Métodos de transferência na camada física. Transferência de dados discretos na camada física

Tópico 2. Camada física

Plano

Fundamentos teóricos da transmissão de dados

As informações podem ser transmitidas por fios alterando alguma quantidade física, como tensão ou corrente. Ao representar o valor da tensão ou corrente como uma função de tempo de valor único, é possível modelar o comportamento do sinal e submetê-lo à análise matemática.

Séries de Fourier

No início do século 19, o matemático francês Jean-Baptiste Fourier provou que qualquer função periódica com período T pode ser expandida em uma série (possivelmente infinita) consistindo de somas de senos e cossenos:
(2.1)
onde é a frequência fundamental (harmônico), e são as amplitudes dos senos e cossenos do n-ésimo harmônico, e c é uma constante. Essa expansão é chamada de série de Fourier. A função expandida na série de Fourier pode ser restaurada pelos elementos desta série, ou seja, se o período T e as amplitudes dos harmônicos são conhecidos, então a função original pode ser restaurada usando a soma da série (2.1).
Um sinal de informação que tem uma duração finita (todos os sinais de informação têm uma duração finita) pode ser expandido em uma série de Fourier se imaginarmos que todo o sinal se repete indefinidamente (isto é, o intervalo de T a 2T repete completamente o intervalo de 0 a T, e etc.).
As amplitudes podem ser calculadas para qualquer função. Para fazer isso, você precisa multiplicar os lados esquerdo e direito da equação (2.1) por e, em seguida, integrar de 0 a T. Como:
(2.2)
apenas um membro da série permanece. A linha desaparece completamente. Da mesma forma, multiplicando a equação (2.1) por e integrando ao longo do tempo de 0 a T, pode-se calcular os valores. Se integrarmos ambas as partes da equação sem alterá-la, podemos obter o valor da constante Com. Os resultados dessas ações serão os seguintes:
(2.3.)

Mídia de armazenamento gerenciada

A finalidade da camada física de uma rede é transferir o fluxo de bits bruto de uma máquina para outra. Vários meios físicos, também chamados meios de propagação de sinal, podem ser usados para transmissão. Cada um deles possui um conjunto característico de larguras de banda, atrasos, preços e facilidade de instalação e uso. A mídia pode ser dividida em dois grupos: mídia direcionável, como fio de cobre e cabo de fibra óptica, e mídia não direcionável, como transmissão de rádio e feixe de laser sem cabo.

Mídia magnética

Uma das maneiras mais fáceis de transferir dados de um computador para outro é gravá-los em fita ou outra mídia removível (como um DVD regravável), transferir fisicamente essas fitas e discos para o destino e lê-los lá.
Alto rendimento. Um cartucho de fita Ultrium padrão contém 200 GB. Cerca de 1000 desses cassetes são colocados em uma caixa de 60x60x60, o que dá uma capacidade total de 1600 Tbit (1,6 Pbit). Uma caixa de cassetes pode ser enviada dentro dos EUA em 24 horas pela Federal Express ou outra empresa. A largura de banda efetiva para esta transmissão é de 1600 Tbps/86400 s, ou 19 Gbps. Se o destino estiver a apenas uma hora de distância, a taxa de transferência será superior a 400 Gbps. Nem uma única rede de computadores ainda é capaz de chegar perto de tais indicadores.
Lucratividade. O preço de atacado do cassete é de cerca de US $ 40. Uma caixa de fitas custará US$ 4.000, e a mesma fita pode ser usada dezenas de vezes. Vamos adicionar $ 1.000 para envio (na verdade, muito menos) e obter cerca de $ 5.000 para transferir 200 TB, ou 3 centavos por gigabyte.
Imperfeições. Embora a velocidade de transferência de dados usando fitas magnéticas seja excelente, a quantidade de atraso em tal transferência é muito grande. O tempo de transferência é medido em minutos ou horas, não em milissegundos. Muitos aplicativos exigem resposta imediata do sistema remoto (no modo conectado).

par trançado

Um par trançado consiste em dois fios de cobre isolados com um diâmetro típico de 1 mm. Os fios torcem um ao redor do outro na forma de uma espiral. Isso permite reduzir a interação eletromagnética de vários pares trançados adjacentes.
Aplicação - linha telefônica, rede de computadores. Ele pode transmitir um sinal sem atenuação de potência em uma distância de vários quilômetros. Repetidores são necessários para distâncias maiores. Eles são combinados em um cabo, com um revestimento protetor. Um par de fios é trançado no cabo para evitar sobreposição de sinal. Eles podem ser usados para transmitir dados analógicos e digitais. A largura de banda depende do diâmetro e comprimento do fio, mas na maioria dos casos, vários megabits por segundo podem ser alcançados em distâncias de vários quilômetros. Devido à largura de banda bastante alta e ao baixo custo, os cabos de par trançado são amplamente utilizados e provavelmente continuarão a ser populares no futuro.
Cabos de par trançado vêm em várias formas, duas das quais são particularmente importantes no campo de redes de computadores. O par trançado de categoria 3 (CAT 3) consiste em dois fios isolados torcidos juntos. Quatro desses pares são geralmente colocados juntos em um invólucro de plástico.
O par trançado da categoria 5 (CAT 5) é semelhante ao par trançado da categoria 3, mas tem mais voltas por centímetro de comprimento do fio. Isso torna possível reduzir ainda mais a interferência entre os diferentes canais e proporcionar uma melhor qualidade de transmissão do sinal em longas distâncias (Fig. 1).

Arroz. 1. UTP categoria 3 (a), UTP categoria 5 (b).
Todos esses tipos de conexões são frequentemente chamados de UTP (par trançado não blindado - par trançado não blindado)
Cabos de par trançado blindados da IBM não se tornaram populares fora da IBM.

Cabo coaxial

Outro meio comum de transmissão de dados é o cabo coaxial. É melhor blindado do que o par trançado, para que possa transportar dados por distâncias maiores em velocidades mais altas. Dois tipos de cabos são amplamente utilizados. Um deles, de 50 ohms, costuma ser usado para transmissão de dados exclusivamente digitais. Outro tipo de cabo, o de 75 ohms, é frequentemente usado para transmitir informações analógicas, assim como na televisão a cabo.
A vista em corte do cabo é mostrada na Figura 2.

Arroz. 2. Cabo coaxial.
O design e o tipo especial de blindagem do cabo coaxial proporcionam alta largura de banda e excelente imunidade a ruídos. O rendimento máximo depende da qualidade, comprimento e relação sinal-ruído da linha. Os cabos modernos têm uma largura de banda de cerca de 1 GHz.
Aplicação - sistemas de telefonia (rede), televisão por cabo, redes regionais.

fibra ótica

A tecnologia de fibra óptica atual pode atingir taxas de dados de até 50.000 Gb/s (50 Tb/s), e muitas pessoas estão procurando por materiais melhores. O limite prático de hoje de 10 Gbps é devido à incapacidade de converter sinais elétricos em sinais ópticos e vice-versa mais rapidamente, embora 100 Gbps em uma única fibra já tenham sido alcançados em condições de laboratório.
Um sistema de transmissão de dados de fibra óptica consiste em três componentes principais: uma fonte de luz, uma portadora através da qual o sinal de luz se propaga e um receptor de sinal ou detector. Um pulso de luz é considerado como um, e a ausência de pulso é considerada como zero. A luz se propaga em uma fibra de vidro ultrafina. Quando a luz o atinge, o detector gera um impulso elétrico. Ao conectar uma fonte de luz a uma extremidade de uma fibra óptica e um detector à outra, obtém-se um sistema de transmissão de dados unidirecional.
Ao transmitir um sinal de luz, é usada a propriedade de reflexão e refração da luz durante a transição de 2 meios. Assim, quando a luz é fornecida em um determinado ângulo em relação ao limite do meio, o feixe de luz é completamente refletido e travado na fibra (Fig. 3).

Arroz. 3. Propriedade de refração da luz.
Existem 2 tipos de cabo de fibra óptica: multimodo - transmite um feixe de luz, monomodo - fino ao limite de vários comprimentos de onda, age quase como um guia de ondas, a luz se move em linha reta sem reflexão. Os links de fibra monomodo atuais podem operar a 50 Gbps em distâncias de até 100 km.
Três faixas de comprimento de onda são usadas em sistemas de comunicação: 0,85, 1,30 e 1,55 µm, respectivamente.
A estrutura do cabo de fibra óptica é semelhante à do fio coaxial. A única diferença é que o primeiro não tem grade de triagem.
No centro do núcleo da fibra óptica há um núcleo de vidro através do qual a luz se propaga. A fibra multimodo tem um diâmetro de núcleo de 50 µm, que é aproximadamente a espessura de um fio de cabelo humano. O núcleo em uma fibra monomodo tem um diâmetro de 8 a 10 µm. O núcleo é coberto com uma camada de vidro com índice de refração menor que o do núcleo. Ele foi projetado para evitar que a luz escape do núcleo de forma mais confiável. A camada externa é um invólucro de plástico que protege o vidro. Os núcleos de fibra óptica são geralmente agrupados em feixes protegidos por uma bainha externa. A Figura 4 mostra um cabo de três núcleos.

Arroz. 4. Cabo de fibra óptica de três núcleos.
Em caso de ruptura, a conexão dos segmentos de cabo pode ser realizada de três maneiras:

Um conector especial pode ser conectado à extremidade do cabo, com o qual o cabo é inserido em um soquete óptico. A perda é de 10 a 20% da intensidade da luz, mas facilita a alteração da configuração do sistema.

Emenda - duas extremidades bem cortadas do cabo são colocadas uma ao lado da outra e presas com uma manga especial. A transmissão de luz melhorada é alcançada alinhando as extremidades do cabo. Perda - 10% da potência da luz.

Fusão. Praticamente não há perda.

Dois tipos de fonte de luz podem ser usados para transmitir um sinal através de um cabo de fibra óptica: diodos emissores de luz (LED, Light Emitting Diode) e lasers semicondutores. Suas características comparativas são dadas na tabela 1.

Tabela 1.
Tabela de comparação de uso de LED e laser semicondutor
A extremidade receptora de um cabo óptico é um fotodiodo que gera um pulso elétrico quando a luz incide sobre ele.

Características comparativas do cabo de fibra óptica e do fio de cobre.

A fibra óptica tem várias vantagens:

Alta velocidade.

Menos atenuação de sinal, menos saída de repetidores (um por 50 km, não 5)

Inerte à radiação eletromagnética externa, quimicamente neutro.

Mais leve em peso. 1000 pares trançados de cobre com 1 km de comprimento pesam cerca de 8000 kg. Um par de cabos de fibra óptica pesa apenas 100 kg com mais largura de banda

Baixos custos de colocação

Imperfeições:

Dificuldade e competência na instalação.

transmissão em modo simplex, é necessário um mínimo de 2 fios entre as redes.

Conexão sem fio

espectro eletromagnético

O movimento dos elétrons gera ondas eletromagnéticas que podem se propagar no espaço (mesmo no vácuo). O número de oscilações de oscilações eletromagnéticas por segundo é chamado de frequência e é medido em hertz. A distância entre dois altos (ou baixos) sucessivos é chamada de comprimento de onda. Este valor é tradicionalmente denotado pela letra grega (lambda).
Se uma antena de tamanho adequado for incluída no circuito elétrico, as ondas eletromagnéticas poderão ser recebidas com sucesso pelo receptor a uma certa distância. Todos os sistemas de comunicação sem fio são baseados neste princípio.
No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam na mesma velocidade, independentemente de sua frequência. Essa velocidade é chamada de velocidade da luz, - 3*108 m/s. Em cobre ou vidro, a velocidade da luz é cerca de 2/3 deste valor, e também depende ligeiramente da frequência.
Relação de quantidades, e:

Se a frequência () é medida em MHz, e o comprimento de onda () em metros então.
A totalidade de todas as ondas eletromagnéticas forma o chamado espectro contínuo de radiação eletromagnética (Fig. 5). Rádio, micro-ondas, infravermelho e luz visível podem ser usados para transmitir informações usando modulação de amplitude, frequência ou fase de ondas. Ultravioleta, raios X e raios gama seriam ainda melhores devido às suas altas frequências, mas são difíceis de gerar e modular, não passam bem pelos edifícios e, além disso, são perigosos para todos os seres vivos. O nome oficial dos intervalos é dado na Tabela 6.

Arroz. 5. Espectro eletromagnético e sua aplicação nas comunicações.
Mesa 2.
Nomes oficiais da banda ITU
A quantidade de informação que uma onda eletromagnética pode transportar está relacionada à faixa de frequência do canal. As tecnologias modernas permitem codificar vários bits por hertz em baixas frequências. Sob certas condições, esse número pode aumentar oito vezes em altas frequências.
Conhecendo a largura da faixa de comprimento de onda, é possível calcular a faixa de frequência e a taxa de dados correspondentes.

Exemplo: Para uma faixa de cabo de fibra óptica de 1,3 mícron, então. Então, a 8 bps, você pode obter uma taxa de transferência de 240 Tbps.

Comunicação via rádio

As ondas de rádio são fáceis de gerar, percorrem longas distâncias, atravessam paredes, contornam edifícios, propagam-se em todas as direções. As propriedades das ondas de rádio dependem da frequência (Fig. 6). Ao operar em baixas frequências, as ondas de rádio atravessam bem os obstáculos, mas a intensidade do sinal no ar cai drasticamente à medida que você se afasta do transmissor. A relação de potência e distância da fonte é expressa aproximadamente como segue: 1/r2. Em altas frequências, as ondas de rádio geralmente tendem a viajar apenas em linha reta e ricochetear em obstruções. Além disso, são absorvidos, por exemplo, pela chuva. Os sinais de rádio de qualquer frequência estão sujeitos à interferência de motores de escova de ignição e outros equipamentos elétricos.

Arroz. 6. As ondas das bandas VLF, LF, MF circundam a rugosidade da superfície terrestre (a), as ondas das bandas HF e VHF são refletidas da ionosfera e absorvidas pela terra (b).

Comunicação na faixa de microondas

Em frequências acima de 100 MHz, as ondas de rádio se propagam quase em linha reta, de modo que podem ser focalizadas em feixes estreitos. A concentração de energia na forma de um feixe estreito usando uma antena parabólica (como a conhecida antena parabólica de televisão por satélite) leva a uma melhora na relação sinal-ruído, no entanto, para tal conexão, as antenas transmissoras e receptoras devem ser apontados com bastante precisão um para o outro.
Ao contrário das ondas de rádio com frequências mais baixas, as micro-ondas não atravessam bem os edifícios. O rádio de microondas tornou-se tão amplamente utilizado em telefonia de longa distância, telefones celulares, transmissões de televisão e outras áreas que houve uma grave escassez de espectro.
Esta conexão tem uma série de vantagens em relação à fibra óptica. A principal delas é que não há necessidade de colocar um cabo e, portanto, não há necessidade de pagar pelo arrendamento de terra ao longo do caminho do sinal. Basta comprar pequenos terrenos a cada 50 km e instalar neles torres de retransmissão.

Ondas infravermelhas e milimétricas

A radiação infravermelha e milimétrica sem o uso de um cabo é amplamente utilizada para comunicação em distâncias curtas (por exemplo, controles remotos). Eles são relativamente direcionais, baratos e fáceis de instalar, mas não passam por objetos sólidos.
A comunicação na faixa de infravermelho é usada em sistemas de computação de desktop (por exemplo, para conectar laptops a impressoras), mas ainda não desempenha um papel significativo nas telecomunicações.

Satélites de comunicação

São utilizados os tipos de satélites: geoestacionário (GEO), altitude média (MEO) e órbita baixa (LEO) (Fig. 7).

Arroz. 7. Satélites de comunicação e suas propriedades: altura da órbita, atraso, número de satélites necessários para cobrir toda a superfície do globo.

Rede telefónica pública comutada

Estrutura do sistema telefônico

A estrutura de uma rota de comunicação telefônica típica em distâncias médias é mostrada na Figura 8.

Arroz. 8. Rota de comunicação típica com distância média entre assinantes.

Linhas locais: modems, ADSL, wireless

Como o computador trabalha com sinal digital, e a linha telefônica local é a transmissão de um sinal analógico, um dispositivo de modem é usado para converter digital para analógico e vice-versa, e o processo em si é chamado de modulação/demodulação (Fig. 9) .

Arroz. 9. Uso de linha telefônica ao transmitir um sinal digital.
Existem 3 métodos de modulação (Fig. 10):

modulação de amplitude - 2 amplitudes de sinal diferentes são usadas (para 0 e 1),

frequência - várias frequências de sinal diferentes são usadas (para 0 e 1),

phase - os deslocamentos de fase são usados durante a transição entre as unidades lógicas (0 e 1). Ângulos de cisalhamento - 45, 135, 225, 180.

Na prática, são usados sistemas de modulação combinados.

Arroz. 10. Sinal binário (a); modulação de amplitude (b); modulação de frequência (c); modulação de fase.
Todos os modems modernos permitem transferir dados em ambas as direções, esse modo de operação é chamado de duplex. Uma conexão com capacidade de transmissão serial é chamada de half-duplex. Uma conexão em que a transmissão ocorre em apenas uma direção é chamada de simplex.
A velocidade máxima do modem que pode ser alcançada no momento é de 56Kb/s. padrão V.90.

Linhas de assinantes digitais. tecnologia xDSL.

Depois que a velocidade dos modems atingiu seu limite, as operadoras de telefonia começaram a procurar uma saída para essa situação. Assim, muitas propostas surgiram sob o nome geral xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - linha de assinante digital, onde em vez de x pode haver outras letras. A tecnologia mais conhecida dessas propostas é o ADSL (Asymmetric DSL).
A razão para o limite de velocidade dos modems era que eles usavam a faixa de transmissão da fala humana para transmissão de dados - 300 Hz a 3400 Hz. Juntamente com as frequências de limite, a largura de banda não era de 3100 Hz, mas de 4000 Hz.
Embora o espectro da linha telefônica local seja de 1,1 Hz.
A primeira proposta de tecnologia ADSL utilizava todo o espectro da linha telefônica local, que é dividida em 3 bandas:

POTS - o alcance da rede telefônica convencional;

faixa de saída;

intervalo de entrada.

Uma tecnologia que usa diferentes frequências para diferentes propósitos é chamada de multiplexação de frequência ou multiplexação de frequência.
Um método alternativo chamado modulação multitons discreta, DMT (Discrete MultiTone) consiste em dividir todo o espectro de uma linha local de 1,1 MHz de largura em 256 canais independentes de 4312,5 Hz cada. O canal 0 é POTS. Os canais 1 a 5 não são usados para que o sinal de voz não interfira no sinal de informação. Dos 250 canais restantes, um está ocupado com o controle de transmissão para o provedor, um - para o usuário, e todos os outros estão disponíveis para transmissão de dados do usuário (Fig. 11).

Arroz. 11. Operação ADSL usando modulação multitons discreta.
O padrão ADSL permite receber até 8 Mb/s e enviar até 1 Mb/s. ADSL2+ - saída até 24 Mb/s, entrada até 1,4 Mb/s.
Uma configuração típica de equipamento ADSL contém:

DSLAM - multiplexador de acesso DSL;

O NID é um dispositivo de interface de rede que separa a propriedade da companhia telefônica e do assinante.

Um divisor (splitter) é um divisor de frequência que separa a banda POTS e os dados ADSL.

Arroz. 12. Configuração típica de equipamento ADSL.

Linhas e selos

A economia de recursos desempenha um papel importante no sistema telefônico. O custo de instalação e manutenção de um backbone de alta capacidade e uma linha de baixa qualidade é quase o mesmo (ou seja, a maior parte desse custo é gasta na escavação de trincheiras, e não no próprio cabo de cobre ou fibra óptica).
Por esse motivo, as companhias telefônicas colaboraram para desenvolver vários esquemas para transportar várias conversas em um único cabo físico. Os esquemas de multiplexação (compressão) podem ser divididos em duas categorias principais: FDM (Multiplexação por Divisão de Freqüência - multiplexação por divisão de freqüência) e TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo - multiplexação por divisão de tempo) (Fig. 13).
Com a multiplexação de frequência, o espectro de frequência é dividido entre os canais lógicos, e cada usuário recebe a propriedade exclusiva de sua sub-banda. Na multiplexação por divisão de tempo, os usuários se revezam (ciclicamente) usando o mesmo canal, e cada um recebe a capacidade total do canal por um curto período de tempo.
Os canais de fibra óptica usam uma variante especial de multiplexação de frequência. É chamado multiplexação por divisão espectral (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Arroz. 13. Um exemplo de multiplexação de frequência: espectro original de 1 sinal (a), espectro de frequência deslocada (b), canal multiplexado (c).

Trocando

Do ponto de vista do engenheiro de telefonia médio, o sistema de telefonia consiste em duas partes: equipamentos externos (linhas telefônicas locais e troncos, fora das centrais) e equipamentos internos (quadros) localizados na central telefônica.
Quaisquer redes de comunicação suportam alguma forma de comutação (comunicação) de seus assinantes entre si. É praticamente impossível fornecer a cada par de assinantes que interagem com sua própria linha de comunicação física não comutada, que eles poderiam monopolizar "própria" por muito tempo. Portanto, em qualquer rede, sempre é utilizado algum método de comutação de assinantes, que garante a disponibilidade de canais físicos disponíveis simultaneamente para várias sessões de comunicação entre assinantes da rede.
Duas técnicas diferentes são usadas em sistemas telefônicos: comutação de circuitos e comutação de pacotes.

Comutação de circuitos

A comutação de circuitos implica a formação de um canal físico composto contínuo a partir de seções de canais individuais conectadas em série para transmissão direta de dados entre nós. Em uma rede comutada por circuito, antes da transmissão de dados, é sempre necessário realizar um procedimento de estabelecimento de conexão, durante o qual é criado um canal composto (Fig. 14).

Comutação de pacotes

Na comutação de pacotes, todas as mensagens transmitidas pelo usuário da rede são divididas no nó de origem em partes relativamente pequenas, chamadas de pacotes. Cada pacote é fornecido com um cabeçalho que especifica as informações de endereço necessárias para entregar o pacote ao host de destino, bem como o número do pacote que será usado pelo host de destino para montar a mensagem. Os pacotes são transportados na rede como blocos de informação independentes. Os switches de rede recebem pacotes dos nós finais e, com base nas informações de endereço, os transmitem entre si e, finalmente, para o nó de destino (Fig. 14).
etc.................

A informação inicial que precisa ser transmitida por uma linha de comunicação pode ser discreta (dados de saída do computador) ou analógica (voz, imagem de televisão).

A transmissão de dados discretos é baseada no uso de dois tipos de codificação física:

a) modulação analógica, quando a codificação é realizada alterando os parâmetros de um sinal portador senoidal;

b) codificação digital alterando os níveis da sequência de pulsos retangulares de informação.

A modulação analógica leva a um espectro muito menor do sinal resultante do que com a codificação digital, na mesma taxa de transferência de informações, mas sua implementação requer equipamentos mais complexos e caros.

Atualmente, os dados originais, que têm a forma analógica, são cada vez mais transmitidos pelos canais de comunicação de forma discreta (na forma de uma sequência de uns e zeros), ou seja, é realizada modulação discreta de sinais analógicos.

modulação analógica. Ele é usado para transmitir dados discretos em canais com largura de banda estreita, um representante típico do qual é um canal de frequência de voz fornecido aos usuários de redes telefônicas. Neste canal são transmitidos sinais com frequência de 300 a 3400 Hz, ou seja, sua largura de banda é de 3100 Hz. Tal banda é suficiente para transmissão de voz com qualidade aceitável. A limitação da largura de banda do canal de tom está associada ao uso de equipamentos de multiplexação e comutação de circuitos em redes telefônicas.

Antes da transmissão de dados discretos no lado de transmissão usando um modulador-desmodulador (modem) é realizada a modulação da senóide portadora da sequência original de dígitos binários. A conversão inversa (demodulação) é realizada pelo modem receptor.

Existem três maneiras de converter dados digitais em formato analógico ou três métodos de modulação analógica:

Modulação de amplitude, quando apenas a amplitude da portadora de oscilações senoidais muda de acordo com a sequência de bits de informação transmitidos: por exemplo, ao transmitir um, a amplitude de oscilação é definida como grande e, ao transmitir zero, é pequena ou há nenhum sinal de portadora;

Modulação de frequência, quando sob a influência de sinais modulantes (bits de informação transmitidos) apenas a frequência portadora das oscilações senoidais muda: por exemplo, quando zero é transmitido, é baixo e quando um é transmitido, é alto;

Modulação de fase, quando, de acordo com a sequência de bits de informação transmitidos, apenas a fase da portadora de oscilações senoidais muda: ao mudar do sinal 1 para o sinal 0 ou vice-versa, a fase muda em 180 °. Em sua forma pura, a modulação de amplitude raramente é usada na prática devido à baixa imunidade a ruídos. A modulação de frequência não requer circuitos complexos em modems e é normalmente usada em modems de baixa velocidade operando a 300 ou 1200 bps. O aumento da taxa de dados é fornecido pelo uso de métodos de modulação combinados, mais frequentemente modulação de amplitude em combinação com fase.

O método analógico de transmissão de dados discreta fornece transmissão de banda larga usando sinais de diferentes frequências de portadora em um canal. Isso garante a interação de um grande número de assinantes (cada par de assinantes opera em sua própria frequência).

Codificação digital. Ao codificar digitalmente informações discretas, dois tipos de códigos são usados:

a) códigos de potencial, quando apenas o valor do potencial do sinal é utilizado para representar unidades de informação e zeros, não sendo consideradas suas quedas;

b) códigos de pulso, quando os dados binários são representados por pulsos de uma determinada polaridade, ou por quedas de potencial de uma determinada direção.

Os seguintes requisitos são impostos aos métodos de codificação digital de informações discretas ao usar pulsos retangulares para representar sinais binários:

Garantir a sincronização entre transmissor e receptor;

Garantir a menor largura de espectro do sinal resultante na mesma taxa de bits (uma vez que um espectro mais estreito de sinais permite

redes com a mesma largura de banda atingem velocidades mais altas

transmissão de dados);

Capacidade de reconhecer erros nos dados transmitidos;

Custo de implementação relativamente baixo.

Por meio da camada física, é realizado apenas o reconhecimento de dados corrompidos (detecção de erros), o que economiza tempo, pois o receptor, sem esperar que o quadro recebido seja totalmente colocado no buffer, o rejeita imediatamente ao reconhecer erros bits no quadro. Uma operação mais complexa - a correção de dados corrompidos - é realizada por protocolos de nível superior: canal, rede, transporte ou aplicação.

A sincronização do transmissor e do receptor é necessária para que o receptor saiba exatamente quando ler os dados recebidos. Os sinais de relógio sintonizam o receptor com a mensagem transmitida e mantêm o receptor sincronizado com os bits de dados recebidos. O problema da sincronização é facilmente resolvido ao transmitir informações em distâncias curtas (entre blocos dentro de um computador, entre um computador e uma impressora) usando uma linha de comunicação de temporização separada: a informação é lida apenas no momento em que o próximo pulso de clock chega. Em redes de computadores, o uso de pulsos de clock é abandonado por dois motivos: para economizar condutores em cabos caros e devido à heterogeneidade das características dos condutores em cabos (em longas distâncias, a velocidade de propagação do sinal desigual pode levar à dessincronização de pulsos de clock na linha de clock e pulsos de informação na linha principal, como resultado do qual o bit de dados será ignorado ou relido).

Atualmente, a sincronização do transmissor e do receptor em redes é realizada por meio de códigos de auto-sincronização (SC). A codificação dos dados transmitidos usando o SC é para garantir mudanças regulares e frequentes (transições) dos níveis do sinal de informação no canal. Cada transição de nível de sinal de alto para baixo ou vice-versa é usada para ajustar o receptor. Os melhores são aqueles SCs que fornecem uma transição de nível de sinal pelo menos uma vez durante o intervalo de tempo necessário para receber um bit de informação. Quanto mais frequentes forem as transições de nível de sinal, mais confiável será a sincronização do receptor e mais confiável será a identificação dos bits de dados recebidos.

Esses requisitos para os métodos de codificação digital de informações discretas são, em certa medida, mutuamente contraditórios, portanto, cada um dos métodos de codificação considerados a seguir tem suas vantagens e desvantagens em relação aos outros.

Códigos de auto-sincronização. Os mais comuns são os seguintes SCs:

Código de potencial sem retorno a zero (NRZ - Non Return to Zero);

Código de pulso bipolar (código RZ);

código Manchester;

Código bipolar com inversão de nível alternativo.

Na fig. 32 mostra os esquemas de codificação para a mensagem 0101100 usando esses CKs.

Os seguintes indicadores são usados para caracterizar e comparar o SC:

Nível (qualidade) de sincronização;

Confiabilidade (confiança) de reconhecimento e seleção de bits de informação recebidos;

A taxa de mudança necessária do nível do sinal na linha de comunicação ao usar o SC, se a largura de banda da linha estiver definida;

A complexidade (e consequentemente o custo) do equipamento que implementa o SC.

O código NRZ é fácil de codificar e de baixo custo de implementação. Recebeu tal nome porque ao transmitir uma série de bits de mesmo nome (uns ou zeros), o sinal não retorna a zero durante o ciclo, como ocorre em outros métodos de codificação. O nível do sinal permanece inalterado para cada série, o que reduz significativamente a qualidade da sincronização e a confiabilidade do reconhecimento dos bits recebidos (o temporizador do receptor pode desalinhar com o sinal de entrada e pode ocorrer uma sondagem intempestiva das linhas).

Para o código N^, as seguintes relações são válidas:

onde VI é a taxa de variação do nível do sinal na linha de comunicação (baud);

Y2 - débito da linha de comunicação (bit/s).

Além do fato de que este código não tem a propriedade de auto-sincronização, ele também tem outra séria desvantagem: a presença de um componente de baixa frequência que se aproxima de zero ao transmitir longas execuções de uns ou zeros. Como resultado, o código NRZ em sua forma pura não é usado em redes. São aplicadas suas várias modificações, nas quais são eliminadas a má auto-sincronização do código e a presença de um componente constante.

O código RZ, ou código de pulso bipolar (código de retorno a zero), é caracterizado pelo fato de que durante a transmissão de um bit de informação, o nível do sinal muda duas vezes, independentemente de ser uma série de bits de mesmo nome ou bits alternados. transmitido. Uma unidade é representada por um impulso de uma polaridade e um zero é representado por outra. Cada pulso dura meio ciclo. Tal código possui excelentes propriedades de auto-sincronização, mas o custo de sua implementação é bastante alto, pois é necessário garantir a proporção

O espectro de um código RZ é mais amplo do que o de códigos potenciais. Devido ao seu espectro muito amplo, raramente é usado.

O código Manchester proporciona uma mudança no nível do sinal ao apresentar cada bit, e ao transmitir uma série de bits de mesmo nome, uma dupla mudança. Cada medida é dividida em duas partes. A informação é codificada por quedas potenciais que ocorrem no meio de cada ciclo. Uma unidade é codificada por uma transição de baixo para alto e um zero é codificado por uma transição reversa. A relação de velocidade para este código é:

O código Manchester tem boas propriedades de auto-clocking, uma vez que o sinal muda pelo menos uma vez por ciclo de transmissão de um bit de dados. Sua largura de banda é mais estreita que a do código RZ (uma vez e meia em média). Ao contrário do código de pulso bipolar, onde três níveis de sinal são usados para transmissão de dados (o que às vezes é muito indesejável, por exemplo, apenas dois estados são reconhecidos de forma confiável em cabos ópticos - claro e escuro), o código Manchester tem dois níveis.

O código Manchester é amplamente utilizado nas tecnologias Ethernet e Token Ring.

O Código Bipolar de Inversão de Nível Alternativo (código AMI) é uma modificação do código NRZ. Ele usa três níveis de potencial - negativo, zero e positivo. A unidade é codificada por um potencial positivo ou negativo. O potencial zero é usado para codificar zero. O código tem boas propriedades de sincronização ao transmitir séries de unidades, pois o potencial de cada nova unidade é oposto ao potencial da anterior. Ao transmitir execuções de zeros, não há sincronização. O código AMI é relativamente fácil de implementar. Para ele

Ao transmitir várias combinações de bits na linha, o uso do código AMI leva a um espectro de sinal mais estreito do que o código NRZ e, portanto, a uma taxa de transferência de linha mais alta.

Observe que os códigos de potencial aprimorados (código Manchester atualizado e código AMI) têm um espectro mais estreito do que os códigos de pulso, portanto, são usados em tecnologias de alta velocidade, como FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Modulação discreta de sinais analógicos. Como já observado, uma das tendências no desenvolvimento das redes de computadores modernas é sua digitalização, ou seja, a transmissão de sinais de qualquer natureza em formato digital. As fontes desses sinais podem ser computadores (para dados discretos) ou dispositivos como telefones, filmadoras, equipamentos de vídeo e áudio (para dados analógicos). Até recentemente (antes do advento das redes de comunicação digital), nas redes territoriais todos os tipos de dados eram transmitidos de forma analógica, e os dados de computador, de natureza discreta, eram convertidos em forma analógica usando modems.

No entanto, a transmissão de informações na forma analógica não melhora a qualidade dos dados recebidos se houver uma distorção significativa durante a transmissão. Portanto, a técnica analógica de gravação e transmissão de som e imagens foi substituída pela tecnologia digital, que utiliza modulação discreta de sinais analógicos.

A modulação discreta é baseada na amostragem de sinais contínuos tanto em amplitude quanto em tempo. Um dos métodos amplamente utilizados para converter sinais analógicos em digitais é a modulação por código de pulso (PCM), proposta em 1938 por A.Kh. Reeves (EUA).

Ao usar o PCM, o processo de conversão inclui três etapas: mapeamento, quantização e codificação (Fig. 33).

A primeira etapa é a exibição. A amplitude do sinal contínuo original é medida com um determinado período, devido ao qual ocorre a discretização do tempo. Neste estágio, o sinal analógico é convertido em sinais de modulação de amplitude de pulso (PAM). A execução do estágio é baseada na teoria do mapeamento Nyquist-Kotelnikov, cuja posição principal é: se o sinal analógico é exibido (ou seja, representado como uma sequência de seus valores discretos no tempo) em um intervalo regular com uma frequência de pelo menos duas vezes a frequência do espectro harmônico mais alto do sinal contínuo original, o display conterá informações suficientes para restaurar o sinal original. Na telefonia analógica, a faixa de 300 a 3400 Hz é escolhida para transmissão de voz, o que é suficiente para transmissão de alta qualidade de todos os principais harmônicos dos interlocutores. Portanto, em redes digitais onde o método PCM é implementado para transmissão de voz, é adotada uma frequência de exibição de 8.000 Hz (isto é mais de 6.800 Hz, o que fornece alguma margem de qualidade).

Na etapa de quantização, cada sinal IAM recebe um valor quantizado correspondente ao nível de quantização mais próximo. Toda a faixa de variação da amplitude do sinal IAM é dividida em 128 ou 256 níveis de quantização. Quanto mais níveis de quantização, mais precisamente a amplitude do sinal IAM é representada pelo nível quantizado.

No estágio de codificação, cada mapeamento quantizado é atribuído a um código binário de 7 bits (se o número de níveis de quantização for 128) ou de 8 bits (se o número de níveis de quantização for 128). Na fig. 33 mostra os sinais do código binário de 8 elementos 00101011 correspondendo a um sinal quantizado com nível 43. Ao codificar com códigos de 7 elementos, a taxa de dados no canal deve ser de 56 Kbps (este é o produto da frequência de exibição e o profundidade de bits do código binário) e ao codificar códigos de 8 elementos - 64 Kbps. O padrão é um canal digital de 64 kbit/s, também chamado de canal elementar das redes telefônicas digitais.

O dispositivo que realiza essas etapas de conversão de um valor analógico em um código digital é chamado de conversor analógico-digital (ADC). No lado receptor, com a ajuda de um conversor digital-analógico (DAC), é realizada uma conversão inversa, ou seja, as amplitudes digitalizadas de um sinal contínuo são demoduladas e a função contínua original do tempo é restaurada.

Nas redes de comunicação digital modernas, também são utilizados outros métodos de modulação discreta, que possibilitam representar as medições de voz de forma mais compacta, por exemplo, como uma sequência de números de 4 bits. Também é usado o conceito de conversão de sinais analógicos em digitais, no qual não os próprios sinais IAM são quantizados e depois codificados, mas apenas suas alterações, e o número de níveis de quantização é considerado o mesmo. É óbvio que tal conceito permite a conversão de sinais com maior precisão.

Os métodos digitais para gravar, reproduzir e transmitir informações analógicas fornecem a capacidade de controlar a confiabilidade dos dados lidos de uma portadora ou recebidos por meio de uma linha de comunicação. Para este fim, são utilizados os mesmos métodos de controle dos dados de computador (ver 4.9).

A transmissão de um sinal contínuo de forma discreta impõe requisitos rigorosos na sincronização do receptor. Se a sincronização não for observada, o sinal original é restaurado incorretamente, o que leva à distorção da voz ou da imagem transmitida. Se os quadros com medições de voz (ou outros valores analógicos) chegarem de forma síncrona, a qualidade da voz poderá ser bastante alta. No entanto, em redes de computadores, os quadros podem ser atrasados tanto em nós finais quanto em dispositivos de comutação intermediários (pontes, switches, roteadores), o que afeta negativamente a qualidade da transmissão de voz. Portanto, redes digitais especiais (ISDN, ATM, redes de televisão digital) são usadas para transmissão de alta qualidade de sinais contínuos digitalizados, embora as redes Frame Relay ainda sejam usadas para transmitir conversas telefônicas intracorporativas, uma vez que os atrasos de transmissão de quadros nelas estão dentro de limites aceitáveis .

Diafonia na extremidade próxima da linha - determina a imunidade de ruído do cabo a fontes internas de interferência. Geralmente eles são avaliados em relação a um cabo composto por vários pares trançados, quando os captadores mútuos de um par em outro podem atingir valores significativos e criar ruído interno proporcional ao sinal útil.

Confiabilidade da transmissão de dados(ou taxa de erro de bit) caracteriza a probabilidade de distorção para cada bit de dados transmitido. As razões para a distorção dos sinais de informação são a interferência na linha, bem como a largura de banda limitada de sua passagem. Portanto, um aumento na confiabilidade da transmissão de dados é alcançado aumentando o grau de imunidade ao ruído da linha, reduzindo o nível de diafonia no cabo e usando mais linhas de comunicação de banda larga.

Para linhas de comunicação por cabo convencionais sem proteção adicional contra erros, a confiabilidade da transmissão de dados é, via de regra, 10 -4 -10 -6 . Isso significa que, em média, de 10 4 ou 10 6 bits transmitidos, o valor de um bit será corrompido.

Equipamento de linha de comunicação(equipamento de transmissão de dados - ATD) é o equipamento de ponta que conecta diretamente os computadores à linha de comunicação. Faz parte da linha de comunicação e geralmente opera no nível físico, proporcionando a transmissão e recepção de um sinal com a forma e potência desejadas. Exemplos de ADFs são modems, adaptadores, conversores analógico-digital e digital-analógico.

O DTE não inclui o equipamento terminal de dados (DTE) do usuário, que gera dados para transmissão pela linha de comunicação e é conectado diretamente ao DTE. Um DTE inclui, por exemplo, um roteador LAN. Observe que a divisão de equipamentos em classes APD e OOD é bastante condicional.

Em linhas de comunicação longas, são utilizados equipamentos intermediários, que resolvem duas tarefas principais: melhorar a qualidade dos sinais de informação (sua forma, potência, duração) e criar um canal composto permanente (canal de ponta a ponta) de comunicação entre dois assinantes de rede . No LCN, o equipamento intermediário não é usado se o comprimento do meio físico (cabos, rádio-ar) não for alto, de modo que os sinais de um adaptador de rede para outro possam ser transmitidos sem restauração intermediária de seus parâmetros.

Em redes globais, a transmissão de sinal de alta qualidade por centenas e milhares de quilômetros é garantida. Portanto, os amplificadores são instalados a certas distâncias. Para criar uma linha de passagem entre dois assinantes, são usados multiplexadores, demultiplexadores e switches.

O equipamento intermediário do canal de comunicação é transparente para o usuário (ele não percebe), embora na realidade forme uma rede complexa chamada rede primária e servindo de base para a construção de redes de computadores, telefones e outras redes.

Distinguir linhas de comunicação analógicas e digitais, que utilizam vários tipos de equipamentos intermediários. Nas linhas analógicas, os equipamentos intermediários são projetados para amplificar sinais analógicos que possuem uma faixa contínua de valores. Em canais analógicos de alta velocidade, uma técnica de multiplexação de frequência é implementada, quando vários canais de assinantes analógicos de baixa velocidade são multiplexados em um canal de alta velocidade. Nos canais de comunicação digital, onde os sinais de informação retangulares possuem um número finito de estados, os equipamentos intermediários melhoram a forma dos sinais e restauram seu período de repetição. Ele fornece a formação de canais digitais de alta velocidade, trabalhando com o princípio de multiplexação de canais no tempo, quando cada canal de baixa velocidade é alocado em uma certa fração do tempo do canal de alta velocidade.

Ao transmitir dados discretos de computador por linhas de comunicação digital, o protocolo da camada física é definido, pois os parâmetros dos sinais de informação transmitidos pela linha são padronizados, e quando transmitidos por linhas analógicas, não é definido, pois os sinais de informação têm um alcance arbitrário. forma e não há não há requisitos.

Os seguintes são usados em redes de comunicação modos de transferência de informações:

simplex, quando o transmissor e o receptor estão conectados por um canal de comunicação, através do qual a informação é transmitida em apenas uma direção (isso é típico para redes de comunicação de televisão);

half-duplex, quando dois nós de comunicação também estão conectados por um canal, através do qual a informação é transmitida alternadamente em uma direção e depois na direção oposta (isso é típico para sistemas de referência de informação, solicitação-resposta);

duplex, quando dois nós de comunicação são conectados por dois canais (canal de comunicação direto e reverso), através dos quais as informações são transmitidas simultaneamente em direções opostas. Canais duplex são usados em sistemas com feedback de decisão e informação.

Canais de comunicação comutados e dedicados. No TSS, existem canais de comunicação dedicados (não comutados) e aqueles com comutação durante a transmissão de informações por esses canais.

Ao usar canais de comunicação dedicados, o equipamento transceptor dos nós de comunicação está constantemente conectado entre si. Isso garante um alto grau de prontidão do sistema para transferência de informações, maior qualidade de comunicação e suporte para uma grande quantidade de tráfego. Devido aos custos relativamente altos de operação de redes com canais de comunicação dedicados, sua lucratividade só é alcançada se os canais estiverem totalmente carregados.

Os canais de comunicação comutados criados apenas para o período de transmissão de uma quantidade fixa de informação são caracterizados por alta flexibilidade e custo relativamente baixo (com uma pequena quantidade de tráfego). As desvantagens de tais canais são: perda de tempo para comutação (para estabelecer comunicação entre assinantes), possibilidade de bloqueio devido à ocupação de seções individuais da linha de comunicação, menor qualidade de comunicação, alto custo com uma quantidade significativa de tráfego.

A informação inicial que precisa ser transmitida por uma linha de comunicação pode ser discreta (dados de saída do computador) ou analógica (voz, imagem de televisão).

Transmissão de dados discretaé baseado no uso de dois tipos de codificação física:

a) modulação analógica quando a codificação é realizada alterando os parâmetros do sinal da portadora senoidal;

b) codificação digital alterando os níveis da sequência de pulsos de informação retangulares.

Atualmente, os dados iniciais, que têm uma forma analógica, são cada vez mais transmitidos pelos canais de comunicação de forma discreta (na forma de uma sequência de uns e zeros), ou seja, modulação discreta sinais analógicos.

Modulação analógica. Ele é usado para transmitir dados discretos em canais com largura de banda estreita, um representante típico do qual é um canal de frequência de voz fornecido aos usuários de redes telefônicas. Neste canal são transmitidos sinais com frequência de 300 a 3400 Hz, ou seja, sua largura de banda é de 3100 Hz. Tal banda é suficiente para transmissão de voz com qualidade aceitável. A limitação da largura de banda do canal de tom está associada ao uso de equipamentos de multiplexação e comutação de circuitos em redes telefônicas.

Existem três maneiras de converter dados digitais em formato analógico ou três métodos de modulação analógica:

modulação de frequência, quando sob a influência de sinais modulantes (bits de informação transmitidos) apenas a frequência portadora de oscilações senoidais muda: por exemplo, quando zero é transmitido, é baixo e quando um é transmitido, é alto;

modulação de fase, quando, de acordo com a sequência de bits de informação transmitidos, apenas a fase da portadora de oscilações senoidais muda: ao mudar do sinal 1 para o sinal 0 ou vice-versa, a fase muda em 180 °.

Em sua forma pura, a modulação de amplitude raramente é usada na prática devido à baixa imunidade a ruídos. A modulação de frequência não requer circuitos complexos em modems e é normalmente usada em modems de baixa velocidade operando a 300 ou 1200 bps. O aumento da taxa de dados é fornecido pelo uso de métodos de modulação combinados, mais frequentemente modulação de amplitude em combinação com fase.

Codificação digital. Ao codificar digitalmente informações discretas, dois tipos de códigos são usados:

a) códigos de potencial, quando apenas o valor do potencial do sinal é utilizado para representar unidades de informação e zeros, não sendo consideradas suas quedas;

b) códigos de pulso, quando os dados binários são representados por pulsos de uma determinada polaridade, ou por quedas de potencial de uma determinada direção.

Os seguintes requisitos são impostos aos métodos de codificação digital de informações discretas ao usar pulsos retangulares para representar sinais binários:

garantir a sincronização entre transmissor e receptor;

Garantir a menor largura de espectro do sinal resultante na mesma taxa de bits (uma vez que um espectro mais estreito de sinais permite que uma taxa de dados mais alta seja alcançada em uma linha com a mesma largura de banda);

a capacidade de reconhecer erros nos dados transmitidos;

Custo de implementação relativamente baixo.

Atualmente, a sincronização do transmissor e do receptor em redes é feita usando códigos de sincronização automática(SK). A codificação dos dados transmitidos usando o SC é para garantir mudanças regulares e frequentes (transições) dos níveis do sinal de informação no canal. Cada transição de nível de sinal de alto para baixo ou vice-versa é usada para ajustar o receptor. Os melhores são aqueles SCs que fornecem uma transição de nível de sinal pelo menos uma vez durante o intervalo de tempo necessário para receber um bit de informação. Quanto mais frequentes forem as transições de nível de sinal, mais confiável será a sincronização do receptor e mais confiável será a identificação dos bits de dados recebidos.

Códigos de sincronização automática. Os mais comuns são os seguintes SCs:

código potencial sem retorno a zero (NRZ - Non Return to Zero);

código de pulso bipolar (código RZ);

O código de Manchester

· código bipolar com inversão de nível alternada.

Na fig. 32 mostra os esquemas de codificação para a mensagem 0101100 usando esses CKs.

Arroz. 32. Esquemas de codificação de mensagens usando códigos de auto-sincronização

Para a transmissão de dados discretos em linhas de comunicação com uma banda de frequência estreita, modulação analógica. Um representante típico de tais linhas é uma linha de comunicação de frequência de voz disponibilizada para usuários de redes telefônicas públicas. Esta linha de comunicação transmite sinais analógicos na faixa de frequência de 300 a 3400 Hz (portanto, a largura de banda da linha é de 3100 Hz). A estrita limitação de largura de banda das linhas de comunicação neste caso está associada ao uso de equipamentos de multiplexação e comutação de circuitos em redes telefônicas.

Um dispositivo que desempenha as funções de modular uma senóide portadora no lado transmissor e demodular no lado receptor é chamado de modem (modulador-demodulador).

A modulação analógica é um método de codificação física no qual a informação é codificada alterando amplitudes, frequências ou fases um sinal senoidal da frequência portadora. No modulação de amplitude para um lógico, um nível da amplitude da senóide de frequência portadora é selecionado e para um zero lógico, outro. Este método raramente é usado na prática em sua forma pura devido à baixa imunidade a ruídos, mas é frequentemente usado em combinação com outros tipos de modulação. No modulação de frequência os valores 0 e 1 dos dados originais são transmitidos por senoides com diferentes frequências . Este método de modulação não requer eletrônica de modem complexa e é normalmente usado em modems de baixa velocidade operando a 300 ou 1200 bps. No modulação de fase os valores de dados 0 e 1 correspondem a sinais de mesma frequência, mas de fase diferente, como 0 e 180 graus ou 0, 90, 180 e 270 graus. Em modems de alta velocidade, os métodos de modulação combinados são frequentemente usados, como regra, amplitude em combinação com fase. Métodos de modulação combinados são usados para aumentar a taxa de dados. Os métodos mais comuns são Modulação de amplitude em quadratura-QAM). Esses métodos são baseados em uma combinação de modulação de fase com 8 valores de deslocamento de fase e modulação de amplitude com 4 níveis de amplitude. No entanto, nem todas as 32 combinações de sinais possíveis são usadas. Essa redundância de codificação é necessária para que o modem reconheça sinais errôneos, que são o resultado de distorção devido a interferência, que nos canais telefônicos (especialmente os comutados) são muito significativos em amplitude e longos no tempo.

No codificação digital informações discretas são usadas potencial e impulso códigos. NO potencial Nos códigos, apenas o valor do potencial do sinal é usado para representar uns e zeros lógicos, e suas quedas, que formam pulsos completos, não são levadas em consideração. Pulso Os códigos permitem que os dados binários sejam representados por pulsos de uma determinada polaridade ou por uma parte do pulso - uma queda potencial de uma determinada direção.

Ao usar pulsos retangulares para transmitir informações discretas, é necessário escolher um método de codificação que atinja simultaneamente vários objetivos: ter a menor largura do espectro do sinal resultante na mesma taxa de bits; desde sincronização entre transmissor e receptor; tinha a capacidade de reconhecer erros; teve um baixo custo de implementação.

Um espectro de sinal mais estreito permite obter uma taxa de transferência de dados mais alta na mesma linha (com a mesma largura de banda). A sincronização do transmissor e do receptor é necessária para que o receptor saiba exatamente em que momento é necessário ler novas informações da linha de comunicação. Esse problema é mais difícil de resolver em redes do que na comunicação entre dispositivos próximos, como entre dispositivos dentro de um computador ou entre um computador e uma impressora. Em distâncias curtas, um esquema baseado em uma linha de comunicação de clock separada funciona bem, e as informações são removidas da linha de dados somente no momento em que um pulso de clock chega. Em redes, a utilização deste esquema causa dificuldades devido à heterogeneidade das características dos condutores nos cabos. Em longas distâncias, as ondulações de velocidade do sinal podem fazer com que o relógio chegue tão tarde ou muito cedo para o sinal de dados correspondente que um bit de dados é ignorado ou relido. Outra razão pela qual as redes se recusam a usar pulsos de clock é economizar condutores em cabos caros. Portanto, as redes usam os chamados códigos de auto-sincronização, cujos sinais carregam indicações para o transmissor em que momento é necessário reconhecer o próximo bit (ou vários bits, se o código estiver orientado para mais de dois estados de sinal). Qualquer queda acentuada no sinal - o chamado frente- pode servir como uma boa indicação para sincronização do receptor com o transmissor. Ao utilizar senóides como sinal portador, o código resultante tem a propriedade de auto-sincronização, pois uma mudança na amplitude da frequência portadora permite ao receptor determinar o momento em que o código de entrada aparece.

O reconhecimento e correção de dados distorcidos é difícil de implementar por meio da camada física, portanto, na maioria das vezes esse trabalho é realizado pelos protocolos que estão acima: canal, rede, transporte ou aplicação. Por outro lado, o reconhecimento de erros na camada física economiza tempo, pois o receptor não espera que o quadro seja completamente colocado no buffer, mas o rejeita imediatamente ao reconhecer bits errados dentro do quadro.

Os requisitos para os métodos de codificação são mutuamente contraditórios, portanto, cada um dos métodos populares de codificação digital discutidos abaixo tem suas próprias vantagens e desvantagens em comparação com outros.

Um dos métodos mais simples potencial codificação é código de potencial unipolar, também chamado de codificação sem retornar a zero (Non Return to Zero-NRZ) (fig.7.1.a). O sobrenome reflete o fato de que quando uma sequência de uns é transmitida, o sinal não retorna a zero durante o ciclo. O método NRZ tem boa detecção de erros (devido a dois potenciais nitidamente diferentes), mas não possui a propriedade de auto-sincronização. Ao transmitir uma longa sequência de uns ou zeros, o sinal de linha não muda, de modo que o receptor não é capaz de determinar a partir do sinal de entrada os pontos de tempo em que é necessário ler os dados novamente. Mesmo com um gerador de clock de alta precisão, o receptor pode errar no momento da aquisição dos dados, já que as frequências dos dois geradores quase nunca são completamente idênticas. Portanto, em altas taxas de dados e longas sequências de uns ou zeros, uma pequena incompatibilidade de frequências de clock pode levar a um erro em um ciclo de clock inteiro e, consequentemente, à leitura de um valor de bit incorreto.

a B C D E F

Arroz. 7.1. Métodos de codificação de dados binários: a-potência unipolar -

código social; b- código de potencial bipolar; dentro- im-

código de pulso; G -código de pulso bipolar; d-Código "Manchester";

e- código potencial com quatro níveis de sinal.

Outra séria desvantagem do método NRZ é a presença de um componente de baixa frequência que se aproxima de zero ao transmitir longas sequências de uns ou zeros. Por isso, muitas linhas de comunicação que não fornecem uma conexão galvânica direta entre o receptor e a fonte não suportam esse tipo de codificação. Como resultado, o código NRZ em sua forma pura não é usado em redes, mas suas várias modificações são usadas, nas quais a auto-sincronização ruim do código NRZ e a presença de um componente constante são eliminadas.

Uma das modificações do método NRZ é o método codificação de potencial bipolar com inversão alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI). Neste método ( arroz. 7.1.b) são usados três níveis de potencial - negativo, zero e positivo. Para codificar um zero lógico, um potencial zero é usado e uma unidade lógica é codificada por um potencial positivo ou negativo (neste caso, o potencial de cada nova unidade é oposto ao potencial da anterior). O código AMI elimina parcialmente o DC e a falta de problemas de temporização inerentes ao código NRZ. Isso acontece ao enviar longas sequências de uns. Nesses casos, o sinal na linha é uma sequência de pulsos bipolares com o mesmo espectro do código NRZ transmitindo zeros e uns alternados, ou seja, sem componente constante e com harmônico fundamental de N/2 Hz (onde N é a taxa de bits de dados). Sequências longas de zeros também são perigosas para o código AMI, bem como para o código NRZ - o sinal degenera em um potencial constante de amplitude zero. Em geral, para diferentes combinações de bits na linha, o uso do código AMI leva a um espectro de sinal mais estreito do que para o código NRZ e, portanto, a uma taxa de transferência de linha mais alta. Por exemplo, ao transmitir uns e zeros alternados, o harmônico fundamental f 0 tem uma frequência de N/4 Hz. O código AMI também fornece alguns recursos para reconhecer sinais errôneos. Assim, uma violação da alternância estrita da polaridade dos sinais indica um impulso falso ou o desaparecimento de um impulso correto da linha. Um sinal com polaridade incorreta é chamado sinal proibido (violação de sinal). Como o código AMI usa não dois, mas três níveis de sinal por linha, o nível adicional requer um aumento na potência do transmissor para fornecer a mesma fidelidade de bits na linha, o que é uma desvantagem geral de códigos com vários estados de sinal em comparação com códigos que apenas distinguir dois estados.

Os métodos mais simples impulsivo codificações são código de pulso unipolar, em que um é representado por momento e zero é representado por sua ausência ( arroz. 7,1v), e código de pulso bipolar, em que a unidade é representada por um pulso de uma polaridade e zero - a outra ( arroz. 7,1g). Cada pulso dura meio ciclo. O código de pulso bipolar tem boas propriedades de auto-clocking, mas um componente de pulso DC pode estar presente, por exemplo, ao transmitir uma longa sequência de uns ou zeros. Além disso, seu espectro é mais amplo do que o de códigos potenciais. Assim, ao transmitir todos os zeros ou uns, a frequência do harmônico fundamental do código será igual a N Hz, que é duas vezes maior que o harmônico fundamental do código NRZ e quatro vezes maior que o harmônico fundamental do código AMI ao transmitir uns e zeros alternados. Devido ao espectro muito amplo, o código de pulso bipolar raramente é usado.

Nas redes locais, até recentemente, o método de codificação mais comum era o chamado " Código Manchester"(arroz. 7.1d). No código Manchester, uma queda de potencial, ou seja, a frente do pulso, é usada para codificar uns e zeros. Na codificação Manchester, cada relógio é dividido em duas partes. A informação é codificada por quedas potenciais que ocorrem no meio de cada ciclo. Uma unidade é codificada por uma transição de baixo para alto e um zero é codificado por uma transição reversa. No início de cada ciclo, uma borda de sinal de serviço pode ocorrer se você precisar representar vários uns ou zeros em uma linha. Como o sinal muda pelo menos uma vez por ciclo de transmissão de um bit de dados, o código Manchester tem boas propriedades de auto-clocking. A largura de banda do código Manchester é mais estreita que a do pulso bipolar. Também não possui componente constante, e o harmônico fundamental no pior caso (ao transmitir uma sequência de uns ou zeros) tem uma frequência de N Hz, e no melhor caso (ao transmitir uns e zeros alternados) é igual para N / 2 Hz, como nos códigos AMI ou NRZ. Em média, a largura de banda do código Manchester é uma vez e meia mais estreita que a do código de pulso bipolar, e o harmônico fundamental oscila em torno de 3N/4. Outra vantagem do código Manchester é que ele possui apenas dois níveis de sinal, enquanto o código de pulso bipolar possui três.

Existem também códigos potenciais com um grande número de níveis de sinal para codificação de dados. Mostrado como um exemplo ( fig. 7.1e) código potencial 2B1Q com quatro níveis de sinal para codificação de dados. Nesse código, a cada dois bits são transmitidos em um ciclo por um sinal que possui quatro estados. Um par de bits "00" corresponde a um potencial de -2,5 V, um par de bits "01" - um potencial de -0,833 V, um par de bits "11" - um potencial de +0,833 V e um par de bits bits "10" - um potencial de +2,5 V. Este método de codificação requer medidas adicionais para lidar com longas sequências de pares de bits idênticos, pois então o sinal se transforma em um componente constante. Com a intercalação aleatória de bits, o espectro do sinal é duas vezes mais estreito que o do código NRZ (na mesma taxa de bits, o tempo de ciclo é dobrado). Assim, usando o código 2B1Q apresentado, é possível transferir dados pela mesma linha duas vezes mais rápido que usando o código AMI. No entanto, para sua implementação, a potência do transmissor deve ser maior para que os quatro níveis sejam claramente distinguidos pelo receptor contra o fundo de interferência.

Para melhorar códigos potenciais como AMI e 2B1Q, codificação lógica. A codificação lógica é projetada para substituir longas sequências de bits, levando a um potencial constante, intercalado com outros. Dois métodos são característicos para codificação lógica - códigos redundantes e embaralhamento.

Códigos redundantes baseiam-se na divisão da sequência original de bits em partes, que são frequentemente chamadas de caracteres. Em seguida, cada caractere original é substituído por um novo que possui mais bits que o original. Por exemplo, um código lógico 4B/5B substitui os caracteres originais de 4 bits por caracteres de 5 bits. Como os símbolos resultantes contêm bits redundantes, o número total de combinações de bits neles é maior do que nos originais. Portanto, no código 4B / 5B, os símbolos resultantes podem conter combinações de 32 bits, enquanto os símbolos originais - apenas 16. Portanto, no código resultante, você pode selecionar 16 dessas combinações que não contêm um grande número de zeros e conte o resto códigos proibidos (violação de código). Além de remover o DC e tornar o código auto-sincronizado, os códigos redundantes permitem que o receptor reconheça bits corrompidos. Se o receptor receber um código proibido, significa que o sinal foi distorcido na linha. O código 4V/5V é transmitido pela linha usando codificação física usando um dos métodos de codificação potenciais que é sensível apenas a longas sequências de zeros. Os símbolos de código 4V/5V, com 5 bits de comprimento, garantem que não mais do que três zeros seguidos possam ocorrer na linha para qualquer combinação deles. A letra B no nome do código significa que o sinal elementar tem 2 estados (do inglês binário - binário). Existem também códigos com três estados de sinal, por exemplo, no código 8B/6T, para codificar 8 bits de informação inicial, é utilizado um código de 6 sinais, cada um com três estados. A redundância do código 8B/6T é maior que a do código 4B/5B, pois há 729 (3 elevado a 6) símbolos resultantes para 256 códigos fonte. O uso da tabela de pesquisa é uma operação muito simples, portanto, essa abordagem não complica os adaptadores de rede e os blocos de interface de switches e roteadores (consulte. seções 9,11).

Para fornecer uma determinada capacidade de linha, um transmissor usando um código redundante deve operar com uma frequência de clock aumentada. Assim, para transmitir códigos 4V/5V a uma taxa de 100 Mbps, o transmissor deve operar em uma frequência de clock de 125 MHz. Nesse caso, o espectro do sinal na linha é expandido em comparação com o caso em que um código puro e não redundante é transmitido pela linha. No entanto, o espectro do código de potencial redundante acaba sendo mais estreito que o espectro do código Manchester, o que justifica o estágio adicional de codificação lógica, bem como a operação do receptor e do transmissor em uma frequência de clock aumentada.

Outro método de codificação lógica é baseado na "mistura" preliminar das informações iniciais de tal forma que as probabilidades de ocorrência de uns e zeros na linha se aproximam. Dispositivos ou blocos que realizam esta operação são chamados misturadores(scramble - dump, montagem desordenada). No lutando um algoritmo bem conhecido é usado, então o receptor, tendo recebido dados binários, os transmite para decodificador, que restaura a sequência de bits original. Os bits em excesso não são transmitidos pela linha. Melhor redundância potencial e códigos codificados são usados em tecnologias modernas de rede de alta velocidade, em vez de "Manchester" e codificação de pulso bipolar.

7.6. Tecnologias de multiplexação de linha de comunicação

Por multiplexação("compactação") de linhas de comunicação, diversas tecnologias são utilizadas. Tecnologia frequênciamultiplexação(Multiplexação por Divisão de Frequência - FDM) foi originalmente desenvolvido para redes telefônicas, mas também é usado para outros tipos de redes, como redes de televisão a cabo. Esta tecnologia pressupõe a transferência dos sinais de cada canal de assinante para sua própria faixa de frequência e a transmissão simultânea de sinais de vários canais de assinante em uma linha de comunicação de banda larga. Por exemplo, as entradas de um switch FDM recebem sinais iniciais dos assinantes da rede telefônica. O switch realiza uma tradução de frequência de cada canal em sua própria banda de frequência. Normalmente, a faixa de alta frequência é dividida em bandas que são alocadas para a transmissão de dados dos canais do assinante. Na linha de comunicação entre dois switches FDM, os sinais de todos os canais do assinante são transmitidos simultaneamente, mas cada um deles ocupa sua própria faixa de frequência. O switch FDM de saída separa os sinais modulados de cada frequência portadora e os transmite para o canal de saída correspondente ao qual o telefone do assinante está conectado diretamente. Os switches FDM podem realizar comutação dinâmica e permanente. Na comutação dinâmica, um assinante inicia uma conexão com outro assinante enviando o número do assinante chamado para a rede. O switch aloca dinamicamente uma das bandas livres para este assinante. Com comutação constante, a banda é atribuída ao assinante por um longo tempo. O princípio de comutação baseado na divisão de frequência permanece inalterado em redes de um tipo diferente, apenas os limites das bandas atribuídas a um canal de assinante separado, bem como seu número, mudam.

Tecnologia de multiplexaçãocompartilhamento de tempo(Multiplexação por divisão de tempo - TDM) ou temporário multiplexação baseia-se na utilização de equipamentos TDM (multiplexadores, switches, demultiplexadores) operando no modo time-sharing, atendendo a todos os canais de assinantes por sua vez durante um ciclo. Cada conexão é alocada em uma fatia de tempo do ciclo de operação do hardware, também chamado de intervalo de tempo. A duração do intervalo de tempo depende do número de canais de assinante atendidos pelo equipamento. As redes TDM podem suportar tanto dinâmico, ou constante comutação e, às vezes, ambos os modos.

Redes com comutação dinâmica exigem um procedimento preliminar para estabelecer uma conexão entre assinantes. Para isso, o endereço do assinante chamado é transmitido para a rede, que passa pelos comutadores e os configura para posterior transmissão de dados. A solicitação de conexão é roteada de um switch para outro e, eventualmente, chega à parte chamada. A rede pode se recusar a estabelecer uma conexão se a capacidade do canal de saída necessário já estiver esgotada. Para um switch FDM, a capacidade de saída é igual ao número de bandas de frequência e, para um switch TDM, é igual ao número de slots de tempo em que o ciclo de operação do canal é dividido. A rede também recusa a conexão se o assinante solicitado já tiver estabelecido uma conexão com outra pessoa. No primeiro caso, eles dizem que o switch está ocupado e no segundo - o assinante. A possibilidade de falha de conexão é uma desvantagem do método de comutação de circuito. Se uma conexão pode ser estabelecida, então é alocada uma largura de banda fixa em redes FDM ou uma largura de banda fixa em redes TDM. Esses valores permanecem inalterados durante todo o período de conexão. A taxa de transferência de rede garantida após o estabelecimento de uma conexão é um recurso importante necessário para aplicativos como transmissão de voz e vídeo ou controle de objetos em tempo real.

Se houver apenas um canal de comunicação físico, por exemplo, ao trocar dados usando modems através da rede telefônica, a operação duplex é organizada com base na divisão do canal em dois subcanais lógicos usando tecnologias FDM ou TDM. Ao usar a tecnologia FDM, os modems para organizar a operação duplex em uma linha de dois fios operam em quatro frequências (duas frequências para codificar uns e zeros ao transmitir dados em uma direção e as outras duas frequências para codificação ao transmitir na direção oposta). Na tecnologia TDM, alguns intervalos de tempo são usados para transferir dados em uma direção e alguns são usados para transferir dados na outra direção. Normalmente, intervalos de tempo de direções opostas se alternam.

Nos cabos de fibra óptica para a organização da operação duplex ao usar apenas uma fibra óptica, a transmissão de dados em uma direção é realizada usando um feixe de luz de um comprimento de onda e na direção oposta - um comprimento de onda diferente. Esta tecnologia está essencialmente relacionada com o método FDM, mas para cabos de fibra ótica é denominada tecnologias de multiplexação de comprimento de onda(Multiplexação por Divisão de Onda - WDM) ou aceno multiplexação.

Tecnologiaonda densa(espectral) multiplexação(Multiplexação por Divisão de Onda Densa - DWDM) foi projetado para criar uma nova geração de backbones ópticos operando em velocidades multi-gigabit e terabit. Esse salto qualitativo no desempenho é fornecido devido ao fato de que as informações em uma fibra óptica são transmitidas simultaneamente por um grande número de ondas de luz. As redes DWDM operam no princípio da comutação de circuitos, com cada onda de luz representando um canal espectral separado e transportando suas próprias informações. Uma das principais vantagens da tecnologia DWDM é um aumento significativo no fator de utilização do potencial de frequência da fibra óptica, cuja largura de banda teórica é de 25.000 GHz.

Resumo

Nos modernos sistemas de telecomunicações, as informações são transmitidas por meio de ondas eletromagnéticas - sinais elétricos, de luz ou de rádio.

As linhas de comunicação, dependendo do tipo de meio físico de transmissão de informações, podem ser por cabo (com fio) ou sem fio. Como linhas de comunicação, são utilizados cabos telefônicos baseados em condutores paralelos não trançados, cabos coaxiais, cabos baseados em pares trançados de condutores (não blindados e blindados), cabos de fibra óptica. Os mais eficazes hoje e promissores no futuro próximo são os cabos baseados em pares trançados de condutores e cabos de fibra ótica. As linhas de comunicação sem fio são mais frequentemente implementadas pela transmissão de sinais de rádio em várias bandas de ondas de rádio. A tecnologia de transmissão de dados sem fio infravermelho usa parte do espectro eletromagnético entre a luz visível e as micro-ondas mais curtas. A mais alta velocidade e resistente ao ruído é a tecnologia laser de comunicação sem fio.

As principais características das linhas de comunicação são a resposta em frequência, largura de banda e atenuação em uma determinada frequência.

A taxa de transferência de uma linha de comunicação caracteriza a máxima taxa de transferência de dados possível sobre ela. A imunidade ao ruído de uma linha de comunicação determina sua capacidade de reduzir o nível de interferência gerado no ambiente externo em condutores internos. A confiabilidade da transmissão de dados caracteriza a probabilidade de distorção para cada bit de dados transmitido.

A representação de informações discretas de uma forma ou de outra dos sinais aplicados à linha de comunicação é chamada de codificação física. A codificação lógica envolve a substituição de bits da informação original por uma nova sequência de bits que carrega a mesma informação, mas possui propriedades adicionais.

Para transmitir dados discretos por linhas de comunicação com uma banda de frequência estreita, é usada a modulação analógica, na qual a informação é codificada alterando a amplitude, a frequência ou a fase de um sinal de frequência portadora senoidal. Ao codificar digitalmente informações discretas, são usados códigos de potencial e de impulso. Para multiplexação de linhas de comunicação são utilizadas tecnologias de multiplexação de frequência, tempo e onda.

Controlar perguntas e tarefas

1. Dê a classificação das linhas de comunicação.

2. Descreva as linhas de comunicação por cabo mais comuns.

3. Apresentar as principais linhas de comunicação sem fio e suas características comparativas.

4. Devido a quais fatores físicos os canais de comunicação distorcem os sinais transmitidos?

5. Qual é a característica de amplitude-frequência de um canal de comunicação?

6. Em que unidades é medida a largura de banda do canal de comunicação?

7. Descreva o conceito de "imunidade ao ruído da linha de comunicação".

8. O que determina a característica "confiabilidade da transmissão de dados" e em que unidades ela é medida?

9. O que é "modulação analógica" e que tipos dela são usados para transmitir dados discretos?

10. Qual dispositivo desempenha as funções de modular a senóide portadora no lado transmissor e desmodular no lado receptor?

11. Indique a diferença entre a codificação de potencial e de impulso de sinais digitais.