Pārsūtīšanas metodes fiziskajā slānī. Diskrētu datu pārsūtīšana fiziskajā slānī

2. tēma. Fiziskais slānis

Plāns

Datu pārraides teorētiskie pamati

Informāciju var pārsūtīt pa vadiem, mainot kādu fizisku lielumu, piemēram, spriegumu vai strāvu. Sprieguma vai strāvas vērtību attēlojot kā vienvērtīgu laika funkciju, ir iespējams modelēt signāla uzvedību un pakļaut to matemātiskai analīzei.

Furjē sērija

19. gadsimta sākumā franču matemātiķis Žans Batists Furjē pierādīja, ka jebkuru periodisku funkciju ar periodu T var izvērst virknē (iespējams, bezgalīgā), kas sastāv no sinusu un kosinusu summām:
(2.1)
kur ir pamata frekvence (harmonika) un ir n-tās harmonikas sinusu un kosinusu amplitūdas, un c ir konstante. Šādu paplašinājumu sauc par Furjē sēriju. Furjē sērijā paplašināto funkciju var atjaunot ar šīs rindas elementiem, tas ir, ja ir zināms periods T un harmoniku amplitūdas, tad sākotnējo funkciju var atjaunot, izmantojot rindas summu (2.1).
Informācijas signālu, kuram ir ierobežots ilgums (visiem informācijas signāliem ir ierobežots ilgums), var izvērst Furjē sērijā, ja iedomājamies, ka viss signāls bezgalīgi atkārtojas atkal un atkal (tas ir, intervāls no T līdz 2T pilnībā atkārto intervāls no 0 līdz T utt.).
Amplitūdas var aprēķināt jebkurai noteiktai funkcijai. Lai to izdarītu, vienādojuma (2.1) kreisā un labā puse jāreizina ar un pēc tam jāintegrē no 0 līdz T. Tā kā:
(2.2)
no sērijas palicis tikai viens dalībnieks. Līnija pilnībā pazūd. Līdzīgi, reizinot vienādojumu (2.1) ar un laika gaitā integrējot no 0 līdz T, var aprēķināt vērtības. Ja mēs integrējam abas vienādojuma daļas, to nemainot, mēs varam iegūt konstantes vērtību Ar. Šo darbību rezultāti būs šādi:
(2.3.)

Pārvaldīts datu nesējs

Tīkla fiziskā slāņa mērķis ir pārsūtīt neapstrādātu bitu straumi no vienas iekārtas uz otru. Pārraidīšanai var izmantot dažādus fiziskos datu nesējus, ko sauc arī par signāla izplatīšanas nesējiem. Katram no tiem ir raksturīgs joslas platuma, aizkaves, cenu un uzstādīšanas un lietošanas vienkāršības kopums. Datus var iedalīt divās grupās: vadāmi datu nesēji, piemēram, vara stieple un optiskās šķiedras kabelis, un nevadāmi datu nesēji, piemēram, radio un lāzera staru pārraide bez kabeļa.

Magnētiskie datu nesēji

Viens no vienkāršākajiem veidiem, kā pārsūtīt datus no viena datora uz citu, ir ierakstīt tos lentē vai citā noņemamā datu nesējā (piemēram, atkārtoti ierakstāmā DVD), fiziski pārsūtīt šīs lentes un diskus uz galamērķi un nolasīt tos tur.
Augsta caurlaidspēja. Standarta Ultrium lentes kasetnē ir 200 GB. Aptuveni 1000 no šīm kasetēm ir ievietotas 60x60x60 kastē, kas nodrošina kopējo ietilpību 1600 Tbit (1,6 Pbit). Federal Express vai cits uzņēmums kasešu kasti var nosūtīt ASV 24 stundu laikā. Šīs pārraides efektīvais joslas platums ir 1600 Tbps/86400 s jeb 19 Gbps. Ja galamērķis atrodas tikai stundas attālumā, caurlaidspēja būs virs 400 Gbps. Neviens datortīkls vēl nespēj pat pietuvoties šādiem rādītājiem.
Rentabilitāte. Kasetes vairumtirdzniecības cena ir aptuveni 40 USD. Kastīte ar lentēm maksās 4000 USD, un vienu un to pašu lenti var izmantot desmitiem reižu. Pievienosim 1000 USD par piegādi (faktiski daudz mazāk) un saņemsim aptuveni 5000 USD par 200 TB pārsūtīšanu jeb 3 centus par gigabaitu.
Trūkumi. Lai gan datu pārsūtīšanas ātrums, izmantojot magnētiskās lentes, ir lielisks, tomēr aizkaves apjoms šādā pārsūtīšanā ir ļoti liels. Pārsūtīšanas laiks tiek mērīts minūtēs vai stundās, nevis milisekundēs. Daudzām lietojumprogrammām ir nepieciešama tūlītēja atbilde no attālās sistēmas (savienotā režīmā).

vītā pāra

Vītā pāra sastāv no diviem izolētiem vara vadiem, kuru tipiskais diametrs ir 1 mm. Vadi savijas viens ap otru spirāles veidā. Tas ļauj samazināt vairāku blakus esošo vītā pāru elektromagnētisko mijiedarbību.
Pielietojums - telefona līnija, datortīkls. Tas var pārraidīt signālu bez jaudas pavājināšanās vairāku kilometru attālumā. Lielākiem attālumiem ir nepieciešami atkārtotāji. Tie ir apvienoti kabelī, ar aizsargpārklājumu. Lai izvairītos no signāla pārklāšanās, kabelī ir savīti vadu pāris. Tos var izmantot gan analogo, gan digitālo datu pārsūtīšanai. Joslas platums ir atkarīgs no vada diametra un garuma, taču vairumā gadījumu vairākus megabitus sekundē var sasniegt vairāku kilometru attālumā. Diezgan lielā joslas platuma un zemo izmaksu dēļ vītā pāra kabeļi tiek plaši izmantoti un, visticamāk, arī turpmāk būs populāri.
Vītā pāra kabeļiem ir vairāki veidi, no kuriem divi ir īpaši svarīgi datortīklu jomā. 3. kategorijas vītā pāra (CAT 3) sastāv no diviem izolētiem vadiem, kas savīti kopā. Četri šādi pāri parasti tiek ievietoti kopā plastmasas apvalkā.
5. kategorijas vītā pāra (CAT 5) ir līdzīga 3. kategorijas vītā pāra veidam, taču tajā ir vairāk apgriezienu uz vienu stieples garuma centimetru. Tas dod iespēju vēl vairāk samazināt traucējumus starp dažādiem kanāliem un nodrošināt uzlabotu signāla pārraides kvalitāti lielos attālumos (1. att.).

Rīsi. 1. UTP kategorija 3 (a), UTP kategorija 5 (b).
Visi šie savienojumu veidi bieži tiek saukti par UTP (neekranēts vītā pāris — neaizsargāts vītā pāra)
Ekranēti vītā pāra kabeļi no IBM nekļuva populāri ārpus IBM.

Koaksiālais kabelis

Vēl viens izplatīts datu pārraides veids ir koaksiālais kabelis. Tas ir labāk ekranēts nekā vītā pāra, tāpēc tas var pārsūtīt datus lielākos attālumos ar lielāku ātrumu. Plaši tiek izmantoti divu veidu kabeļi. Viens no tiem, 50 omi, parasti tiek izmantots tikai digitālu datu pārraidei. Analogās informācijas pārraidei, kā arī kabeļtelevīzijā bieži izmanto cita veida kabeļus, 75 omi.
Kabeļa šķērsskats ir parādīts 2. attēlā.

Rīsi. 2. Koaksiālais kabelis.
Koaksiālā kabeļa dizains un īpašais ekranēšanas veids nodrošina lielu joslas platumu un lielisku trokšņu noturību. Maksimālā caurlaidspēja ir atkarīga no līnijas kvalitātes, garuma un signāla un trokšņa attiecības. Mūsdienu kabeļu joslas platums ir aptuveni 1 GHz.
Pielietojums - telefonu sistēmas (tīkla), kabeļtelevīzija, reģionālie tīkli.

optiskās šķiedras

Pašreizējā optiskās šķiedras tehnoloģija var sasniegt datu pārraides ātrumu līdz 50 000 Gb/s (50 Tb/s), un daudzi cilvēki meklē labākus materiālus. Šodienas praktiskā robeža 10 Gbps ir saistīta ar nespēju pārveidot elektriskos signālus optiskajos signālos un otrādi ātrāk, lai gan laboratorijas apstākļos jau ir sasniegts 100 Gbps uz vienas šķiedras.
Optiskās šķiedras datu pārraides sistēma sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: gaismas avota, nesēja, caur kuru izplatās gaismas signāls, un signāla uztvērēja jeb detektora. Gaismas impulss tiek uzskatīts par vienu, un impulsa neesamība tiek uzskatīta par nulli. Gaisma izplatās īpaši plānā stikla šķiedrā. Kad tajā nonāk gaisma, detektors ģenerē elektrisku impulsu. Vienā optiskās šķiedras galā pievienojot gaismas avotu, bet otrā – detektoru, tiek iegūta vienvirziena datu pārraides sistēma.
Pārraidot gaismas signālu, tiek izmantota gaismas atstarošanas un laušanas īpašība pārejas laikā no 2 vidēm. Tādējādi, ja gaisma tiek pievadīta noteiktā leņķī pret nesēja robežu, gaismas stars tiek pilnībā atspoguļots un bloķēts šķiedrā (3. att.).

Rīsi. 3. Gaismas laušanas īpašība.
Ir 2 veidu optiskās šķiedras kabeļi: daudzmodu - pārraida gaismas staru, vienmodu - plāns līdz vairāku viļņu garumu robežai, darbojas gandrīz kā viļņvads, gaisma kustas taisnā līnijā bez atstarošanas. Mūsdienu viena režīma optiskās šķiedras saites var darboties ar ātrumu 50 Gb/s attālumos līdz 100 km.
Sakaru sistēmās tiek izmantoti trīs viļņu garuma diapazoni: attiecīgi 0,85, 1,30 un 1,55 µm.
Optisko šķiedru kabeļa struktūra ir līdzīga koaksiālā vada struktūrai. Vienīgā atšķirība ir tāda, ka pirmajam nav skrīninga režģa.
Optiskās šķiedras serdeņa centrā ir stikla serde, caur kuru izplatās gaisma. Daudzmodu šķiedras serdes diametrs ir 50 µm, kas ir aptuveni cilvēka matu biezums. Vienmodas šķiedras serdes diametrs ir no 8 līdz 10 µm. Kodols ir pārklāts ar stikla slāni ar zemāku refrakcijas koeficientu nekā serdenim. Tas ir izstrādāts, lai uzticamāk novērstu gaismas izplūšanu no kodola. Ārējais slānis ir plastmasas apvalks, kas aizsargā stiklojumu. Optisko šķiedru serdeņi parasti tiek sagrupēti saišķos, ko aizsargā ārējais apvalks. 4. attēlā parādīts trīsdzīslu kabelis.

Rīsi. 4. Trīsdzīslu optiskās šķiedras kabelis.
Pārrāvuma gadījumā kabeļa segmentu savienojumu var veikt trīs veidos:

Kabeļa galā var piestiprināt speciālu savienotāju, ar kuru kabeli ievieto optiskajā ligzdā. Zudums ir 10-20% no gaismas intensitātes, taču tas ļauj viegli mainīt sistēmas konfigurāciju.

Savienojums - divus glīti nogrieztus kabeļa galus novieto blakus un saspiež ar speciālu uzmavu. Uzlabota gaismas caurlaidība tiek panākta, izlīdzinot kabeļa galus. Zudums - 10% no gaismas jaudas.

Saplūšana. Zaudējumu praktiski nav.

Signāla pārraidīšanai pa optisko šķiedru kabeli var izmantot divu veidu gaismas avotus: gaismas diodes (LED, Light Emitting Diode) un pusvadītāju lāzerus. To salīdzinošās īpašības ir norādītas 1. tabulā.

1. tabula.
LED un pusvadītāju lāzera lietojuma salīdzināšanas tabula
Optiskā kabeļa uztverošais gals ir fotodiode, kas ģenerē elektrisko impulsu, kad uz tā krīt gaisma.

Optisko šķiedru kabeļa un vara stieples salīdzinošās īpašības.

Optiskajai šķiedrai ir vairākas priekšrocības:

Liels ātrums.

Mazāks signāla vājināšanās, mazāk atkārtotāju izvades (viens uz 50 km, nevis 5)

Inerts pret ārējo elektromagnētisko starojumu, ķīmiski neitrāls.

Vieglāks pēc svara. 1000 vara vīti pāri 1 km garumā sver aptuveni 8000 kg. Optisko šķiedru kabeļu pāris sver tikai 100 kg ar lielāku joslas platumu

Zemas ieklāšanas izmaksas

Trūkumi:

Grūtības un kompetence uzstādīšanā.

pārraide simpleksā režīmā, starp tīkliem ir nepieciešami vismaz 2 vadi.

Bezvadu savienojums

elektromagnētiskais spektrs

Elektronu kustība rada elektromagnētiskos viļņus, kas var izplatīties telpā (pat vakuumā). Elektromagnētisko svārstību skaitu sekundē sauc par frekvenci, un to mēra hercos. Attālumu starp diviem secīgiem augstākajiem (vai zemākajiem) punktiem sauc par viļņa garumu. Šo vērtību tradicionāli apzīmē ar grieķu burtu (lambda).
Ja elektriskajā ķēdē ir iekļauta piemērota izmēra antena, tad uztvērējs var veiksmīgi uztvert elektromagnētiskos viļņus noteiktā attālumā. Visas bezvadu sakaru sistēmas ir balstītas uz šo principu.
Vakuumā visi elektromagnētiskie viļņi pārvietojas ar tādu pašu ātrumu neatkarīgi no to frekvences. Šo ātrumu sauc par gaismas ātrumu, - 3*108 m/s. Varā vai stiklā gaismas ātrums ir aptuveni 2/3 no šīs vērtības, un tas arī nedaudz ir atkarīgs no frekvences.
Daudzumu un:

Ja frekvenci () mēra MHz, bet viļņa garumu () metros, tad.
Visu elektromagnētisko viļņu kopums veido tā saukto nepārtraukto elektromagnētiskā starojuma spektru (5. att.). Radio, mikroviļņu krāsni, infrasarkano staru un redzamo gaismu var izmantot, lai pārraidītu informāciju, izmantojot viļņu amplitūdas, frekvences vai fāzes modulāciju. Ultravioletais, rentgena un gamma starojums būtu vēl labāks to augsto frekvenču dēļ, taču tos ir grūti ģenerēt un modulēt, tie slikti iziet cauri ēkām, turklāt ir bīstami visam dzīvajam. Diapazonu oficiālais nosaukums ir norādīts 6. tabulā.

Rīsi. 5. Elektromagnētiskais spektrs un tā pielietojums sakaros.
2. tabula.
Oficiālie ITU grupu nosaukumi
Informācijas apjoms, ko var pārnēsāt elektromagnētiskais vilnis, ir saistīts ar kanāla frekvenču diapazonu. Mūsdienu tehnoloģijas ļauj kodēt vairākus bitus uz hercu zemās frekvencēs. Noteiktos apstākļos šis skaitlis augstās frekvencēs var palielināties astoņas reizes.
Zinot viļņa garuma diapazona platumu, ir iespējams aprēķināt atbilstošo frekvenču diapazonu un datu pārraides ātrumu.

Piemērs: 1,3 mikronu optisko šķiedru kabeļu diapazonam. Tad izrādās, ka ar 8 bps pārsūtīšanas ātrumu varat iegūt 240 Tb/s.

Radio sakari

Radioviļņus ir viegli ģenerēt, tie pārvietojas lielos attālumos, iet cauri sienām, iet apkārt ēkām, izplatās visos virzienos. Radioviļņu īpašības ir atkarīgas no frekvences (6. att.). Darbojoties zemās frekvencēs, radioviļņi labi iziet cauri šķēršļiem, bet, attālinoties no raidītāja, signāla stiprums gaisā strauji samazinās. Jaudas un attāluma no avota attiecību izsaka aptuveni šādi: 1/r2. Augstās frekvencēs radioviļņi parasti virzās tikai taisnā līnijā un atlec no šķēršļiem. Turklāt tos uzsūc, piemēram, lietus. Jebkuras frekvences radiosignāli ir pakļauti dzirksteļu suku motoru un citu elektrisko iekārtu traucējumiem.

Rīsi. 6. VLF, LF, MF joslu viļņi iet ap zemes virsmas raupjumu (a), HF un VHF joslu viļņi atstarojas no jonosfēras un absorbē zeme (b).

Komunikācija mikroviļņu diapazonā

Frekvencēs virs 100 MHz radioviļņi izplatās gandrīz taisnā līnijā, tāpēc tos var fokusēt šauros staros. Enerģijas koncentrācija šaura stara veidā, izmantojot parabolisko antenu (piemēram, labi zināmo satelīttelevīzijas šķīvi), uzlabo signāla un trokšņa attiecību, taču šādam savienojumam raidīšanas un uztveršanas antenām ir jābūt jābūt diezgan precīzi vērstiem vienam pret otru.
Atšķirībā no radioviļņiem ar zemākām frekvencēm, mikroviļņi slikti iziet cauri ēkām. Mikroviļņu radio tika tik plaši izmantots tālsatiksmes telefonijā, mobilajos tālruņos, televīzijas pārraidēs un citās jomās, ka radās nopietns spektra trūkums.
Šim savienojumam ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar optisko šķiedru. Galvenais ir tas, ka nav jāliek kabelis, un attiecīgi nav jāmaksā par zemes nomu gar signāla ceļu. Pietiek ik pēc 50 km iegādāties mazus zemes gabalus un uzstādīt uz tiem releju torņus.

Infrasarkanie un milimetru viļņi

Infrasarkanais un milimetru starojums bez kabeļa izmantošanas tiek plaši izmantots saziņai nelielos attālumos (piemēram, tālvadības pultis). Tie ir salīdzinoši virzīti, lēti un viegli uzstādāmi, taču nešķērsos cietus priekšmetus.
Sakari infrasarkanajā diapazonā tiek izmantoti galddatoru skaitļošanas sistēmās (piemēram, lai savienotu klēpjdatorus ar printeriem), taču telekomunikācijās tai joprojām nav būtiskas nozīmes.

Sakaru satelīti

Tiek izmantoti E tipa satelīti: ģeostacionārie (GEO), vidēja augstuma (MEO) un zemās orbītas (LEO) (7. att.).

Rīsi. 7. Sakaru satelīti un to īpašības: orbītas augstums, aizkave, satelītu skaits, kas nepieciešams, lai aptvertu visu zemeslodes virsmu.

Publiskais komutācijas telefonu tīkls

Telefona sistēmas uzbūve

Tipiska telefona sakaru maršruta struktūra vidējos attālumos parādīta 8. attēlā.

Rīsi. 8. Tipisks sakaru maršruts ar vidējo attālumu starp abonentiem.

Vietējās līnijas: modemi, ADSL, bezvadu

Tā kā dators darbojas ar digitālo signālu un vietējā telefona līnija ir analogā signāla pārraide, modema ierīce tiek izmantota, lai pārveidotu ciparu uz analogo un otrādi, un pats process tiek saukts par modulāciju / demodulāciju (9. attēls). .

Rīsi. 9. Telefona līnijas izmantošana, pārraidot ciparu signālu.
Ir 3 modulācijas metodes (10. att.):

amplitūdas modulācija - tiek izmantotas 2 dažādas signāla amplitūdas (0 un 1),

frekvence - tiek izmantotas vairākas dažādas signālu frekvences (0 un 1),

fāze - fāzes nobīdes tiek izmantotas pārejas laikā starp loģiskajām vienībām (0 un 1). Bīdes leņķi - 45, 135, 225, 180.

Praksē tiek izmantotas kombinētās modulācijas sistēmas.

Rīsi. 10. Binārais signāls (a); amplitūdas modulācija (b); frekvences modulācija (c); fāzes modulācija.
Visi mūsdienu modemi ļauj pārsūtīt datus abos virzienos, šo darbības režīmu sauc par duplekso. Savienojumu ar seriālās pārraides iespēju sauc par pusdupleksu. Savienojumu, kurā pārraide notiek tikai vienā virzienā, sauc par simpleksu.
Maksimālais modema ātrums, ko šobrīd var sasniegt, ir 56Kb/s. V.90 standarts.

Digitālās abonentu līnijas. xDSL tehnoloģija.

Kad modemu ātrums sasniedza savu robežu, telefonu kompānijas sāka meklēt izeju no šīs situācijas. Tādējādi daudzi priekšlikumi parādījās ar vispārēju nosaukumu xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - digitālā abonenta līnija, kur vietā x var būt arī citi burti. Vispazīstamākā tehnoloģija no šiem priekšlikumiem ir ADSL (asimetriskā DSL).
Modemu ātruma ierobežojuma iemesls bija tas, ka tie datu pārraidei izmantoja cilvēka runas pārraides diapazonu - 300 Hz līdz 3400 Hz. Kopā ar robežfrekvencēm joslas platums nebija 3100 Hz, bet 4000 Hz.
Lai gan vietējās telefona līnijas spektrs ir 1,1 Hz.
Pirmajā ADSL tehnoloģijas priekšlikumā tika izmantots viss vietējās telefona līnijas spektrs, kas sadalīts 3 joslās:

POTS - parastā telefonu tīkla diapazons;

izejošais diapazons;

ievades diapazons.

Tehnoloģiju, kas izmanto dažādas frekvences dažādiem mērķiem, sauc par frekvenču multipleksēšanu vai frekvences multipleksēšanu.
Alternatīva metode, ko sauc par diskrēto daudztoņu modulāciju, DMT (Discrete MultiTone) sastāv no visa 1,1 MHz platas lokālās līnijas spektra sadalīšanas 256 neatkarīgos kanālos pa 4312,5 Hz katrā. 0. kanāls ir POTS. Kanāli no 1 līdz 5 netiek izmantoti, lai balss signāls nevarētu traucēt informācijas signālu. No atlikušajiem 250 kanāliem viens ir aizņemts ar pārraides kontroli virzienā uz pakalpojumu sniedzēju, viens - pret lietotāju, bet visi pārējie ir pieejami lietotāja datu pārraidīšanai (11. att.).

Rīsi. 11. ADSL darbība, izmantojot diskrētu daudztonu modulāciju.
ADSL standarts ļauj saņemt līdz 8 Mb / s un sūtīt līdz 1 Mb / s. ADSL2+ - izejošais līdz 24Mb/s, ienākošais līdz 1,4 Mb/s.
Tipiskā ADSL aprīkojuma konfigurācija ietver:

DSLAM - DSL piekļuves multiplekseris;

NID ir tīkla saskarnes ierīce, kas atdala telefona uzņēmuma un abonenta īpašumtiesības.

Sadalītājs (sadalītājs) ir frekvenču sadalītājs, kas atdala POTS joslu un ADSL datus.

Rīsi. 12. ADSL iekārtu tipiskā konfigurācija.

Līnijas un blīves

Resursu taupīšanai ir svarīga loma telefonu sistēmā. Lieljaudas mugurkaula un zemas kvalitātes līnijas ieklāšanas un uzturēšanas izmaksas ir gandrīz vienādas (tas ir, lielākā daļa no šīm izmaksām tiek tērēta tranšeju rakšanai, nevis pašam vara vai optiskās šķiedras kabelim).
Šī iemesla dēļ telefonu kompānijas ir sadarbojušās, lai izstrādātu vairākas shēmas vairāku sarunu pārsūtīšanai pa vienu fizisko kabeli. Multipleksēšanas shēmas (kompresijas) var iedalīt divās galvenajās kategorijās FDM (Frequency Division Multiplexing - Frequency Division Multiplexing - Frequency Division Multiplexing) un TDM (Time Division Multiplexing - Time Division Multiplexing) (13. att.).
Izmantojot frekvenču multipleksēšanu, frekvenču spektrs tiek sadalīts starp loģiskajiem kanāliem, un katrs lietotājs saņem ekskluzīvas īpašumtiesības uz savu apakšjoslu. Laika dalīšanas multipleksēšanā lietotāji pārmaiņus (cikliski) izmanto vienu un to pašu kanālu, un katram uz īsu laiku tiek dota pilna kanāla jauda.
Optisko šķiedru kanālos tiek izmantots īpašs frekvenču multipleksēšanas variants. To sauc par spektrālās dalīšanas multipleksēšanu (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Rīsi. 13. Frekvenču multipleksēšanas piemērs: 1 signāla oriģinālie spektri (a), frekvences nobīdes spektri (b), multipleksētais kanāls (c).

Pārslēgšanās

No vidusmēra telefonu inženiera viedokļa telefonu sistēma sastāv no divām daļām: ārējā aprīkojuma (vietējās telefona līnijas un maģistrāles, ārpus slēdžiem) un iekšējās iekārtas (sadales), kas atrodas telefona centrālē.
Jebkurš sakaru tīkls atbalsta savu abonentu savstarpējo pārslēgšanu (saziņu). Praktiski nav iespējams nodrošināt katru mijiedarbojošo abonentu pāri ar savu nepārslēdzamo fizisko sakaru līniju, kuru viņi varētu ilgstoši monopolizēt "savējo". Tāpēc jebkurā tīklā vienmēr tiek izmantota kāda abonentu pārslēgšanas metode, kas nodrošina pieejamo fizisko kanālu pieejamību vienlaicīgi vairākām sakaru sesijām starp tīkla abonentiem.
Telefonu sistēmās tiek izmantotas divas dažādas tehnikas: ķēžu komutācija un pakešu komutācija.

Ķēdes pārslēgšana

Ķēdes komutācija nozīmē nepārtraukta salikta fiziska kanāla veidošanu no sērijveidā savienotām atsevišķām kanālu sekcijām tiešai datu pārraidei starp mezgliem. Ķēdes komutācijas tīklā pirms datu pārraides vienmēr ir jāveic savienojuma izveides procedūra, kuras laikā tiek izveidots salikts kanāls (14. att.).

Pakešu komutācija

Pakešu komutācijā visi tīkla lietotāja pārsūtītie ziņojumi tiek sadalīti avota mezglā salīdzinoši mazās daļās, ko sauc par paketēm. Katra pakete ir aprīkota ar galveni, kas norāda adreses informāciju, kas nepieciešama, lai piegādātu paketi galamērķa resursdatoram, kā arī paketes numuru, ko mērķa resursdators izmantos ziņojuma apkopošanai. Paketes tīklā tiek transportētas kā neatkarīgi informācijas bloki. Tīkla slēdži saņem paketes no gala mezgliem un, pamatojoties uz adrešu informāciju, pārsūta tās viens otram un galu galā gala mezglam (14. att.).
utt.................

Sākotnējā informācija, kas jāpārraida pa sakaru līniju, var būt diskrēta (datora izvades dati) vai analogā (runa, televīzijas attēls).

Diskrētu datu pārsūtīšanas pamatā ir divu veidu fiziskās kodēšanas izmantošana:

a) analogā modulācija, kad kodēšana tiek veikta, mainot sinusoidālā nesējsignāla parametrus;

b) digitālā kodēšana, mainot taisnstūrveida informācijas impulsu secības līmeņus.

Analogā modulācija rada daudz mazāku iegūtā signāla spektru nekā ar digitālo kodēšanu, ar tādu pašu informācijas pārraides ātrumu, taču tās īstenošanai ir nepieciešams sarežģītāks un dārgāks aprīkojums.

Pašlaik oriģinālie dati, kuriem ir analogā forma, arvien vairāk tiek pārraidīti pa sakaru kanāliem diskrētā veidā (vieninieku un nulles secības veidā), t.i., tiek veikta analogo signālu diskrēta modulācija.

analogā modulācija. To izmanto, lai pārraidītu diskrētus datus pa kanāliem ar šauru joslas platumu, kuru tipisks pārstāvis ir telefona tīklu lietotājiem nodrošinātais balss frekvences kanāls. Pa šo kanālu tiek pārraidīti signāli ar frekvenci no 300 līdz 3400 Hz, t.i., tā joslas platums ir 3100 Hz. Šāda josla ir diezgan pietiekama runas pārraidei ar pieņemamu kvalitāti. Toņu kanāla joslas platuma ierobežojums ir saistīts ar multipleksēšanas un ķēžu komutācijas iekārtu izmantošanu telefonu tīklos.

Pirms diskrētu datu pārsūtīšanas raidīšanas pusē, izmantojot modulatoru-demodulatoru (modemu), tiek veikta sākotnējās bināro ciparu secības nesēja sinusoīda modulācija. Apgriezto konvertēšanu (demodulāciju) veic saņemošais modems.

Ir trīs veidi, kā pārveidot digitālos datus analogā formā, vai trīs analogās modulācijas metodes:

Amplitūdas modulācija, kad mainās tikai sinusoidālo svārstību nesēja amplitūda atbilstoši pārraidīto informācijas bitu secībai: piemēram, pārraidot vienu, svārstību amplitūda tiek iestatīta liela, un, pārraidot nulli, tā ir maza vai ir vispār nav nesēja signāla;

Frekvences modulācija, kad modulējošo signālu (pārraidāmo informācijas bitu) ietekmē mainās tikai sinusoidālo svārstību nesējfrekvence: piemēram, kad tiek pārraidīta nulle, tā ir zema, un, kad tiek pārraidīta viena, tā ir augsta;

Fāzes modulācija, kad saskaņā ar pārraidīto informācijas bitu secību mainās tikai sinusoidālo svārstību nesēja fāze: pārslēdzoties no signāla 1 uz signālu 0 vai otrādi, fāze mainās par 180 °. Tīrā veidā amplitūdas modulāciju praksē izmanto reti, jo ir zema trokšņa imunitāte. Frekvences modulācijai modemos nav nepieciešamas sarežģītas shēmas, un to parasti izmanto maza ātruma modemos, kas darbojas ar ātrumu 300 vai 1200 bps. Datu ātruma palielināšanu nodrošina kombinēto modulācijas metožu izmantošana, biežāk amplitūdas modulācija kombinācijā ar fāzi.

Diskrētās datu pārraides analogā metode nodrošina platjoslas pārraidi, izmantojot dažādu nesējfrekvenču signālus vienā kanālā. Tas garantē liela skaita abonentu mijiedarbību (katrs abonentu pāris darbojas savā frekvencē).

Digitālā kodēšana. Ciparu kodējot diskrētu informāciju, tiek izmantoti divu veidu kodi:

a) potenciālu kodi, kad informācijas vienību un nulles attēlošanai tiek izmantota tikai signāla potenciāla vērtība un tā kritumi netiek ņemti vērā;

b) impulsu kodi, kad bināros datus attēlo vai nu ar noteiktas polaritātes impulsiem, vai ar noteikta virziena potenciālajiem kritumiem.

Diskrētas informācijas digitālās kodēšanas metodēm, izmantojot taisnstūrveida impulsus, lai attēlotu bināros signālus, tiek izvirzītas šādas prasības:

Sinhronizācijas nodrošināšana starp raidītāju un uztvērēju;

Nodrošinot iegūtā signāla mazāko spektra platumu ar tādu pašu bitu pārraides ātrumu (jo šaurāks signālu spektrs ļauj

tīkli ar tādu pašu joslas platumu nodrošina lielāku ātrumu

datu pārraide);

Spēja atpazīt kļūdas pārsūtītajos datos;

Salīdzinoši zemas ieviešanas izmaksas.

Izmantojot fizisko slāni, tiek veikta tikai bojātu datu atpazīšana (kļūdu noteikšana), kas ietaupa laiku, jo uztvērējs, negaidot saņemtā kadra pilnīgu ievietošanu buferī, nekavējoties to noraida, kad atpazīst kļūdainu. biti kadrā. Sarežģītāka darbība - bojātu datu labošana - tiek veikta ar augstāka līmeņa protokoliem: kanālu, tīklu, transportu vai lietojumprogrammu.

Raidītāja un uztvērēja sinhronizācija ir nepieciešama, lai uztvērējs precīzi zinātu, kad nolasīt ienākošos datus. Pulksteņa signāli noregulē uztvērēju uz nosūtīto ziņojumu un uztur uztvērēju sinhronizētu ar ienākošajiem datu bitiem. Sinhronizācijas problēma ir viegli atrisināma, pārraidot informāciju nelielos attālumos (starp blokiem datora iekšienē, starp datoru un printeri), izmantojot atsevišķu laika sakaru līniju: informācija tiek nolasīta tikai tajā brīdī, kad pienāk nākamais pulksteņa impulss. Datortīklos pulksteņa impulsu izmantošana tiek atmesta divu iemeslu dēļ: lai taupītu vadītājus dārgos kabeļos un kabeļu vadītāju īpašību neviendabīguma dēļ (lielos attālumos nevienmērīgs signāla izplatīšanās ātrums var izraisīt pulksteņa impulsu desinhronizācija pulksteņa līnijā un informācijas impulsu galvenajā līnijā, kā rezultātā datu bits tiks vai nu izlaists, vai pārlasīts).

Pašlaik raidītāja un uztvērēja sinhronizācija tīklos tiek panākta, izmantojot pašsinhronizējošos kodus (SC). Pārraidāmo datu kodēšana, izmantojot SC, nodrošina regulāras un biežas informācijas signāla līmeņu izmaiņas (pārejas) kanālā. Katra signāla līmeņa pāreja no augsta uz zemu vai otrādi tiek izmantota uztvērēja apgriešanai. Vislabākie ir tie SC, kas nodrošina signāla līmeņa pāreju vismaz vienu reizi laika intervālā, kas nepieciešams viena informācijas bita saņemšanai. Jo biežāk notiek signāla līmeņa pārejas, jo drošāka ir uztvērēja sinhronizācija un drošāka ir saņemto datu bitu identifikācija.

Šīs prasības diskrētās informācijas digitālās kodēšanas metodēm ir zināmā mērā savstarpēji pretrunīgas, tāpēc katrai no tālāk aplūkotajām kodēšanas metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi salīdzinājumā ar citām.

Pašsinhronizējošie kodi. Visizplatītākie ir šādi SC:

Potenciālais kods bez atgriešanās uz nulli (NRZ - Non Return to Zero);

Bipolārā impulsa kods (RZ kods);

Mančestras kods;

Bipolārs kods ar alternatīva līmeņa inversiju.

Uz att. 32 parāda kodēšanas shēmas ziņojumam 0101100, izmantojot šos CK.

SC raksturošanai un salīdzināšanai izmanto šādus rādītājus:

Sinhronizācijas līmenis (kvalitāte);

Saņemto informācijas bitu atpazīšanas un atlases uzticamība (pārliecība);

Nepieciešamais signāla līmeņa maiņas ātrums sakaru līnijā, izmantojot SC, ja ir iestatīts līnijas joslas platums;

SC ieviešanas aprīkojuma sarežģītība (un līdz ar to arī izmaksas).

NRZ kodu ir viegli kodēt, un tā ieviešana ir zema. Tā saņēma šādu nosaukumu, jo, pārraidot viena nosaukuma bitu sēriju (vieniniekus vai nulles), signāls cikla laikā neatgriežas uz nulli, kā tas ir citās kodēšanas metodēs. Signāla līmenis katrai sērijai paliek nemainīgs, kas būtiski samazina sinhronizācijas kvalitāti un saņemto bitu atpazīšanas uzticamību (uztvērēja taimeris var nesaskanēt ar ienākošo signālu un var rasties nelaikā līniju aptauja).

N^-kodam ir spēkā šādas relācijas:

kur VI ir signāla līmeņa izmaiņu ātrums sakaru līnijā (baud);

Y2 - sakaru līnijas caurlaidspēja (bit / s).

Papildus tam, ka šim kodam nav pašsinhronizācijas īpašību, tam ir arī vēl viens nopietns trūkums: zemas frekvences komponenta klātbūtne, kas tuvojas nullei, pārraidot ilgstošus vieniniekus vai nulles. Tā rezultātā NRZ kods tīrā veidā netiek izmantots tīklos. Tiek izmantotas dažādas tā modifikācijas, kurās tiek novērsta slikta koda pašsinhronizācija un pastāvīga komponenta klātbūtne.

RZ-kods jeb bipolārais impulsa kods (atgriešanās pie nulles kods) atšķiras ar to, ka viena informācijas bita pārraides laikā signāla līmenis mainās divas reizes neatkarīgi no tā, vai ir viena un tā paša nosaukuma bitu sērija vai mainīgi biti. pārraidīts. Vienību attēlo vienas polaritātes impulss, bet nulli - ar citu. Katrs impulss ilgst pusi cikla. Šādam kodam ir lieliskas pašsinhronizācijas īpašības, taču tā ieviešanas izmaksas ir diezgan augstas, jo ir jānodrošina attiecība

RZ koda spektrs ir plašāks nekā potenciālo kodu spektrs. Pārāk plašā spektra dēļ to izmanto reti.

Mančestras kods nodrošina signāla līmeņa izmaiņas, uzrādot katru bitu, un, pārraidot tāda paša nosaukuma bitu sēriju, dubultas izmaiņas. Katrs pasākums ir sadalīts divās daļās. Informācija tiek kodēta ar iespējamiem kritumiem, kas notiek katra cikla vidū. Vienība tiek kodēta ar pāreju no zemas uz augstu, un nulle tiek kodēta ar apgrieztu pāreju. Šī koda ātruma attiecība ir:

Mančestras kodam ir labas pašpulksteņa īpašības, jo signāls mainās vismaz vienu reizi viena datu bita pārraides ciklā. Tās joslas platums ir šaurāks nekā RZ kodam (vidēji pusotru reizi). Atšķirībā no bipolārā impulsa koda, kur datu pārraidei tiek izmantoti trīs signāla līmeņi (kas dažkārt ir ļoti nevēlami, piemēram, optiskajos kabeļos konsekventi tiek atpazīti tikai divi stāvokļi – gaisma un tumsa), Mančestras kodam ir divi līmeņi.

Mančestras kods tiek plaši izmantots Ethernet un Token Ring tehnoloģijās.

Alternatīvā līmeņa inversijas bipolārais kods (AMI kods) ir NRZ koda modifikācija. Tas izmanto trīs potenciāla līmeņus - negatīvu, nulli un pozitīvu. Vienība ir kodēta ar pozitīvu vai negatīvu potenciālu. Nulles potenciāls tiek izmantots nulles kodēšanai. Kodam ir labas sinhronizācijas īpašības, pārsūtot vienību sērijas, jo katras jaunas vienības potenciāls ir pretējs iepriekšējās potenciālam. Pārraidot nulles rindas, sinhronizācija nenotiek. AMI kodu ir salīdzinoši viegli ieviest. Viņam

Pārraidot dažādas bitu kombinācijas līnijā, AMI koda izmantošana rada šaurāku signāla spektru nekā NRZ kodam un līdz ar to arī lielāku līnijas caurlaidspēju.

Ņemiet vērā, ka uzlabotajiem potenciālajiem kodiem (jauninātajam Mančestras kodam un AMI kodam) ir šaurāks spektrs nekā impulsa kodiem, tāpēc tos izmanto ātrdarbīgās tehnoloģijās, piemēram, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Analogo signālu diskrēta modulācija. Kā jau minēts, viena no mūsdienu datortīklu attīstības tendencēm ir to digitalizācija, t.i., jebkura rakstura signālu pārraide digitālā formā. Šo signālu avoti var būt datori (diskrētu datu iegūšanai) vai ierīces, piemēram, telefoni, videokameras, video un audio aprīkojums (analogiem datiem). Vēl nesen (pirms digitālo sakaru tīklu parādīšanās) teritoriālajos tīklos visa veida dati tika pārraidīti analogā formā, un datora dati, pēc būtības diskrēti, tika pārveidoti analogā formā, izmantojot modemus.

Tomēr informācijas pārraide analogā formā neuzlabo saņemto datu kvalitāti, ja pārraides laikā ir bijuši būtiski kropļojumi. Tāpēc analogā tehnika skaņas un attēlu ierakstīšanai un pārraidīšanai ir aizstāta ar digitālo tehnoloģiju, kas izmanto diskrētu analogo signālu modulāciju.

Diskrētā modulācija ir balstīta uz nepārtrauktu signālu paraugu ņemšanu gan amplitūdā, gan laikā. Viena no plaši izmantotajām metodēm analogo signālu pārvēršanai ciparu formātā ir impulsa koda modulācija (PCM), ko 1938. gadā ierosināja A.Kh. Rīvss (ASV).

Izmantojot PCM, konvertēšanas process ietver trīs posmus: kartēšanu, kvantēšanu un kodēšanu (33. att.).

Pirmais posms ir displejs. Sākotnējā nepārtrauktā signāla amplitūda tiek mērīta ar noteiktu periodu, kura dēļ notiek laika diskretizācija. Šajā posmā analogais signāls tiek pārveidots impulsa amplitūdas modulācijas (PAM) signālos. Posma izpilde ir balstīta uz Nyquist-Kotelnikov kartēšanas teoriju, kuras galvenā pozīcija ir: ja analogais signāls tiek parādīts (t.i., attēlots kā tā diskrēta laika vērtību secība) regulārā intervālā ar frekvenci vismaz divas reizes pārsniedz sākotnējā nepārtrauktā signāla augstākā harmoniskā spektra frekvenci, tad displejā būs informācija, kas ir pietiekama sākotnējā signāla atjaunošanai. Analogajā telefonijā balss pārraidei tiek izvēlēts diapazons no 300 līdz 3400 Hz, kas ir pietiekams visu sarunu biedru galveno harmoniku kvalitatīvai pārraidei. Tāpēc digitālajos tīklos, kur balss pārraidei tiek ieviesta PCM metode, tiek pieņemta displeja frekvence 8000 Hz (tas ir vairāk nekā 6800 Hz, kas nodrošina zināmu kvalitātes rezervi).

Kvantēšanas solī katram IAM signālam tiek piešķirta kvantētā vērtība, kas atbilst tuvākajam kvantēšanas līmenim. Viss IAM signāla amplitūdas variācijas diapazons ir sadalīts 128 vai 256 kvantēšanas līmeņos. Jo vairāk kvantēšanas līmeņu, jo precīzāk IAM signāla amplitūda tiek attēlota ar kvantēto līmeni.

Kodēšanas stadijā katram kvantētajam kartējumam tiek piešķirts 7 bitu (ja kvantēšanas līmeņu skaits ir 128) vai 8 bitu (ja kvantēšanas līmeņu skaits ir 128) binārais kods. Uz att. 33 parāda 8 elementu binārā koda 00101011 signālus, kas atbilst kvantizētam signālam ar 43. līmeni. Kodējot ar 7 elementu kodiem, datu pārraides ātrumam kanālā jābūt 56 Kb/s (tas ir displeja frekvences un binārā koda bitu dziļums), un, kodējot 8 elementu kodus, - 64 Kbps. Standarts ir 64 kbit/s digitālais kanāls, ko sauc arī par ciparu telefonu tīklu elementāro kanālu.

Ierīci, kas veic šīs darbības, lai pārveidotu analogo vērtību ciparu kodā, sauc par analogo-digitālo pārveidotāju (ADC). Uztvērējā pusē, izmantojot digitālo-analogo pārveidotāju (DAC), tiek veikta apgrieztā pārveidošana, t.i., tiek demodulētas nepārtraukta signāla digitalizētās amplitūdas un atjaunota sākotnējā nepārtrauktā laika funkcija.

Mūsdienu digitālajos sakaru tīklos tiek izmantotas arī citas diskrētās modulācijas metodes, kas ļauj attēlot balss mērījumus kompaktākā formā, piemēram, kā 4 bitu skaitļu secību. Tiek izmantota arī analogo signālu pārvēršanas ciparu koncepcija, kurā tiek kvantēti un pēc tam kodēti nevis paši IAM signāli, bet gan tikai to izmaiņas, un tiek pieņemts, ka kvantēšanas līmeņu skaits ir vienāds. Ir acīmredzams, ka šāda koncepcija ļauj pārveidot signālus ar lielāku precizitāti.

Digitālās metodes analogās informācijas ierakstīšanai, reproducēšanai un pārsūtīšanai nodrošina iespēju kontrolēt no nesēja nolasīto vai pa sakaru līniju saņemto datu ticamību. Šim nolūkam tiek izmantotas tās pašas kontroles metodes kā datora datiem (sk. 4.9.).

Nepārtraukta signāla pārraide diskrētā formā nosaka stingras prasības uztvērēja sinhronizācijai. Ja sinhronizācija netiek ievērota, sākotnējais signāls tiek atjaunots nepareizi, kas izraisa balss vai pārraidītā attēla izkropļojumus. Ja kadri ar balss mērījumiem (vai citām analogām vērtībām) nonāk sinhroni, tad balss kvalitāte var būt diezgan augsta. Taču datortīklos kadri var aizkavēties gan gala mezglos, gan starpposma komutācijas ierīcēs (tiltos, slēdžos, maršrutētājos), kas negatīvi ietekmē balss pārraides kvalitāti. Tāpēc kvalitatīvai digitalizētu nepārtrauktu signālu pārraidei tiek izmantoti īpaši digitālie tīkli (ISDN, ATM, digitālās televīzijas tīkli), lai gan Frame Relay tīkli joprojām tiek izmantoti, lai pārraidītu korporatīvās telefonsarunas, jo kadru pārraides kavēšanās tajos ir pieļaujamā robežās. robežas.

Šķērsruna līnijas tuvākajā galā - nosaka kabeļa trokšņu noturību pret iekšējiem traucējumu avotiem. Parasti tos novērtē attiecībā uz kabeli, kas sastāv no vairākiem vītā pāriem, kad viena pāra savstarpējie uztveršanas gadījumi var sasniegt ievērojamas vērtības un radīt iekšējo troksni, kas atbilst noderīgajam signālam.

Datu pārraides uzticamība(vai bitu kļūdu līmenis) raksturo kropļojumu iespējamību katram pārraidītajam datu bitam. Informācijas signālu kropļošanas iemesli ir traucējumi līnijā, kā arī ierobežotais tās caurlaides joslas platums. Tāpēc datu pārraides uzticamības palielināšana tiek panākta, palielinot līnijas trokšņu imunitātes pakāpi, samazinot šķērsrunas līmeni kabelī un izmantojot vairāk platjoslas sakaru līniju.

Parastajām kabeļu sakaru līnijām bez papildu kļūdu aizsardzības datu pārraides uzticamība parasti ir 10 -4 -10 -6. Tas nozīmē, ka vidēji no 10 4 vai 10 6 pārraidītajiem bitiem viena bita vērtība tiks bojāta.

Sakaru līniju aprīkojums(datu pārraides iekārta - ATD) ir malas iekārta, kas tieši savieno datorus ar sakaru līniju. Tā ir daļa no sakaru līnijas un parasti darbojas fiziskā līmenī, nodrošinot vajadzīgās formas un jaudas signāla pārraidi un uztveršanu. ADF piemēri ir modemi, adapteri, analogo-digitālo un digitālo-analogo pārveidotāji.

DTE neietver lietotāja datu gala iekārtu (DTE), kas ģenerē datus pārraidei pa sakaru līniju un ir tieši savienota ar DTE. DTE ietver, piemēram, LAN maršrutētāju. Ņemiet vērā, ka iekārtu iedalījums APD un OOD klasēs ir diezgan nosacīts.

Tālsatiksmes sakaru līnijās tiek izmantots starpposma aprīkojums, kas risina divus galvenos uzdevumus: uzlabo informācijas signālu kvalitāti (to formu, jaudu, ilgumu) un izveido pastāvīgu saliktu kanālu (no gala līdz galam) komunikācijai starp diviem tīkliem. abonenti. LCN starpiekārtas netiek izmantotas, ja fiziskā nesēja (kabeļi, radio ēters) garums nav liels, lai signālus no viena tīkla adaptera uz otru varētu pārraidīt bez to parametru starpposma atjaunošanas.

Globālajos tīklos tiek nodrošināta kvalitatīva signāla pārraide simtiem un tūkstošiem kilometru. Tāpēc pastiprinātāji tiek uzstādīti noteiktos attālumos. Lai izveidotu cauruļu līniju starp diviem abonentiem, tiek izmantoti multipleksori, demultiplekseri un slēdži.

Sakaru kanāla starpaprīkojums ir lietotājam caurspīdīgs (viņš to nepamana), lai gan patiesībā veido sarežģītu tīklu, t.s. primārais tīkls un kalpo par pamatu datoru, telefonu un citu tīklu veidošanai.

Atšķirt analogās un digitālās sakaru līnijas, kas izmanto dažāda veida starpiekārtas. Analogajās līnijās starpposma aprīkojums ir paredzēts analogo signālu pastiprināšanai, kuriem ir nepārtraukts vērtību diapazons. Ātrgaitas analogajos kanālos tiek realizēta frekvenču multipleksēšanas tehnika, kad vienā ātrgaitas kanālā tiek multipleksēti vairāki zema ātruma analogie abonentu kanāli. Ciparu sakaru kanālos, kur taisnstūrveida informācijas signāliem ir ierobežots stāvokļu skaits, starpiekārtas uzlabo signālu formu un atjauno to atkārtošanās periodu. Tas nodrošina ātrgaitas digitālo kanālu veidošanos, kas darbojas pēc kanālu multipleksēšanas laika principa, kad katram zema ātruma kanālam tiek atvēlēta noteikta daļa no ātrgaitas kanāla laika.

Pārraidot diskrētos datora datus pa digitālajām sakaru līnijām, tiek definēts fiziskā slāņa protokols, jo līnijas pārraidīto informācijas signālu parametri ir standartizēti, savukārt, pārraidot pa analogajām līnijām, tas nav definēts, jo informācijas signāliem ir patvaļīgs forma un nav, nav nekādu prasību.

Sakaru tīklos tiek izmantoti šādi informācijas pārsūtīšanas režīmi:

simplekss, kad raidītājs un uztvērējs ir savienoti ar vienu sakaru kanālu, pa kuru informācija tiek pārraidīta tikai vienā virzienā (tas ir raksturīgi televīzijas sakaru tīkliem);

pusduplekss, kad divi sakaru mezgli ir savienoti arī ar vienu kanālu, pa kuru informācija tiek pārraidīta pārmaiņus vienā virzienā, tad pretējā virzienā (tas ir raksturīgi informācijas-atsauces, pieprasījuma-atbildes sistēmām);

duplekss, kad divi sakaru mezgli ir savienoti ar diviem kanāliem (uz priekšu sakaru kanāls un reverss), pa kuriem informācija vienlaikus tiek pārraidīta pretējos virzienos. Dupleksos kanālus izmanto sistēmās ar lēmumu un informācijas atgriezenisko saiti.

Komutēti un īpaši saziņas kanāli. TSS ir paredzēti (nepārslēgti) sakaru kanāli un tie, kuriem ir pārslēgšana uz informācijas pārraides laiku pa šiem kanāliem.

Izmantojot speciālos sakaru kanālus, sakaru mezglu raiduztvērēju aprīkojums ir pastāvīgi savienots viens ar otru. Tas nodrošina augstu sistēmas gatavības pakāpi informācijas pārsūtīšanai, augstāku komunikācijas kvalitāti un atbalstu lielam trafika apjomam. Salīdzinoši augsto izmaksu dēļ tīklu ekspluatācijai ar īpašiem sakaru kanāliem to rentabilitāte tiek sasniegta tikai tad, ja kanāli ir pilnībā noslogoti.

Komutācijas sakaru kanāliem, kas izveidoti tikai noteikta apjoma informācijas pārraides laikam, ir raksturīga augsta elastība un salīdzinoši zemas izmaksas (ar nelielu trafika apjomu). Šādu kanālu trūkumi ir: laika zudums pārslēgšanai (sakaru nodibināšanai starp abonentiem), bloķēšanas iespēja atsevišķu sakaru līnijas posmu noslogotības dēļ, zemāka sakaru kvalitāte, augstas izmaksas ar ievērojamu trafika apjomu.

Sākotnējā informācija, kas jāpārraida pa sakaru līniju, var būt diskrēta (datora izvades dati) vai analogā (runa, televīzijas attēls).

Diskrēta datu pārraide pamatā ir divu veidu fiziskās kodēšanas izmantošana:

a) analogā modulācija kad tiek veikta kodēšana, mainot sinusoidālā nesējsignāla parametrus;

b) digitālā kodēšana mainot taisnstūra informācijas impulsu secības līmeņus.

Šobrīd sākotnējie dati, kuriem ir analogā forma, arvien vairāk tiek pārraidīti pa sakaru kanāliem diskrētā veidā (vieninieku un nulles secības veidā), t.i. diskrēta modulācija analogie signāli.

Analogā modulācija. To izmanto, lai pārraidītu diskrētus datus pa kanāliem ar šauru joslas platumu, kuru tipisks pārstāvis ir telefona tīklu lietotājiem nodrošinātais balss frekvences kanāls. Pa šo kanālu tiek pārraidīti signāli ar frekvenci no 300 līdz 3400 Hz, t.i., tā joslas platums ir 3100 Hz. Šāda josla ir diezgan pietiekama runas pārraidei ar pieņemamu kvalitāti. Toņu kanāla joslas platuma ierobežojums ir saistīts ar multipleksēšanas un ķēžu komutācijas iekārtu izmantošanu telefonu tīklos.

Ir trīs veidi, kā pārveidot digitālos datus analogā formā, vai trīs analogās modulācijas metodes:

frekvences modulācija, kad modulējošo signālu (pārraidāmo informācijas bitu) iedarbībā mainās tikai sinusoidālo svārstību nesēja frekvence: piemēram, kad tiek pārraidīta nulle, tā ir zema, un, kad tiek pārraidīta viena, tā ir augsta;

fāzes modulācija, kad saskaņā ar pārraidīto informācijas bitu secību mainās tikai sinusoidālo svārstību nesēja fāze: pārslēdzoties no signāla 1 uz signālu 0 vai otrādi, fāze mainās par 180 °.

Tīrā veidā amplitūdas modulāciju praksē izmanto reti, jo ir zema trokšņa imunitāte. Frekvences modulācijai modemos nav nepieciešamas sarežģītas shēmas, un to parasti izmanto maza ātruma modemos, kas darbojas ar ātrumu 300 vai 1200 bps. Datu ātruma palielināšanu nodrošina kombinēto modulācijas metožu izmantošana, biežāk amplitūdas modulācija kombinācijā ar fāzi.

Digitālā kodēšana. Ciparu kodējot diskrētu informāciju, tiek izmantoti divu veidu kodi:

a) potenciālu kodi, kad informācijas vienību un nulles attēlošanai tiek izmantota tikai signāla potenciāla vērtība un tā kritumi netiek ņemti vērā;

b) impulsu kodi, kad bināros datus attēlo vai nu ar noteiktas polaritātes impulsiem, vai ar noteikta virziena potenciālajiem kritumiem.

Diskrētas informācijas digitālās kodēšanas metodēm, izmantojot taisnstūrveida impulsus, lai attēlotu bināros signālus, tiek izvirzītas šādas prasības:

sinhronizācijas nodrošināšana starp raidītāju un uztvērēju;

Nodrošinot iegūtā signāla mazāko spektra platumu ar tādu pašu bitu pārraides ātrumu (jo šaurāks signālu spektrs ļauj sasniegt lielāku datu pārraides ātrumu līnijā ar tādu pašu joslas platumu);

spēja atpazīt kļūdas pārsūtītajos datos;

Salīdzinoši zemas ieviešanas izmaksas.

Pašlaik raidītāja un uztvērēja sinhronizācija tīklos tiek panākta, izmantojot pašsinhronizējošie kodi(SK). Pārraidāmo datu kodēšana, izmantojot SC, nodrošina regulāras un biežas informācijas signāla līmeņu izmaiņas (pārejas) kanālā. Katra signāla līmeņa pāreja no augsta uz zemu vai otrādi tiek izmantota uztvērēja apgriešanai. Vislabākie ir tie SC, kas nodrošina signāla līmeņa pāreju vismaz vienu reizi laika intervālā, kas nepieciešams viena informācijas bita saņemšanai. Jo biežāk notiek signāla līmeņa pārejas, jo drošāka ir uztvērēja sinhronizācija un drošāka ir saņemto datu bitu identifikācija.

Pašsinhronizējošie kodi. Visizplatītākie ir šādi SC:

potenciālais kods bez atgriešanās uz nulli (NRZ - Non Return to Zero);

bipolārā impulsa kods (RZ kods);

Mančestras kods

· bipolārais kods ar mainīga līmeņa inversiju.

Uz att. 32 parāda kodēšanas shēmas ziņojumam 0101100, izmantojot šos CK.

Rīsi. 32. Ziņojumu kodēšanas shēmas, izmantojot pašsinhronizējošos kodus

Diskrētu datu pārraidei pa sakaru līnijām ar šauru frekvenču joslu, analogā modulācija. Tipisks šādu līniju pārstāvis ir balss frekvences sakaru līnija, kas ir pieejama publisko telefonu tīklu lietotājiem. Šī sakaru līnija pārraida analogos signālus frekvenču diapazonā no 300 līdz 3400 Hz (tātad līnijas joslas platums ir 3100 Hz). Stingrs sakaru līniju joslas platuma ierobežojums šajā gadījumā ir saistīts ar multipleksēšanas un ķēžu komutācijas iekārtu izmantošanu telefonu tīklos.

Ierīci, kas veic nesēja sinusoīda modulēšanas funkcijas raidīšanas pusē un demodulācijas funkcijas uztverošajā pusē sauc. modems (modulators-demodulators).

Analogā modulācija ir fiziska kodēšanas metode, kurā informācija tiek kodēta, mainot amplitūdas, frekvences vai fāzes nesējfrekvences sinusoidāls signāls. Plkst amplitūdas modulācija loģiskajam tiek izvēlēts viens nesējfrekvences sinusoīda amplitūdas līmenis, bet loģiskajai nullei - cits. Šo metodi praksē reti izmanto tīrā veidā zemas trokšņa imunitātes dēļ, taču to bieži izmanto kombinācijā ar citiem modulācijas veidiem. Plkst frekvences modulācija sākotnējo datu vērtības 0 un 1 tiek pārraidītas ar sinusoīdiem ar dažādām frekvencēm . Šai modulācijas metodei nav nepieciešama sarežģīta modema elektronika, un to parasti izmanto maza ātruma modemos, kas darbojas ar 300 vai 1200 bps. Plkst fāzes modulācija datu vērtības 0 un 1 atbilst tādas pašas frekvences, bet dažādas fāzes signāliem, piemēram, 0 un 180 grādi vai 0, 90, 180 un 270 grādi. Ātrgaitas modemos bieži tiek izmantotas kombinētās modulācijas metodes, kā likums, amplitūda kombinācijā ar fāzi. Lai palielinātu datu pārraides ātrumu, tiek izmantotas kombinētās modulācijas metodes. Visizplatītākās metodes ir Kvadratūras amplitūdas modulācija-QAM).Šīs metodes ir balstītas uz fāzes modulācijas kombināciju ar 8 fāzes nobīdes vērtībām un amplitūdas modulāciju ar 4 amplitūdas līmeņiem. Tomēr netiek izmantotas visas iespējamās 32 signālu kombinācijas. Šāda kodēšanas dublēšana ir nepieciešama, lai modems atpazītu kļūdainus signālus, kas rodas traucējumu rezultātā radušos kropļojumu rezultātā, kas telefona kanālos (īpaši komutētajos) ir ļoti nozīmīgi amplitūdā un ilgā laikā.

Plkst digitālā kodēšana tiek izmantota diskrēta informācija potenciāls un impulss kodiem. AT potenciāls Kodos loģisko vieninieku un nulles attēlošanai izmanto tikai signāla potenciāla vērtību, un tā pilieni, kas veido pilnīgus impulsus, netiek ņemti vērā. Pulss kodi ļauj attēlot bināros datus vai nu ar noteiktas polaritātes impulsiem, vai ar impulsa daļu - noteikta virziena potenciāla kritumu.

Izmantojot taisnstūrveida impulsus diskrētas informācijas pārraidīšanai, ir jāizvēlas kodēšanas metode, kas vienlaikus sasniegtu vairākus mērķus: ar vienādu bitu pārraides ātrumu ir mazākais iegūtā signāla spektra platums; nodrošināta sinhronizācija starp raidītāju un uztvērēju; bija spēja atpazīt kļūdas; bija zemas ieviešanas izmaksas.

Šaurāks signāla spektrs ļauj sasniegt lielāku datu pārraides ātrumu tajā pašā līnijā (ar tādu pašu joslas platumu). Raidītāja un uztvērēja sinhronizācija ir nepieciešama, lai uztvērējs precīzi zinātu, kurā brīdī ir nepieciešams nolasīt jaunu informāciju no sakaru līnijas. Šo problēmu ir grūtāk atrisināt tīklos, nekā sazinoties starp ierīcēm, kas atrodas tiešā tuvumā, piemēram, starp ierīcēm datorā vai starp datoru un printeri. Nelielos attālumos labi darbojas shēma, kuras pamatā ir atsevišķa pulksteņa sakaru līnija, un informācija no datu līnijas tiek noņemta tikai brīdī, kad pienāk pulksteņa impulss. Tīklos šīs shēmas izmantošana rada grūtības, jo kabeļos esošo vadītāju raksturlielumi ir neviendabīgi. Lielos attālumos signāla ātruma viļņošanās var izraisīt pulksteņa rādīšanu tik vēlu vai pārāk agri atbilstošajam datu signālam, ka datu bits tiek izlaists vai pārlasīts. Vēl viens iemesls, kāpēc tīkli atsakās izmantot pulksteņa impulsus, ir vadītāju taupīšana dārgos kabeļos. Tāpēc tīkli izmanto t.s pašsinhronizācijas kodi, kuru signāli nes raidītājam norādes, kurā brīdī ir nepieciešams atpazīt nākamo bitu (vai vairākus bitus, ja kods ir orientēts uz vairāk nekā diviem signāla stāvokļiem). Jebkurš straujš signāla kritums - tā sauktais priekšā- var kalpot kā laba norāde uztvērēja sinhronizācijai ar raidītāju. Izmantojot sinusoīdus kā nesējsignālu, iegūtajam kodam ir pašsinhronizācijas īpašība, jo nesējfrekvences amplitūdas izmaiņas ļauj uztvērējam noteikt ievades koda parādīšanās brīdi.

Izkropļotu datu atpazīšana un labošana ir grūti īstenojama ar fiziskā slāņa palīdzību, tāpēc visbiežāk šo darbu veic augstāk esošie protokoli: kanāls, tīkls, transports vai lietojumprogramma. No otras puses, kļūdu atpazīšana fiziskajā slānī ietaupa laiku, jo uztvērējs negaida, kad kadrs tiks pilnībā buferizēts, bet gan nekavējoties to noraida, kad kadrā tiek atpazīti kļūdaini biti.

Prasības kodēšanas metodēm ir savstarpēji pretrunīgas, tāpēc katrai no tālāk aplūkotajām populārajām digitālās kodēšanas metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi salīdzinājumā ar citām.

Viena no vienkāršākajām metodēm potenciāls kodēšana ir vienpolāra potenciāla kods, ko sauc arī par kodēšanu bez atgriešanās uz nulli (Non Return to Zero-NRZ) (att.7.1.a). Uzvārds atspoguļo faktu, ka, pārraidot vieninieku secību, signāls cikla laikā neatgriežas līdz nullei. NRZ metodei ir laba kļūdu noteikšana (divu krasi atšķirīgu potenciālu dēļ), taču tai nav pašsinhronizācijas īpašību. Pārraidot garu vieninieku vai nulles secību, līnijas signāls nemainās, tāpēc uztvērējs pēc ieejas signāla nevar noteikt laika punktus, kad nepieciešams vēlreiz nolasīt datus. Pat ar ļoti precīzu pulksteņa ģeneratoru uztvērējs var kļūdīties ar datu iegūšanas brīdi, jo abu ģeneratoru frekvences gandrīz nekad nav pilnībā identiskas. Tāpēc pie lieliem datu pārraides ātrumiem un garām vieninieku vai nulles secībām neliela pulksteņa frekvenču neatbilstība var izraisīt kļūdu visā ciklā un attiecīgi nolasīt nepareizu bitu vērtību.

a B C D E F

Rīsi. 7.1. Bināro datu kodēšanas metodes: a-unipolārs potenciāls

sociālais kods; b- bipolārā potenciāla kods; iekšā- vienpolārs im-

impulsa kods; G -bipolāra impulsa kods; d-"Mančestras" kods;

e- potenciālais kods ar četriem signāla līmeņiem.

Vēl viens nopietns NRZ metodes trūkums ir zemas frekvences komponenta klātbūtne, kas tuvojas nullei, pārraidot garas vieninieku vai nulles secības. Šī iemesla dēļ daudzas sakaru līnijas, kas nenodrošina tiešu galvanisku savienojumu starp uztvērēju un avotu, neatbalsta šāda veida kodējumu. Rezultātā NRZ kods tīrā veidā netiek izmantots tīklos, bet tiek izmantotas tā dažādas modifikācijas, kurās tiek novērsta gan slikta NRZ koda pašsinhronizācija, gan pastāvīga komponenta klātbūtne.

Viena no NRZ metodes modifikācijām ir metode bipolārā potenciāla kodēšana ar alternatīvu inversiju (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI).Šajā metodē ( rīsi. 7.1.b) tiek izmantoti trīs potenciālie līmeņi - negatīvs, nulle un pozitīvs. Lai kodētu loģisko nulli, tiek izmantots nulles potenciāls, un loģiskā vienība tiek kodēta ar pozitīvu vai negatīvu potenciālu (šajā gadījumā katras jaunas vienības potenciāls ir pretējs iepriekšējās potenciālam). AMI kods daļēji novērš līdzstrāvu un NRZ kodam raksturīgo pašregulēšanas problēmu trūkumu. Tas notiek, sūtot garas sērijas. Šajos gadījumos signāls uz līnijas ir bipolāru impulsu secība ar tādu pašu spektru kā NRZ kods, kas pārraida mainīgas nulles un vieniniekus, tas ir, bez konstanta komponenta un ar pamata harmoniku N/2 Hz (kur N ir datu bitu pārraides ātrums). Garas nulles ir bīstamas arī AMI kodam, kā arī NRZ kodam - signāls deģenerējas nemainīgā nulles amplitūdas potenciālā. Kopumā dažādām bitu kombinācijām līnijā AMI koda izmantošana rada šaurāku signāla spektru nekā NRZ kodam un līdz ar to arī lielāku līnijas caurlaidspēju. Piemēram, pārraidot pārmaiņus vieniniekus un nulles, pamata harmonikai f 0 ir N/4 Hz frekvence. AMI kods nodrošina arī dažas funkcijas kļūdainu signālu atpazīšanai. Tādējādi signālu stingras polaritātes maiņas pārkāpums norāda uz viltus impulsu vai pareiza impulsa pazušanu no līnijas. Tiek izsaukts signāls ar nepareizu polaritāti aizliegts signāls (signāla pārkāpums). Tā kā AMI kods izmanto nevis divus, bet trīs signāla līmeņus vienā līnijā, papildu līmenim ir nepieciešams palielināt raidītāja jaudu, lai nodrošinātu tādu pašu bitu precizitāti līnijā, kas ir vispārējs trūkums kodiem ar vairākiem signāla stāvokļiem, salīdzinot ar kodiem, kas tikai atšķirt divus stāvokļus.

Vienkāršākās metodes impulsīvs kodējumi ir unipolāra impulsa kods, kurā vienu attēlo impulss un nulli attēlo tā neesamība ( rīsi. 7.1c), un bipolārā pulsa kods, kurā vienība ir attēlota ar vienas polaritātes impulsu, bet nulle ir otra ( rīsi. 7,1 g). Katrs impulss ilgst pusi cikla. Bipolārā impulsa kodam ir labas pašpulksteņa īpašības, taču var būt līdzstrāvas impulsa komponents, piemēram, pārraidot garu vieninieku vai nulles secību. Turklāt tā spektrs ir plašāks nekā potenciālajiem kodiem. Tātad, pārraidot visas nulles vai vieniniekus, koda pamata harmonikas frekvence būs vienāda ar N Hz, kas ir divas reizes augstāka par NRZ koda pamata harmoniku un četras reizes augstāka par AMI koda pamata harmoniku. pārraidot pārmaiņus vieniniekus un nulles. Pārāk plašā spektra dēļ bipolārā impulsa kods tiek izmantots reti.

Vietējos tīklos līdz nesenam laikam visizplatītākā kodēšanas metode bija tā sauktā " Mančestras kods"(rīsi. 7.1d). Mančestras kodā potenciāls kritums, tas ir, impulsa priekšpuse, tiek izmantots, lai kodētu vieniniekus un nulles. Mančestras kodējumā katrs pulkstenis ir sadalīts divās daļās. Informācija tiek kodēta ar iespējamiem kritumiem, kas notiek katra cikla vidū. Vienība tiek kodēta ar pāreju no zemas uz augstu, un nulle tiek kodēta ar apgrieztu pāreju. Katra cikla sākumā var rasties apkalpošanas signāla mala, ja pēc kārtas ir jāattēlo vairāki vieninieki vai nulles. Tā kā signāls mainās vismaz vienu reizi viena datu bita pārraides ciklā, Mančestras kodam ir labas pašpulksteņa īpašības. Mančestras koda joslas platums ir šaurāks nekā bipolārā impulsa joslas platums. Tam nav arī nemainīga komponenta, un pamata harmonikai sliktākajā gadījumā (pārraidot vieninieku vai nulles secību) ir N Hz frekvence, un labākajā gadījumā (pārraidot pārmaiņus vieniniekus un nulles) tā ir vienāda. līdz N / 2 Hz, piemēram, AMI kodos vai NRZ. Vidēji Mančestras koda joslas platums ir pusotru reizi šaurāks nekā bipolārā impulsa koda joslas platums, un pamata harmonika svārstās ap 3N/4. Vēl viena Mančestras koda priekšrocība ir tā, ka tam ir tikai divi signāla līmeņi, savukārt bipolārajam impulsa kodam ir trīs.

Ir arī iespējamie kodi ar lielu skaitu signāla līmeņu datu kodēšanai. Parādīts kā piemērs ( 7.1.e attēls) potenciālais kods 2B1Q ar četriem signāla līmeņiem datu kodēšanai. Šajā kodā katri divi biti tiek pārraidīti vienā ciklā ar signālu, kuram ir četri stāvokļi. Bitu pāris "00" atbilst potenciālam -2,5 V, bitu pāris "01" - potenciālam -0,833 V, bitu pāris "11" - +0,833 V potenciāls un pāris biti "10" - potenciāls +2,5 V. Šī kodēšanas metode prasa papildu pasākumus, lai tiktu galā ar garām identisku bitu pāru sekvencēm, kopš tā laika signāls pārvēršas nemainīgā komponentā. Izmantojot nejaušu bitu pārklāšanu, signāla spektrs ir divreiz šaurāks nekā NRZ kodam (ar tādu pašu bitu pārraides ātrumu cikla laiks tiek dubultots). Tādējādi, izmantojot uzrādīto 2B1Q kodu, ir iespējams pārsūtīt datus pa to pašu līniju divreiz ātrāk nekā izmantojot AMI kodu. Tomēr tā ieviešanai raidītāja jaudai jābūt lielākai, lai uztvērējs uz traucējumu fona skaidri atšķirtu četrus līmeņus.

Lai uzlabotu iespējamos kodus, piemēram, AMI un 2B1Q, loģiskā kodēšana. Loģiskā kodēšana ir paredzēta, lai aizstātu garas bitu sekvences, kas noved pie nemainīga potenciāla, kas mijas ar bitiem. Loģiskajai kodēšanai ir raksturīgas divas metodes - lieki kodi un kodēšana.

Lieki kodi pamatā ir sākotnējās bitu secības sadalīšana daļās, kuras bieži sauc par rakstzīmēm. Pēc tam katra sākotnējā rakstzīme tiek aizstāta ar jaunu, kurā ir vairāk bitu nekā oriģinālajā. Piemēram, 4B/5B loģiskais kods aizstāj sākotnējās 4 bitu rakstzīmes ar 5 bitu rakstzīmēm. Tā kā iegūtie simboli satur liekus bitus, kopējais bitu kombināciju skaits tajos ir lielāks nekā oriģinālajos. Tātad 4B / 5B kodā iegūtie simboli var saturēt 32 bitu kombinācijas, bet sākotnējie simboli - tikai 16. Tāpēc iegūtajā kodā varat atlasīt 16 šādas kombinācijas, kas nesatur lielu skaitu nulles, un saskaiti pārējo aizliegtie kodi (koda pārkāpums). Papildus līdzstrāvas noņemšanai un koda pašsinhronizēšanai lieki kodi ļauj uztvērējam atpazīt bojātus bitus. Ja uztvērējs saņem aizliegtu kodu, tas nozīmē, ka signāls līnijā ir izkropļots. 4V/5V kods tiek pārraidīts pa līniju, izmantojot fizisku kodēšanu, izmantojot vienu no iespējamām kodēšanas metodēm, kas ir jutīgas tikai pret garām nulles sekvencēm. 4V/5V koda simboli, 5 biti gari, garantē, ka jebkurai to kombinācijai rindā var būt ne vairāk kā trīs nulles pēc kārtas. Burts B koda nosaukumā nozīmē, ka elementārajam signālam ir 2 stāvokļi (no angļu valodas binārais - binārs). Ir arī kodi ar trim signāla stāvokļiem, piemēram, 8B / 6T kodā, lai kodētu 8 bitus sākotnējās informācijas, tiek izmantots 6 signālu kods, no kuriem katram ir trīs stāvokļi. 8B/6T koda redundance ir lielāka nekā 4B/5B koda dublēšana, jo 256 avota kodiem ir 729 (3 līdz 6 pakāpei). Uzmeklēšanas tabulas izmantošana ir ļoti vienkārša darbība, tāpēc šī pieeja nesarežģī slēdžu un maršrutētāju tīkla adapterus un interfeisa blokus (sk. sadaļas 9,11).

Lai nodrošinātu noteiktu līnijas jaudu, raidītājam, kas izmanto lieku kodu, jādarbojas ar palielinātu takts frekvenci. Tātad, lai pārraidītu 4V / 5V kodus ar ātrumu 100 Mbps, raidītājam jādarbojas ar takts frekvenci 125 MHz. Šajā gadījumā signāla spektrs uz līnijas tiek paplašināts, salīdzinot ar gadījumu, kad pa līniju tiek pārraidīts tīrs, nedublīgs kods. Neskatoties uz to, liekā potenciāla koda spektrs izrādās šaurāks nekā Mančestras koda spektrs, kas attaisno loģiskās kodēšanas papildu posmu, kā arī uztvērēja un raidītāja darbību ar palielinātu takts frekvenci.

Vēl viens loģiskās kodēšanas veids ir balstīts uz sākotnējās informācijas iepriekšēju "sajaukšanu" tādā veidā, ka vieninieku un nulles parādīšanās iespējamība rindā kļūst tuvu. Tiek izsauktas ierīces vai bloki, kas veic šo darbību skrembleri(kross - izgāztuve, nesakārtota montāža). Plkst šifrēšana tiek izmantots labi zināms algoritms, tāpēc uztvērējs, saņēmis bināros datus, tos pārraida uz atšifrētājs, kas atjauno sākotnējo bitu secību. Liekie biti netiek pārsūtīti pa līniju. Mūsdienu ātrgaitas tīkla tehnoloģijās tiek izmantota uzlabota potenciālā dublēšana un kodēti kodi, nevis "Mančestras" un bipolārā impulsa kodēšana.

7.6. Sakaru līniju multipleksēšanas tehnoloģijas

Priekš multipleksēšana sakaru līniju ("blīvēšana"), tiek izmantotas vairākas tehnoloģijas. Tehnoloģija biežumsmultipleksēšana(Frekvences dalīšanas multipleksēšana - FDM) sākotnēji tika izstrādāts tālruņu tīkliem, taču tiek izmantots arī cita veida tīkliem, piemēram, kabeļtelevīzijas tīkliem. Šī tehnoloģija paredz katra abonenta kanāla signālu pārsūtīšanu uz savu frekvenču diapazonu un signālu vienlaicīgu pārraidi no vairākiem abonentu kanāliem vienā platjoslas sakaru līnijā. Piemēram, FDM slēdža ieejas saņem sākotnējos signālus no telefona tīkla abonentiem. Slēdzis veic katra kanāla frekvences pārveidošanu savā frekvenču joslā. Parasti augstfrekvences diapazons ir sadalīts joslās, kas tiek piešķirtas datu pārraidei no abonentu kanāliem. Sakaru līnijā starp diviem FDM slēdžiem vienlaicīgi tiek pārraidīti visu abonentu kanālu signāli, taču katrs no tiem aizņem savu frekvenču joslu. Izejas FDM slēdzis atdala katras nesējfrekvences modulētos signālus un pārraida tos uz atbilstošo izejas kanālu, kuram ir tieši pievienots abonenta tālrunis. FDM slēdži var veikt gan dinamisku, gan pastāvīgu pārslēgšanu. Dinamiskajā komutācijā viens abonents uzsāk savienojumu ar citu abonentu, nosūtot tīklam izsauktā abonenta numuru. Slēdzis šim abonentam dinamiski piešķir vienu no brīvajām joslām. Ar pastāvīgu pārslēgšanu josla tiek piešķirta abonentam uz ilgu laiku. Pārslēgšanās princips, pamatojoties uz frekvenču sadalījumu, cita veida tīklos paliek nemainīgs, mainās tikai atsevišķam abonentu kanālam piešķirto joslu robežas, kā arī to skaits.

Multipleksēšanas tehnoloģijalaika dalīšana(Laika dalīšanas multipleksēšana — TDM) vai pagaidu multipleksēšana ir balstīta uz TDM iekārtu (multiplekseru, slēdžu, demultiplekseru) izmantošanu, kas darbojas laika dalīšanas režīmā, cikla laikā apkalpojot visus abonentu kanālus pēc kārtas. Katram savienojumam tiek piešķirta viena aparatūras darbības cikla daļa, ko sauc arī par laika sprauga. Laika slota ilgums ir atkarīgs no aprīkojuma apkalpoto abonentu kanālu skaita. TDM tīkli var atbalstīt jebkuru no tiem dinamisks, vai nemainīgs pārslēgšanās un dažreiz abi šie režīmi.

Tīkli ar dinamiska pārslēgšana nepieciešama iepriekšēja procedūra savienojuma izveidošanai starp abonentiem. Lai to izdarītu, izsauktā abonenta adrese tiek pārsūtīta uz tīklu, kas iet caur slēdžiem un konfigurē tos turpmākai datu pārraidei. Savienojuma pieprasījums tiek maršrutēts no viena slēdža uz otru un galu galā sasniedz izsaukto pusi. Tīkls var atteikties izveidot savienojumu, ja vajadzīgā izvades kanāla jauda jau ir izsmelta. FDM slēdžam izejas jauda ir vienāda ar frekvenču joslu skaitu, un TDM slēdzim tā ir vienāda ar laika nišu skaitu, kurās ir sadalīts kanāla darbības cikls. Tīkls atsaka savienojumu arī tad, ja pieprasītais abonents jau ir izveidojis savienojumu ar kādu citu. Pirmajā gadījumā viņi saka, ka slēdzis ir aizņemts, bet otrajā - abonents. Savienojuma atteices iespēja ir ķēdes pārslēgšanas metodes trūkums. Ja savienojumu var izveidot, tam tiek piešķirts fiksēts joslas platums FDM tīklos vai fiksēts joslas platums TDM tīklos. Šīs vērtības paliek nemainīgas visā savienojuma periodā. Garantēta tīkla caurlaidspēja pēc savienojuma izveides ir svarīga funkcija, kas nepieciešama tādām lietojumprogrammām kā balss un video pārraide vai reāllaika objektu vadība.

Ja ir tikai viens fiziskais sakaru kanāls, piemēram, apmainoties ar datiem, izmantojot modemus telefona tīklā, dupleksā darbība tiek organizēta, pamatojoties uz kanāla sadalīšanu divos loģiskos apakškanālos, izmantojot FDM vai TDM tehnoloģijas. Izmantojot FDM tehnoloģiju, modemi dupleksās darbības organizēšanai divu vadu līnijā darbojas četrās frekvencēs (divas frekvences - vieninieku un nulles kodēšanai, pārsūtot datus vienā virzienā, un pārējās divas frekvences - kodēšanai, pārraidot pretējā virzienā ). TDM tehnoloģijā daži laika niši tiek izmantoti datu pārsūtīšanai vienā virzienā, bet daži tiek izmantoti datu pārsūtīšanai otrā virzienā. Parasti mainās pretējo virzienu laika nišas.

Optisko šķiedru kabeļos dupleksās darbības organizēšanai, izmantojot tikai vienu optisko šķiedru, datu pārraide vienā virzienā tiek veikta, izmantojot viena viļņa garuma gaismas staru kūli, bet pretējā virzienā - atšķirīgu viļņa garumu. Šī tehnoloģija būtībā ir saistīta ar FDM metodi, bet optisko šķiedru kabeļiem to sauc viļņu garuma multipleksēšanas tehnoloģijas(Viļņu dalīšanas multipleksēšana - WDM) vai vilnis multipleksēšana.

Tehnoloģijablīvs vilnis(spektrālā) multipleksēšana(blīvā viļņu dalīšanas multipleksēšana - DWDM) ir izstrādāts, lai izveidotu jaunas paaudzes optiskos mugurkaulus, kas darbojas ar vairāku gigabitu un terabitu ātrumu. Šāds kvalitatīvs veiktspējas lēciens ir saistīts ar faktu, ka informāciju optiskajā šķiedrā vienlaikus pārraida liels skaits gaismas viļņu. DWDM tīkli darbojas pēc ķēdes komutācijas principa, katrs gaismas vilnis pārstāv atsevišķu spektrālo kanālu un nes savu informāciju. Viena no galvenajām DWDM tehnoloģijas priekšrocībām ir optiskās šķiedras, kuras teorētiskais joslas platums ir 25 000 GHz, frekvences potenciāla izmantošanas koeficienta ievērojams pieaugums.

Kopsavilkums

Mūsdienu telekomunikāciju sistēmās informācija tiek pārraidīta ar elektromagnētisko viļņu palīdzību – elektriskiem, gaismas vai radio signāliem.

Sakaru līnijas atkarībā no informācijas pārraides fiziskā nesēja veida var būt kabeļa (vadu) vai bezvadu. Kā sakaru līnijas tiek izmantoti telefona kabeļi, kuru pamatā ir paralēli nesavīti vadītāji, koaksiālie kabeļi, kabeļi, kuru pamatā ir vītā vadu pāri (neekranēti un ekranēti), optiskās šķiedras kabeļi. Šodien visefektīvākie un tuvākajā nākotnē daudzsološi ir kabeļi, kuru pamatā ir vītā vadu pāri un optiskās šķiedras kabeļi. Bezvadu sakaru līnijas visbiežāk tiek īstenotas, pārraidot radio signālus dažādās radioviļņu joslās. Infrasarkanā bezvadu datu pārraides tehnoloģija izmanto daļu no elektromagnētiskā spektra starp redzamo gaismu un īsākajiem mikroviļņiem. Vislielākā ātruma un trokšņu izturīgākā ir bezvadu sakaru lāzera tehnoloģija.

Sakaru līniju galvenie raksturlielumi ir frekvences reakcija, joslas platums un vājināšanās noteiktā frekvencē.

Sakaru līnijas caurlaidspēja raksturo maksimālo iespējamo datu pārraides ātrumu pa to. Sakaru līnijas trokšņu noturība nosaka tās spēju samazināt ārējā vidē radīto traucējumu līmeni uz iekšējiem vadītājiem. Datu pārraides ticamība raksturo izkropļojumu iespējamību katram pārraidītajam datu bitam.

Diskrētas informācijas attēlošanu vienā vai otrā veidā no sakaru līnijai pielietotajiem signāliem sauc par fizisko kodēšanu. Loģiskā kodēšana ietver sākotnējās informācijas bitu aizstāšanu ar jaunu bitu secību, kas satur to pašu informāciju, bet kurai ir papildu īpašības.

Lai pārraidītu diskrētus datus pa sakaru līnijām ar šauru frekvenču joslu, tiek izmantota analogā modulācija, kurā informācija tiek kodēta, mainot sinusoidālā nesējfrekvences signāla amplitūdu, frekvenci vai fāzi. Ciparu kodējot diskrētu informāciju, tiek izmantoti potenciāla un impulsa kodi. Sakaru līniju multipleksēšanai tiek izmantotas frekvences, laika un viļņu multipleksēšanas tehnoloģijas.

Kontroles jautājumi un uzdevumi

1. Norādiet sakaru līniju klasifikāciju.

2. Aprakstiet izplatītākās kabeļu sakaru līnijas.

3. Norādiet galvenās bezvadu sakaru līnijas un sniedziet to salīdzinošos raksturlielumus.

4. Kādu fizisko faktoru dēļ sakaru kanāli kropļo pārraidītos signālus?

5. Kāda ir sakaru kanāla amplitūdas-frekvences īpašība?

6. Kādās vienībās mēra sakaru kanāla joslas platumu?

7. Aprakstiet jēdzienu "sakaru līnijas trokšņu noturība".

8. Kas nosaka raksturlielumu "datu pārraides ticamība" un kādās vienībās to mēra?

9. Kas ir "analogā modulācija" un kādi tās veidi tiek izmantoti diskrētu datu pārraidei?

10. Kāda ierīce veic nesēja sinusoīda modulēšanas funkcijas raidīšanas pusē un demodulē uztveršanas pusē?

11. Nosakiet atšķirību starp ciparu signālu potenciāla un impulsa kodēšanu.

12. Kas ir pašsinhronizējošie kodi?

13. Kāds ir digitālo signālu loģiskās kodēšanas mērķis un kādas metodes tiek izmantotas?

14. Aprakstiet sakaru līniju frekvenču multipleksēšanas tehnoloģiju.

15. Kādas ir laika dalīšanas multipleksēšanas tehnoloģijas iezīmes?

16. Kāda multipleksēšanas tehnoloģija tiek izmantota optisko šķiedru kabeļos, lai organizētu duplekso darbību, izmantojot tikai vienu optisko šķiedru?

17. Kāds ir blīvo viļņu multipleksēšanas tehnoloģijas mērķis?