojitých signálů jak v amplitudě, tak v čase. Jednou z široce používaných metod pro převod analogových signálů na digitální je pulzní kódová modulace (PCM), navržená v roce 1938 A.Kh. Reeves (USA).

Při použití PCM zahrnuje proces převodu tři fáze: mapování, kvantování a kódování (obr. 33).

První fází je zobrazení. Amplituda původního spojitého signálu je měřena s danou periodou, díky čemuž dochází k časové diskretizaci. V této fázi je analogový signál převeden na signály pulzní amplitudové modulace (PAM). Provedení etapy je založeno na Nyquist-Kotelnikovově teorii mapování, jejíž hlavní pozice je: pokud je analogový signál zobrazován (tj. reprezentován jako sekvence jeho diskrétních časových hodnot) v pravidelném intervalu s frekvencí alespoň dvojnásobek frekvence nejvyššího harmonického spektra původního spojitého signálu, pak bude displej obsahovat informaci dostatečnou k obnovení původního signálu. V analogové telefonii se pro přenos hlasu volí rozsah od 300 do 3400 Hz, což je dostatečné pro vysoce kvalitní přenos všech hlavních harmonických účastníků hovoru. Proto se v digitálních sítích, kde je pro přenos hlasu implementována metoda PCM, používá zobrazovací frekvence 8000 Hz (to je více než 6800 Hz, což poskytuje určitou hranici kvality).

V kroku kvantování je každému signálu IAM přidělena kvantovaná hodnota odpovídající nejbližší kvantizační úrovni. Celý rozsah změn amplitudy signálu IAM je rozdělen do 128 nebo 256 kvantizačních úrovní. Čím více úrovní kvantizace, tím přesněji je amplituda signálu IAM reprezentována kvantovanou úrovní.

Ve fázi kódování je každému kvantovanému mapování přiřazen 7bitový (pokud je počet kvantizačních úrovní 128) nebo 8bitový (pokud je počet kvantizačních úrovní 128) binární kód. Na Obr. 33 ukazuje signály 8prvkového binárního kódu 00101011 odpovídající kvantovanému signálu s úrovní 43. Při kódování pomocí 7prvkových kódů by rychlost přenosu dat na kanálu měla být 56 kbps (toto je součin zobrazovací frekvence a bitová hloubka binárního kódu) a při kódování 8-prvkových kódů - 64 Kbps. Standardem je digitální kanál 64 kbit/s, který se také nazývá základní kanál digitálních telefonních sítí.

Zařízení, které provádí tyto kroky převodu analogové hodnoty na digitální kód, se nazývá analogově-digitální převodník (ADC). Na přijímací straně se pomocí digitálně-analogového převodníku (DAC) provádí inverzní převod, tj. demodulují se digitalizované amplitudy spojitého signálu a obnoví se původní spojitá funkce času.

V moderních digitálních komunikačních sítích se používají i další metody diskrétní modulace, které umožňují reprezentovat měření hlasu v kompaktnější podobě, například jako posloupnost 4bitových čísel. Používá se také koncept převodu analogových signálů na digitální, při kterém nejsou kvantovány a následně kódovány samotné IAM signály, ale pouze jejich změny a předpokládá se, že počet kvantizačních úrovní je stejný. Je zřejmé, že taková koncepce umožňuje převod signálů s větší přesností.

Digitální metody pro záznam, reprodukci a přenos analogových informací poskytují schopnost řídit spolehlivost dat čtených z nosiče nebo přijímaných přes komunikační linku. K tomuto účelu se používají stejné metody řízení jako u počítačových dat (viz 4.9).

Přenos spojitého signálu v diskrétní formě klade přísné požadavky na synchronizaci přijímače. Pokud není synchronizace dodržena, původní signál se nesprávně obnoví, což vede ke zkreslení hlasu nebo přenášeného obrazu. Pokud snímky s měřením hlasu (nebo jinými analogovými hodnotami) přicházejí synchronně, může být kvalita hlasu poměrně vysoká. V počítačových sítích však může docházet ke zpožďování rámců jak v koncových uzlech, tak v mezilehlých spínacích zařízeních (mosty, přepínače, směrovače), což negativně ovlivňuje kvalitu přenosu hlasu. Proto se pro vysoce kvalitní přenos digitalizovaných spojitých signálů používají speciální digitální sítě (ISDN, ATM, digitální televizní sítě), ačkoli sítě Frame Relay se stále používají k přenosu vnitropodnikových telefonních hovorů, protože zpoždění přenosu rámců v nich jsou v přijatelných mezích. .

Přeslechy na blízkém konci linky – určuje odolnost kabelu proti rušení vůči vnitřním zdrojům rušení. Obvykle jsou hodnoceny ve vztahu ke kabelu sestávajícímu z několika kroucených párů, kdy vzájemné snímání jednoho páru na druhém může dosáhnout významných hodnot a vytvořit vnitřní šum úměrný užitečnému signálu.

Spolehlivost přenosu dat(neboli bitová chybovost) charakterizuje pravděpodobnost zkreslení pro každý přenášený datový bit. Důvody zkreslení informačních signálů jsou interference na lince a také omezená šířka pásma jejího průchodu. Zvýšení spolehlivosti přenosu dat je proto dosaženo zvýšením stupně odolnosti linky proti šumu, snížením úrovně přeslechů v kabelu a použitím více širokopásmových komunikačních linek.

U běžných kabelových komunikačních linek bez dodatečné ochrany proti chybám je spolehlivost přenosu dat zpravidla 10 -4 -10 -6 . To znamená, že v průměru z 10 4 nebo 10 6 přenesených bitů bude poškozena hodnota jednoho bitu.

Zařízení komunikační linky(zařízení pro přenos dat - ATD) je okrajové zařízení, které přímo připojuje počítače ke komunikační lince. Je součástí komunikační linky a obvykle pracuje na fyzické úrovni, zajišťuje vysílání a příjem signálu požadovaného tvaru a výkonu. Příklady ADF jsou modemy, adaptéry, analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky.

DTE nezahrnuje koncové datové zařízení uživatele (DTE), které generuje data pro přenos po komunikační lince a je připojeno přímo k DTE. DTE zahrnuje například LAN router. Všimněte si, že rozdělení vybavení do tříd APD a OOD je spíše podmíněné.

Na dálkových komunikačních linkách se používá mezizařízení, které řeší dva hlavní úkoly: zlepšení kvality informačních signálů (jejich tvar, výkon, trvání) a vytvoření trvalého kompozitního kanálu (průchozí kanál) pro komunikaci mezi dvěma účastníky sítě. Zprostředkující zařízení se v LCN nepoužívá, pokud délka fyzického média (kabely, rádiový vzduch) není vysoká, takže signály z jednoho síťového adaptéru do druhého lze přenášet bez přechodné obnovy jejich parametrů.

V globálních sítích je zajištěn kvalitní přenos signálu na stovky a tisíce kilometrů. Proto jsou zesilovače instalovány v určitých vzdálenostech. Pro vytvoření průchozí linky mezi dvěma účastníky se používají multiplexory, demultiplexery a přepínače.

Mezilehlé zařízení komunikačního kanálu je pro uživatele transparentní (nevšimne si toho), i když ve skutečnosti tvoří složitou síť tzv. primární síť a slouží jako základ pro budování počítačových, telefonních a jiných sítí.

Rozlišovat analogové a digitální komunikační linky, které využívají různé typy mezizařízení. V analogových linkách je zprostředkující zařízení navrženo pro zesilování analogových signálů, které mají spojitý rozsah hodnot. Ve vysokorychlostních analogových kanálech je implementována technika frekvenčního multiplexování, kdy je několik nízkorychlostních analogových předplatitelských kanálů multiplexováno do jednoho vysokorychlostního kanálu. V digitálních komunikačních kanálech, kde mají obdélníkové informační signály konečný počet stavů, mezilehlé zařízení zlepšuje tvar signálů a obnovuje jejich periodu opakování. Zajišťuje tvorbu vysokorychlostních digitálních kanálů, pracujících na principu časového multiplexování kanálů, kdy každému nízkorychlostnímu kanálu je přidělen určitý zlomek času vysokorychlostnímu kanálu.

Při přenosu diskrétních počítačových dat po digitálních komunikačních linkách je definován protokol fyzické vrstvy, protože parametry informačních signálů přenášených linkou jsou standardizovány, a když jsou přenášeny po analogových linkách, není definován, protože informační signály mají libovolný tvar a neexistují žádné požadavky.

V komunikačních sítích se používají následující režimy přenosu informací:

simplexní, kdy jsou vysílač a přijímač propojeny jedním komunikačním kanálem, kterým se informace přenáší pouze jedním směrem (to je typické pro televizní komunikační sítě);

poloviční duplex, kdy jsou dva komunikační uzly propojeny také jedním kanálem, kterým se informace přenášejí střídavě v jednom směru, poté v opačném směru (to je typické pro informační-referenční systémy, žádost-odpověď);

duplexní, kdy jsou dva komunikační uzly propojeny dvěma kanály (dopředný komunikační kanál a zpětný), kterými jsou informace současně přenášeny v opačných směrech. Duplexní kanály se používají v systémech s rozhodovací a informační zpětnou vazbou.

Spínané a vyhrazené komunikační kanály. V TSS jsou vyhrazené (nepřepínané) komunikační kanály a kanály s přepínáním po dobu přenosu informace těmito kanály.

Při použití vyhrazených komunikačních kanálů je zařízení transceiveru komunikačních uzlů neustále vzájemně propojeno. Tím je zajištěna vysoká připravenost systému na přenos informací, vyšší kvalita komunikace a podpora velkého objemu provozu. Vzhledem k relativně vysokým nákladům na provoz sítí s vyhrazenými komunikačními kanály je jejich ziskovosti dosaženo pouze při plném vytížení kanálů.

Komutované komunikační kanály vytvořené pouze po dobu přenosu fixního množství informací se vyznačují vysokou flexibilitou a relativně nízkou cenou (s malým objemem provozu). Nevýhody těchto kanálů jsou: ztráta času na přepínání (pro navázání komunikace mezi účastníky), možnost blokování z důvodu vytíženosti jednotlivých úseků komunikační linky, nižší kvalita komunikace, vysoké náklady při značném objemu provozu.

Počáteční informace, které je třeba přenést po komunikační lince, může být buď diskrétní (výstupní data počítače) nebo analogová (řeč, televizní obraz).

Diskrétní přenos dat je založen na použití dvou typů fyzického kódování:

A) analogová modulace když se kódování provádí změnou parametrů sinusového nosného signálu;

b) digitální kódování změnou úrovní sekvence pravoúhlých informačních impulsů.

V současné době jsou počáteční data, která mají analogovou podobu, stále častěji přenášena komunikačními kanály v diskrétní podobě (ve formě sekvence jedniček a nul), tzn. diskrétní modulace analogové signály.

Analogová modulace. Používá se k přenosu diskrétních dat přes kanály s úzkou šířkou pásma, jejichž typickým představitelem je hlasový frekvenční kanál poskytovaný uživatelům telefonních sítí. Tímto kanálem jsou přenášeny signály s frekvencí 300 až 3400 Hz, to znamená, že jeho šířka pásma je 3100 Hz. Takové pásmo je zcela dostačující pro přenos řeči s přijatelnou kvalitou. Omezení šířky pásma tónového kanálu je spojeno s použitím zařízení pro multiplexování a přepínání okruhů v telefonních sítích.

Existují tři způsoby převodu digitálních dat do analogové formy nebo tři způsoby analogové modulace:

frekvenční modulace, kdy se vlivem modulačních signálů (přenášených informačních bitů) mění pouze frekvence nositele sinusových kmitů: např. při vysílání nuly je nízká a při vysílání jedničky vysoká;

fázová modulace, kdy se v souladu s posloupností přenášených informačních bitů mění pouze fáze nositele sinusových kmitů: při přepnutí ze signálu 1 na signál 0 nebo naopak se fáze změní o 180°.

Ve své čisté podobě se amplitudová modulace v praxi používá jen zřídka kvůli nízké odolnosti proti šumu. Frekvenční modulace nevyžaduje složité obvody v modemech a obvykle se používá v nízkorychlostních modemech pracujících při 300 nebo 1200 bps. Zvýšení rychlosti přenosu dat je zajištěno použitím kombinovaných modulačních metod, častěji amplitudové modulace v kombinaci s fází.

Digitální kódování. Při digitálním kódování diskrétních informací se používají dva typy kódů:

a) potenciálové kódy, kdy se k reprezentaci informačních jednotek a nul používá pouze hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy se neberou v úvahu;

b) pulzní kódy, kdy jsou binární data reprezentována buď pulzy určité polarity, nebo potenciálními poklesy určitého směru.

Na metody digitálního kódování diskrétních informací při použití pravoúhlých impulsů k reprezentaci binárních signálů jsou kladeny následující požadavky:

zajištění synchronizace mezi vysílačem a přijímačem;

Poskytování nejmenší šířky spektra výsledného signálu při stejné přenosové rychlosti (protože užší spektrum signálů umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti na lince se stejnou šířkou pásma);

schopnost rozpoznat chyby v přenášených datech;

Relativně nízké náklady na realizaci.

V současné době se synchronizace vysílače a přijímače v sítích dosahuje pomocí samosynchronizační kódy(SK). Kódování přenášených dat pomocí SC má zajistit pravidelné a časté změny (přechody) úrovní informačního signálu v kanálu. Každý přechod úrovně signálu z vysoké na nízkou nebo naopak se používá k trimování přijímače. Nejlepší jsou ty SC, které poskytují přechod úrovně signálu alespoň jednou během časového intervalu potřebného pro příjem jednoho informačního bitu. Čím častější jsou přechody úrovně signálu, tím spolehlivější je synchronizace přijímače a tím jistější je identifikace přijímaných datových bitů.

Samosynchronizační kódy. Nejběžnější jsou následující SC:

potenciální kód bez návratu na nulu (NRZ - Non Return to Zero);

bipolární pulzní kód (RZ-kód);

Manchesterský kód

· bipolární kód se střídavou inverzí úrovní.

Na Obr. 32 ukazuje schémata kódování pro zprávu 0101100 používající tyto CK.

Rýže. 32. Schémata kódování zpráv používající samosynchronizační kódy

Pro přenos diskrétních dat po komunikačních linkách s úzkým frekvenčním pásmem, analogová modulace. Typickým představitelem takových linek je hlasová komunikační linka zpřístupněná uživatelům veřejných telefonních sítí. Tato komunikační linka přenáší analogové signály ve frekvenčním rozsahu od 300 do 3400 Hz (proto je šířka pásma linky 3100 Hz). Přísné omezení šířky pásma komunikačních linek je v tomto případě spojeno s použitím zařízení pro multiplexování a přepínání okruhů v telefonních sítích.

Zařízení, které plní funkce modulace nosné sinusoidy na vysílací straně a demodulace na přijímací straně, se nazývá modem (modulátor-demodulátor).

Analogová modulace je metoda fyzického kódování, ve které jsou informace kódovány změnou amplitudy, frekvence nebo fáze sinusový signál nosné frekvence. V amplitudové modulace pro logickou jedničku se volí jedna úroveň amplitudy sinusoidy nosné frekvence a pro logickou nulu jiná. Tato metoda se v praxi ve své čisté podobě používá jen zřídka kvůli nízké odolnosti vůči šumu, ale často se používá v kombinaci s jinými typy modulace. V frekvenční modulace hodnoty 0 a 1 původních dat jsou přenášeny sinusoidami s různými frekvencemi . Tento způsob modulace nevyžaduje složitou modemovou elektroniku a obvykle se používá v nízkorychlostních modemech pracujících při 300 nebo 1200 bps. V fázová modulace datové hodnoty 0 a 1 odpovídají signálům stejné frekvence, ale různé fáze, například 0 a 180 stupňů nebo 0, 90, 180 a 270 stupňů. U vysokorychlostních modemů se často používají kombinované způsoby modulace, zpravidla amplituda v kombinaci s fází. Pro zvýšení datové rychlosti se používají kombinované modulační metody. Nejběžnější metody jsou Kvadraturní amplitudová modulace-QAM). Tyto metody jsou založeny na kombinaci fázové modulace s 8 hodnotami fázového posunu a amplitudové modulace se 4 úrovněmi amplitudy. Není však použito všech možných 32 kombinací signálů. Taková redundance kódování je vyžadována, aby modem rozpoznal chybné signály, které jsou výsledkem zkreslení v důsledku rušení, které je na telefonních kanálech (zejména přepínaných) velmi významné z hlediska amplitudy a dlouhého času.

V digitální kódování používají se diskrétní informace potenciál a impuls kódy. V potenciál V kódech se k reprezentaci logických jedniček a nul používá pouze hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy, které tvoří úplné impulsy, se neberou v úvahu. Puls kódy umožňují binární data reprezentovat buď impulsy určité polarity, nebo částí impulsu - potenciálním poklesem určitého směru.

Při použití pravoúhlých impulsů pro přenos diskrétní informace je nutné zvolit způsob kódování, který by současně dosáhl několika cílů: mít co nejmenší šířku spektra výsledného signálu při stejné přenosové rychlosti; zajišťovala synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem; měl schopnost rozpoznat chyby; měla nízké náklady na realizaci.

Užší spektrum signálu umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti dat na stejné lince (se stejnou šířkou pásma). Je potřeba synchronizace vysílače a přijímače, aby přijímač přesně věděl, v jakém časovém okamžiku je potřeba načíst nové informace z komunikační linky. Tento problém se v sítích řeší obtížněji než při komunikaci mezi zařízeními v těsné blízkosti, například mezi zařízeními uvnitř počítače nebo mezi počítačem a tiskárnou. Na krátké vzdálenosti funguje dobře schéma založené na samostatné taktovací komunikační lince a informace se z datové linky odstraní až v okamžiku příchodu hodinového impulsu. V sítích způsobuje použití tohoto schématu potíže kvůli heterogenitě charakteristik vodičů v kabelech. Na velké vzdálenosti může zvlnění rychlosti signálu způsobit, že hodiny přijdou tak pozdě nebo příliš brzy pro odpovídající datový signál, že je datový bit přeskočen nebo znovu načten. Dalším důvodem, proč sítě odmítají používat hodinové impulsy, je úspora vodičů v drahých kabelech. Proto sítě využívají tzv samosynchronizační kódy, jejichž signály nesou pro vysílač indikaci, v jakém časovém okamžiku je nutné rozpoznat další bit (nebo několik bitů, pokud je kód orientován na více než dva stavy signálu). Jakýkoli prudký pokles signálu – tzv přední- může sloužit jako dobrá indikace pro synchronizaci přijímače s vysílačem. Při použití sinusoid jako nosného signálu má výsledný kód vlastnost samosynchronizace, protože změna amplitudy nosné frekvence umožňuje přijímači určit okamžik, kdy se objeví vstupní kód.

Rozpoznání a oprava zkreslených dat je obtížné implementovat pomocí fyzické vrstvy, proto tuto práci nejčastěji provádějí protokoly, které leží výše: kanál, síť, transport nebo aplikace. Na druhé straně rozpoznávání chyb na fyzické vrstvě šetří čas, protože přijímač nečeká na úplné umístění rámce do vyrovnávací paměti, ale odmítne jej okamžitě po rozpoznání chybných bitů v rámci.

Požadavky na metody kódování jsou vzájemně protichůdné, takže každá z níže diskutovaných populárních metod digitálního kódování má své výhody a nevýhody ve srovnání s ostatními.

Jedna z nejjednodušších metod potenciál kódování je unipolární potenciální kód, nazývané také kódování bez návratu na nulu (Non Return to Zero-NRZ) (obr.7.1.a). Příjmení odráží skutečnost, že při vysílání sekvence jedniček se signál během cyklu nevrátí na nulu. Metoda NRZ má dobrou detekci chyb (díky dvěma ostře odlišným potenciálům), ale nemá vlastnost samosynchronizace. Při vysílání dlouhé sekvence jedniček nebo nul se řádkový signál nemění, takže přijímač není schopen ze vstupního signálu určit časové body, kdy je potřeba data znovu přečíst. I s vysoce přesným generátorem hodin může přijímač udělat chybu s okamžikem pořízení dat, protože frekvence obou generátorů nejsou téměř nikdy zcela totožné. Proto při vysokých datových rychlostech a dlouhých sekvencích jedniček nebo nul může malý nesoulad hodinových frekvencí vést k chybě v celém hodinovém cyklu a v důsledku toho ke čtení nesprávné bitové hodnoty.

a B c d e f

Rýže. 7.1. Metody kódování binárních dat: a-unipolární potenciál-

sociální kodex; b- bipolární potenciální kód; v- unipolární im-

pulzní kód; G -bipolární pulzní kód; d-kód "Manchester";

E- potenciální kód se čtyřmi úrovněmi signálu.

Další vážnou nevýhodou metody NRZ je přítomnost nízkofrekvenční složky, která se při vysílání dlouhých sekvencí jedniček nebo nul blíží nule. Z tohoto důvodu mnoho komunikačních linek, které neposkytují přímé galvanické spojení mezi přijímačem a zdrojem, nepodporuje tento typ kódování. Díky tomu se v sítích nepoužívá kód NRZ v čisté podobě, ale používají se jeho různé modifikace, ve kterých odpadá jak špatná autosynchronizace kódu NRZ, tak přítomnost konstantní složky.

Jednou z modifikací metody NRZ je metoda kódování bipolárního potenciálu s alternativní inverzí (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI). Při této metodě ( rýže. 7.1.b) používají se tři úrovně potenciálu – záporná, nulová a kladná. Pro kódování logické nuly se používá nulový potenciál a logická jednotka je kódována buď kladným potenciálem nebo záporným potenciálem (v tomto případě je potenciál každé nové jednotky opačný než potenciál předchozí). Kód AMI částečně eliminuje DC a nedostatek problémů se samočasováním, které jsou vlastní kódu NRZ. K tomu dochází při odesílání dlouhých sekvencí jedniček. V těchto případech je signál na lince sled bipolárních pulzů se stejným spektrem jako kód NRZ vysílající střídavé nuly a jedničky, tedy bez konstantní složky a se základní harmonickou N/2 Hz (kde N je datová přenosová rychlost). Dlouhé sekvence nul jsou také nebezpečné pro kód AMI, stejně jako pro kód NRZ - signál degeneruje do konstantního potenciálu nulové amplitudy. Obecně platí, že pro různé kombinace bitů na lince vede použití kódu AMI k užšímu spektru signálu než u kódu NRZ, a tedy k vyšší propustnosti linky. Například při vysílání střídavých jedniček a nul má základní harmonická f 0 frekvenci N/4 Hz. Kód AMI také poskytuje některé funkce pro rozpoznání chybných signálů. Porušení přísného střídání polarity signálů tedy indikuje falešný impuls nebo vymizení správného impulsu z vedení. Je volán signál s nesprávnou polaritou zakázaný signál (narušení signálu). Protože kód AMI nepoužívá dvě, ale tři úrovně signálu na linku, další úroveň vyžaduje zvýšení výkonu vysílače pro zajištění stejné bitové věrnosti na lince, což je obecná nevýhoda kódů s více stavy signálu ve srovnání s kódy, které pouze rozlišit dva stavy.

Nejjednodušší metody impulsivní kódování jsou unipolární pulzní kód, ve kterém je jedna reprezentována hybností a nula je reprezentována její nepřítomností ( rýže. 7,1v), a bipolární pulzní kód, ve kterém je jednotka reprezentována impulsem jedné polarity a nula je druhá ( rýže. 7,1 g). Každý puls trvá půl cyklu. Bipolární pulsní kód má dobré vlastnosti automatického taktování, ale složka stejnosměrného pulsu může být přítomna například při vysílání dlouhé sekvence jedniček nebo nul. Jeho spektrum je navíc širší než spektrum potenciálních kódů. Takže při vysílání všech nul nebo jedniček bude frekvence základní harmonické kódu rovna N Hz, což je dvakrát vyšší než základní harmonická kódu NRZ a čtyřikrát vyšší než základní harmonická kódu AMI. při vysílání střídavých jedniček a nul. Kvůli příliš širokému spektru se bipolární pulzní kód používá jen zřídka.

V lokálních sítích byl donedávna nejrozšířenější metodou kódování tzv. Manchester kód"(rýže. 7.1e). V manchesterském kódu se ke kódování jedniček a nul používá potenciálový pokles, tedy přední část pulsu. V kódování Manchester jsou každé hodiny rozděleny na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními kapkami, ke kterým dochází uprostřed každého cyklu. Jednotka je zakódována přechodem z nízkého do vysokého a nula je zakódována zpětným přechodem. Na začátku každého cyklu se může objevit hrana servisního signálu, pokud potřebujete reprezentovat několik jedniček nebo nul v řadě. Vzhledem k tomu, že se signál změní alespoň jednou za přenosový cyklus jednoho datového bitu, má kód Manchester dobré vlastnosti automatického taktování. Šířka pásma manchesterského kódu je užší než u bipolárního pulzu. Také nemá stejnosměrnou složku a základní harmonická má v nejhorším případě (při vysílání posloupnosti jedniček nebo nul) frekvenci N Hz a v lepším případě (při vysílání střídavých jedniček a nul) je rovna na N / 2 Hz, jako v kódech AMI nebo NRZ. V průměru je šířka pásma manchesterského kódu jedenapůlkrát užší než u bipolárního pulzního kódu a základní harmonická osciluje kolem 3N/4. Další výhodou Manchesterského kódu je, že má pouze dvě úrovně signálu, zatímco bipolární pulzní kód má tři.

Existují také potenciální kódy s velkým počtem úrovní signálu pro kódování dat. Jako příklad, ( obr. 7.1e) potenciální kód 2B1Q se čtyřmi úrovněmi signálu pro kódování dat. V tomto kódu jsou každé dva bity přenášeny v jednom cyklu signálem, který má čtyři stavy. Dvojici bitů "00" odpovídá potenciál -2,5 V, dvojici bitů "01" - potenciál -0,833 V, dvojici bitů "11" - potenciálu +0,833 V a dvojici bitů bity "10" - potenciál +2,5 V. Tento způsob kódování vyžaduje další opatření, aby se vypořádal s dlouhými sekvencemi identických párů bitů, od té doby se signál změní na konstantní složku. Při náhodném prokládání bitů je spektrum signálu dvakrát užší než u kódu NRZ (při stejné bitové rychlosti se doba cyklu zdvojnásobí). S použitím prezentovaného kódu 2B1Q je tedy možné přenášet data po stejné lince dvakrát rychleji než pomocí kódu AMI. Pro jeho realizaci však musí být výkon vysílače vyšší, aby byly čtyři úrovně přijímačem jasně rozlišeny na pozadí rušení.

Chcete-li zlepšit potenciální kódy jako AMI a 2B1Q, logické kódování. Logické kódování je navrženo tak, aby nahradilo dlouhé sekvence bitů, což vede ke konstantnímu potenciálu, proloženému jedničkami. Pro logické kódování jsou charakteristické dvě metody - nadbytečné kódy a kódování.

Redundantní kódy jsou založeny na rozdělení původní sekvence bitů na části, které se často nazývají znaky. Poté je každý původní znak nahrazen novým, který má více bitů než původní. Například logický kód 4B/5B nahrazuje původní 4bitové znaky 5bitovými znaky. Protože výsledné symboly obsahují redundantní bity, celkový počet bitových kombinací v nich je větší než v původních. Takže v kódu 4B / 5B mohou výsledné symboly obsahovat 32 bitových kombinací, zatímco původní symboly - pouze 16. Proto ve výsledném kódu můžete vybrat 16 takových kombinací, které neobsahují velké množství nul a spočítat zbytek zakázané kódy (porušení kódu). Kromě odstranění DC a automatické synchronizace kódu umožňují redundantní kódy přijímači rozpoznat poškozené bity. Pokud přijímač přijme zakázaný kód, znamená to, že signál byl na lince zkreslený. 4V/5V kód je přenášen po lince pomocí fyzického kódování pomocí jedné z potenciálních metod kódování, která je citlivá pouze na dlouhé sekvence nul. Kódové symboly 4V/5V o délce 5 bitů zaručují, že se na lince nemohou vyskytnout více než tři nuly za sebou pro jakoukoli jejich kombinaci. Písmeno B v kódovém názvu znamená, že elementární signál má 2 stavy (z anglického binární - binární). Existují také kódy se třemi stavy signálu, například v kódu 8B / 6T se pro zakódování 8 bitů počáteční informace používá kód 6 signálů, z nichž každý má tři stavy. Redundance kódu 8B/6T je vyšší než u kódu 4B/5B, protože existuje 729 (3 až 6) výsledných symbolů pro 256 zdrojových kódů. Použití vyhledávací tabulky je velmi jednoduchá operace, takže tento přístup nekomplikuje síťové adaptéry a bloky rozhraní přepínačů a směrovačů (viz. sekce 9,11).

Pro zajištění dané kapacity linky musí vysílač využívající redundantní kód pracovat se zvýšenou hodinovou frekvencí. Takže pro přenos 4V / 5V kódů rychlostí 100 Mbps musí vysílač pracovat na hodinové frekvenci 125 MHz. V tomto případě je spektrum signálu na lince rozšířeno ve srovnání s případem, kdy je po lince přenášen čistý, neredundantní kód. Přesto se spektrum redundantního potenciálního kódu ukazuje být užší než spektrum manchesterského kódu, což ospravedlňuje dodatečnou fázi logického kódování, stejně jako provoz přijímače a vysílače při zvýšené hodinové frekvenci.

Další způsob logického kódování je založen na předběžném „promíchání“ výchozí informace tak, aby se pravděpodobnosti výskytu jedniček a nul na řádku přiblížily. Jsou volána zařízení nebo bloky, které provádějí tuto operaci scramblery(rvačka - skládka, neuspořádaná montáž). V škrábání používá se dobře známý algoritmus, takže přijímač, který přijal binární data, je odešle dekódovač, který obnoví původní bitovou sekvenci. Přebytečné bity se po lince nepřenášejí. Vylepšená potenciální redundance a zakódované kódy se používají v moderních vysokorychlostních síťových technologiích namísto "Manchester" a bipolárního pulzního kódování.

7.6. Technologie multiplexování komunikační linky

Pro multiplexování("zhutňování") komunikačních linek se používá několik technologií. Technika frekvencemultiplexování(Multiplexování s frekvenčním dělením - FDM) byl původně vyvinut pro telefonní sítě, ale používá se také pro jiné typy sítí, jako jsou sítě kabelové televize. Tato technologie předpokládá přenos signálů každého účastnického kanálu do jeho vlastního frekvenčního rozsahu a současný přenos signálů z několika účastnických kanálů v jedné širokopásmové komunikační lince. Například vstupy FDM přepínače přijímají počáteční signály od účastníků telefonní sítě. Přepínač provádí frekvenční překlad každého kanálu v jeho vlastním frekvenčním pásmu. Typicky je vysokofrekvenční rozsah rozdělen do pásem, která jsou přidělena pro přenos dat z účastnických kanálů. V komunikační lince mezi dvěma FDM přepínači jsou současně přenášeny signály všech účastnických kanálů, ale každý z nich zaujímá své vlastní frekvenční pásmo. Výstupní FDM spínač odděluje modulované signály každé nosné frekvence a přenáší je do odpovídajícího výstupního kanálu, ke kterému je přímo připojen účastnický telefon. Přepínače FDM mohou provádět dynamické i trvalé přepínání. Při dynamickém přepojování jeden předplatitel zahájí spojení s dalším předplatitelem odesláním volaného předplatitelského čísla do sítě. Přepínač dynamicky přiděluje jedno z volných pásem tomuto účastníkovi. Při neustálém přepínání je pásmo přiděleno účastníkovi na dlouhou dobu. Princip přepínání na základě frekvenčního oddělení zůstává v sítích jiného typu nezměněn, mění se pouze hranice pásem přidělených samostatnému účastnickému kanálu a jejich počet.

Technologie multiplexovánísdílení času(Multiplexování s časovým dělením - TDM) nebo dočasný multiplexování je založeno na použití TDM zařízení (multiplexory, přepínače, demultiplexery) pracujících v režimu sdílení času, obsluhující všechny účastnické kanály postupně během cyklu. Každému připojení je přidělen jeden časový úsek hardwarového provozního cyklu, který se také nazývá Chvilka. Trvání časového úseku závisí na počtu předplatitelských kanálů obsluhovaných zařízením. Sítě TDM mohou podporovat obojí dynamický, nebo konstantní přepínání a někdy oba tyto režimy.

Sítě s dynamické spínání vyžadovat předběžný postup pro navázání spojení mezi účastníky. K tomu je adresa volaného účastníka přenášena do sítě, která prochází přepínači a konfiguruje je pro následný přenos dat. Požadavek na spojení je směrován z jednoho přepínače do druhého a nakonec se dostane k volanému. Síť může odmítnout navázání spojení, pokud je kapacita požadovaného výstupního kanálu již vyčerpána. U FDM přepínače je výstupní kapacita rovna počtu frekvenčních pásem a u TDM přepínače je rovna počtu časových slotů, do kterých je rozdělen provozní cyklus kanálu. Síť také odmítne připojení, pokud požadovaný účastník již navázal spojení s někým jiným. V prvním případě říkají, že přepínač je zaneprázdněn a ve druhém - účastník. Nevýhodou způsobu přepínání okruhů je možnost selhání spojení. Pokud lze navázat spojení, pak je mu přidělena pevná šířka pásma v sítích FDM nebo pevná šířka pásma v sítích TDM. Tyto hodnoty zůstávají nezměněny po celou dobu připojení. Zaručená propustnost sítě po navázání spojení je důležitou funkcí vyžadovanou pro aplikace, jako je přenos hlasu a videa nebo řízení objektů v reálném čase.

Pokud existuje pouze jeden fyzický komunikační kanál, například při výměně dat pomocí modemů po telefonní síti, je duplexní provoz organizován na základě rozdělení kanálu na dva logické subkanály pomocí technologií FDM nebo TDM. Při použití technologie FDM pracují modemy pro organizaci duplexního provozu na dvouvodičové lince na čtyřech frekvencích (dvě frekvence pro kódování jedniček a nul při přenosu dat v jednom směru a další dvě frekvence pro kódování při přenosu v opačném směru). V technologii TDM se některé časové sloty používají k přenosu dat jedním směrem a některé se používají k přenosu dat druhým směrem. Obvykle se střídají časové úseky opačných směrů.

V optických kabelech pro organizaci duplexního provozu při použití pouze jednoho optického vlákna se přenos dat v jednom směru provádí pomocí světelného paprsku jedné vlnové délky a v opačném směru - jiné vlnové délky. Tato technologie v podstatě souvisí s metodou FDM, ale u optických kabelů se nazývá technologie vlnového multiplexování(Multiplexování s vlnovým dělením - WDM) nebo mávat multiplexování.

Technikahustá vlna(spektrální) multiplexování(Dense Wave Division Multiplexing - DWDM) je navržen tak, aby vytvořil novou generaci optických páteřních sítí pracujících při multigigabitových a terabitových rychlostech. Takový kvalitativní skok ve výkonu je poskytován díky skutečnosti, že informace v optickém vláknu jsou přenášeny současně velkým počtem světelných vln. Sítě DWDM fungují na principu přepínání okruhů, přičemž každá světelná vlna představuje samostatný spektrální kanál a nese svou vlastní informaci. Jednou z hlavních výhod technologie DWDM je výrazné zvýšení faktoru využití frekvenčního potenciálu optického vlákna, jehož teoretická šířka pásma je 25 000 GHz.

souhrn

V moderních telekomunikačních systémech se informace přenášejí prostřednictvím elektromagnetických vln – elektrických, světelných nebo rádiových signálů.

Komunikační linky, v závislosti na typu fyzického média pro přenos informací, mohou být kabelové (drátové) nebo bezdrátové. Jako komunikační linky se používají telefonní kabely na bázi paralelních nekroucených vodičů, koaxiální kabely, kabely na bázi kroucených párů vodičů (nestíněné i stíněné), kabely z optických vláken. Nejúčinnější dnes a perspektivní v blízké budoucnosti jsou kabely založené na kroucených párech vodičů a optických kabelech. Bezdrátové komunikační linky jsou nejčastěji realizovány přenosem rádiových signálů v různých pásmech rádiových vln. Technologie infračervené bezdrátové komunikace využívá část elektromagnetického spektra mezi viditelným světlem a nejkratšími mikrovlnami. Nejrychlejší a nejodolnější proti šumu je laserová technologie bezdrátové komunikace.

Hlavní charakteristiky komunikačních linek jsou frekvenční charakteristika, šířka pásma a útlum při určité frekvenci.

Propustnost komunikační linky charakterizuje maximální možnou rychlost přenosu dat po ní. Odolnost komunikační linky proti rušení určuje její schopnost snižovat úroveň rušení generovaného ve vnějším prostředí na vnitřních vodičích. Spolehlivost přenosu dat charakterizuje pravděpodobnost zkreslení pro každý přenášený bit dat.

Reprezentace diskrétních informací v té či oné formě signálů aplikovaných na komunikační linku se nazývá fyzické kódování. Logické kódování zahrnuje nahrazení bitů původní informace novou bitovou sekvencí, která nese stejnou informaci, ale má další vlastnosti.

Pro přenos diskrétních dat po komunikačních linkách s úzkým frekvenčním pásmem se používá analogová modulace, ve které jsou informace zakódovány změnou amplitudy, frekvence nebo fáze sinusového nosného frekvenčního signálu. Při digitálním kódování diskrétních informací se používají potenciální a impulsní kódy. Pro multiplexování komunikačních linek se používají technologie frekvenčního, časového a vlnového multiplexování.

Kontrolní otázky a úkoly

1. Uveďte klasifikaci komunikačních linek.

2. Popište nejběžnější kabelové komunikační linky.

3. Uveďte hlavní bezdrátové komunikační linky a uveďte jejich srovnávací charakteristiky.

4. Jakými fyzikálními faktory komunikační kanály zkreslují přenášené signály?

5. Jaká je amplitudově-frekvenční charakteristika komunikačního kanálu?

6. V jakých jednotkách se měří šířka pásma komunikačního kanálu?

7. Popište pojem "odolnost vůči rušení komunikační linky."

8. Co určuje charakteristickou „spolehlivost přenosu dat“ a v jakých jednotkách se měří?

9. Co je to "analogová modulace" a jaké typy se používají k přenosu diskrétních dat?

10. Jaké zařízení plní funkce modulace nosné sinusoidy na vysílací straně a její demodulace na přijímací straně?

11. Uveďte rozdíl mezi potenciálním a impulsním kódováním digitálních signálů.