Metódy prenosu na fyzickej vrstve. Prenos diskrétnych dát na fyzickej vrstve

Téma 2. Fyzická vrstva

Plán

Teoretické základy prenosu dát

Informácie sa môžu prenášať po drôtoch zmenou niektorých fyzikálnych veličín, ako je napätie alebo prúd. Reprezentáciou hodnoty napätia alebo prúdu ako jednohodnotovej funkcie času je možné modelovať správanie signálu a podrobiť ho matematickej analýze.

Fourierov rad

Na začiatku 19. storočia francúzsky matematik Jean-Baptiste Fourier dokázal, že každá periodická funkcia s periódou T môže byť rozšírená na rad (možno nekonečný) pozostávajúci zo súčtov sínusov a kosínusov:
(2.1)
kde je základná frekvencia (harmonická) a sú amplitúdy sínusov a kosínusov n-tej harmonickej a c je konštanta. Takáto expanzia sa nazýva Fourierova séria. Funkcia rozšírená vo Fourierovom rade môže byť obnovená prvkami tohto radu, to znamená, že ak je známa perióda T a amplitúdy harmonických, potom môže byť pôvodná funkcia obnovená pomocou súčtu radu (2.1).
Informačný signál, ktorý má konečné trvanie (všetky informačné signály majú konečné trvanie), možno rozšíriť do Fourierovho radu, ak si predstavíme, že celý signál sa donekonečna opakuje znova a znova (t. j. interval od T do 2T úplne opakuje interval od 0 do T atď.).
Amplitúdy možno vypočítať pre akúkoľvek danú funkciu. Aby ste to dosiahli, musíte vynásobiť ľavú a pravú stranu rovnice (2.1) a potom integrovať od 0 do T. Pretože:
(2.2)
zostáva len jeden člen série. Čiara úplne zmizne. Podobne vynásobením rovnice (2.1) a integrovaním v čase od 0 do T je možné vypočítať hodnoty. Ak integrujeme obe časti rovnice bez toho, aby sme ju zmenili, môžeme dostať hodnotu konštanty s. Výsledky týchto akcií budú nasledovné:
(2.3.)

Spravované pamäťové médium

Účelom fyzickej vrstvy siete je prenášať nespracovaný bitový tok z jedného stroja do druhého. Na prenos možno použiť rôzne fyzické médiá, nazývané aj médiá na šírenie signálu. Každý z nich má charakteristický súbor šírok pásma, oneskorenia, ceny a jednoduchosť inštalácie a používania. Médiá možno rozdeliť do dvoch skupín: ovládateľné médiá, ako je medený drôt a kábel z optických vlákien, a neriadené médiá, ako je rádiový a laserový prenos bez kábla.

Magnetické médiá

Jedným z najjednoduchších spôsobov prenosu údajov z jedného počítača do druhého je zapísať ich na pásku alebo iné vymeniteľné médium (napríklad prepisovateľné DVD), fyzicky preniesť tieto pásky a disky na miesto určenia a tam ich prečítať.
Veľký prietok. Štandardná pásková kazeta Ultrium má kapacitu 200 GB. Asi 1000 týchto kaziet je umiestnených v boxe 60x60x60, čo dáva celkovú kapacitu 1600 Tbit (1,6 Pbit). Škatuľu kaziet možno odoslať v rámci USA do 24 hodín spoločnosťou Federal Express alebo inou spoločnosťou. Efektívna šírka pásma pre tento prenos je 1600 Tbps/86400 s alebo 19 Gbps. Ak je cieľ vzdialený len hodinu, potom bude priepustnosť cez 400 Gbps. Ani jedna počítačová sieť sa zatiaľ nedokáže takýmto ukazovateľom čo i len priblížiť.
Ziskovosť. Veľkoobchodná cena kazety je približne 40 dolárov. Krabica stužiek bude stáť 4 000 dolárov a tú istú stuhu možno použiť desiatky krát. Pripočítajme 1 000 USD za dopravu (v skutočnosti oveľa menej) a získame približne 5 000 USD za prenos 200 TB alebo 3 centy za gigabajt.
Nedostatky. Rýchlosť prenosu dát pomocou magnetických pások je síce vynikajúca, avšak oneskorenie pri takomto prenose je veľmi veľké. Čas prenosu sa meria v minútach alebo hodinách, nie v milisekundách. Mnoho aplikácií vyžaduje okamžitú reakciu vzdialeného systému (v režime pripojenia).

krútená dvojlinka

Krútený pár pozostáva z dvoch izolovaných medených drôtov s typickým priemerom 1 mm. Drôty sa krútia jeden okolo druhého vo forme špirály. To vám umožní znížiť elektromagnetickú interakciu niekoľkých susedných krútených párov.
Aplikácia - telefónna linka, počítačová sieť. Dokáže prenášať signál bez útlmu výkonu na vzdialenosť niekoľkých kilometrov. Na väčšie vzdialenosti sú potrebné opakovače. Sú spojené do kábla, s ochranným náterom. Pár vodičov je v kábli skrútený, aby sa zabránilo prekrývaniu signálu. Môžu byť použité na prenos analógových aj digitálnych údajov. Šírka pásma závisí od priemeru a dĺžky drôtu, ale vo väčšine prípadov je možné dosiahnuť niekoľko megabitov za sekundu na vzdialenosť niekoľkých kilometrov. Kvôli pomerne vysokej šírke pásma a nízkym nákladom sú krútené dvojlinky široko používané a s najväčšou pravdepodobnosťou budú aj v budúcnosti populárne.
Twisted-pair káble majú niekoľko foriem, z ktorých dve sú obzvlášť dôležité v oblasti počítačových sietí. Krútená dvojlinka kategórie 3 (CAT 3) pozostáva z dvoch izolovaných vodičov skrútených dohromady. Štyri takéto páry sú zvyčajne umiestnené spolu v plastovom obale.
Krútená dvojlinka kategórie 5 (CAT 5) je podobná krútenej dvojlinke kategórie 3, ale má viac závitov na centimeter dĺžky drôtu. To umožňuje ďalšie zníženie rušenia medzi rôznymi kanálmi a poskytuje zlepšenú kvalitu prenosu signálu na veľké vzdialenosti (obr. 1).

Ryža. 1. UTP kategória 3 (a), UTP kategória 5 (b).
Všetky tieto typy pripojení sa často označujú ako UTP (unshielded twisted pair – netienená krútená dvojlinka)
Tienené krútené dvojlinky od IBM sa nestali populárnymi mimo IBM.

Koaxiálny kábel

Ďalším bežným prostriedkom na prenos dát je koaxiálny kábel. Je lepšie tienený ako krútená dvojlinka, takže dokáže prenášať dáta na väčšie vzdialenosti pri vyšších rýchlostiach. Široko používané sú dva typy káblov. Jeden z nich, 50-ohmový, sa zvyčajne používa na prenos výlučne digitálnych dát. Iný typ kábla, 75-ohmový, sa často používa na prenos analógových informácií, ako aj v káblovej televízii.
Rez kábla je znázornený na obrázku 2.

Ryža. 2. Koaxiálny kábel.
Konštrukcia a špeciálny typ tienenia koaxiálneho kábla poskytujú veľkú šírku pásma a vynikajúcu odolnosť voči šumu. Maximálna priepustnosť závisí od kvality, dĺžky a odstupu signálu od šumu linky. Moderné káble majú šírku pásma približne 1 GHz.
Aplikácia - telefónne systémy (sieť), káblová televízia, regionálne siete.

vláknová optika

Súčasná technológia optických vlákien môže dosiahnuť rýchlosť prenosu dát až 50 000 Gb/s (50 Tb/s) a mnoho ľudí hľadá lepšie materiály. Dnešný praktický limit 10 Gbps je spôsobený neschopnosťou rýchlejšie konvertovať elektrické signály na optické signály a naopak, hoci v laboratórnych podmienkach sa už podarilo dosiahnuť 100 Gbps na jednom vlákne.
Systém prenosu dát z optických vlákien pozostáva z troch hlavných komponentov: zdroja svetla, nosiča, cez ktorý sa šíri svetelný signál, a prijímača signálu alebo detektora. Svetelný impulz sa berie ako jedna a neprítomnosť impulzu sa berie ako nula. Svetlo sa šíri v ultratenkom sklenenom vlákne. Keď naň dopadne svetlo, detektor vygeneruje elektrický impulz. Pripojením svetelného zdroja na jeden koniec optického vlákna a detektora na druhý sa získa jednosmerný systém prenosu dát.
Pri prenose svetelného signálu sa využíva vlastnosť odrazu a lomu svetla pri prechode z 2 médií. Keď je teda svetlo dodávané pod určitým uhlom k hranici média, svetelný lúč sa úplne odrazí a uzamkne vo vlákne (obr. 3).

Ryža. 3. Vlastnosť lomu svetla.
Existujú 2 typy optických káblov: viacvidový - prenáša lúč svetla, jednovidový - tenký na hranici niekoľkých vlnových dĺžok, pôsobí takmer ako vlnovod, svetlo sa pohybuje priamočiaro bez odrazu. Dnešné jednorežimové optické spojenia môžu pracovať rýchlosťou 50 Gbps na vzdialenosť až 100 km.
V komunikačných systémoch sa používajú tri rozsahy vlnových dĺžok: 0,85, 1,30 a 1,55 µm.
Štruktúra kábla z optických vlákien je podobná štruktúre koaxiálneho drôtu. Jediný rozdiel je v tom, že prvý z nich nemá tieniacu mriežku.
V strede jadra z optických vlákien je sklenené jadro, cez ktoré sa šíri svetlo. Multimode vlákno má priemer jadra 50 µm, čo je približne hrúbka ľudského vlasu. Jadro v jednovidovom vlákne má priemer 8 až 10 µm. Jadro je pokryté vrstvou skla s nižším indexom lomu ako jadro. Je navrhnutý tak, aby spoľahlivejšie bránil úniku svetla z jadra. Vonkajšia vrstva je plastový plášť, ktorý chráni zasklenie. Jadrá z optických vlákien sú zvyčajne zoskupené do zväzkov chránených vonkajším plášťom. Obrázok 4 zobrazuje trojžilový kábel.

Ryža. 4. Trojžilový optický kábel.
V prípade prerušenia je možné spojenie káblových segmentov vykonať tromi spôsobmi:

Na koniec kábla je možné pripojiť špeciálny konektor, pomocou ktorého sa kábel zasunie do optickej zásuvky. Strata je 10-20% intenzity svetla, ale uľahčuje zmenu konfigurácie systému.

Spájanie - dva úhľadne odrezané konce kábla sú položené vedľa seba a zovreté špeciálnou manžetou. Zlepšená priepustnosť svetla sa dosiahne vyrovnaním koncov kábla. Strata - 10% svetelného výkonu.

Fusion. Strata prakticky neexistuje.

Na prenos signálu cez kábel z optických vlákien možno použiť dva typy svetelného zdroja: svetelné diódy (LED, Light Emitting Diode) a polovodičové lasery. Ich porovnávacie charakteristiky sú uvedené v tabuľke 1.

Stôl 1.
Porovnávacia tabuľka využitia LED a polovodičového lasera
Prijímací koniec optického kábla je fotodióda, ktorá generuje elektrický impulz, keď naň dopadá svetlo.

Porovnávacie charakteristiky kábla z optických vlákien a medeného drôtu.

Optické vlákno má niekoľko výhod:

Vysoká rýchlosť.

Menší útlm signálu, menší výstup opakovačov (jeden na 50 km, nie 5)

Inertný voči vonkajšiemu elektromagnetickému žiareniu, chemicky neutrálny.

Váhovo ľahší. 1000 medených krútených párov dlhých 1 km váži asi 8000 kg. Pár káblov z optických vlákien váži iba 100 kg s väčšou šírkou pásma

Nízke náklady na pokládku

nedostatky:

Ťažkosti a kompetencie pri inštalácii.

prenos v simplexnom režime, medzi sieťami sú potrebné minimálne 2 vodiče.

Bezdrôtové pripojenie

elektromagnetické spektrum

Pohyb elektrónov vytvára elektromagnetické vlny, ktoré sa môžu šíriť v priestore (aj vo vákuu). Počet kmitov elektromagnetických kmitov za sekundu sa nazýva frekvencia a meria sa v hertzoch. Vzdialenosť medzi dvoma po sebe nasledujúcimi maximami (alebo minimami) sa nazýva vlnová dĺžka. Táto hodnota sa tradične označuje gréckym písmenom (lambda).
Ak je v elektrickom obvode zahrnutá anténa vhodnej veľkosti, potom môže prijímač úspešne prijímať elektromagnetické vlny v určitej vzdialenosti. Všetky bezdrôtové komunikačné systémy sú založené na tomto princípe.
Vo vákuu sa všetky elektromagnetické vlny šíria rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na ich frekvenciu. Táto rýchlosť sa nazýva rýchlosť svetla, - 3*108 m/s. V medi alebo skle je rýchlosť svetla asi 2/3 tejto hodnoty a mierne závisí aj od frekvencie.
Vzťah množstiev a:

Ak sa frekvencia () meria v MHz a vlnová dĺžka () v metroch, potom.
Súhrn všetkých elektromagnetických vĺn tvorí takzvané spojité spektrum elektromagnetického žiarenia (obr. 5). Rádio, mikrovlnné, infračervené a viditeľné svetlo možno použiť na prenos informácií pomocou amplitúdovej, frekvenčnej alebo fázovej modulácie vĺn. Ultrafialové, röntgenové a gama lúče by boli pre ich vysoké frekvencie ešte lepšie, no ťažko sa generujú a modulujú, zle prechádzajú budovami a navyše sú nebezpečné pre všetko živé. Oficiálny názov rozsahov je uvedený v tabuľke 6.

Ryža. 5. Elektromagnetické spektrum a jeho využitie v komunikáciách.
Tabuľka 2
Oficiálne názvy kapiel ITU
Množstvo informácií, ktoré môže elektromagnetická vlna preniesť, súvisí s frekvenčným rozsahom kanála. Moderné technológie umožňujú kódovať niekoľko bitov na hertz pri nízkych frekvenciách. Za určitých podmienok sa toto číslo môže pri vysokých frekvenciách zvýšiť osemnásobne.
Pri znalosti šírky rozsahu vlnových dĺžok je možné vypočítať zodpovedajúci frekvenčný rozsah a rýchlosť prenosu dát.

Príklad: Pre rozsah 1,3 mikrónových optických káblov. Potom sa ukázalo, že pri 8 bps môžete dosiahnuť prenosovú rýchlosť 240 Tbps.

Rádiová komunikácia

Rádiové vlny sa ľahko vytvárajú, cestujú na veľké vzdialenosti, prechádzajú cez steny, obchádzajú budovy a šíria sa všetkými smermi. Vlastnosti rádiových vĺn závisia od frekvencie (obr. 6). Pri prevádzke na nízkych frekvenciách prechádzajú rádiové vlny cez prekážky dobre, ale sila signálu vo vzduchu prudko klesá, keď sa vzďaľujete od vysielača. Pomer výkonu a vzdialenosti od zdroja je vyjadrený približne takto: 1/r2. Pri vysokých frekvenciách majú rádiové vlny vo všeobecnosti tendenciu pohybovať sa iba v priamom smere a odrážať sa od prekážok. Navyše ich pohltí napríklad dážď. Rádiové signály akejkoľvek frekvencie sú rušené motormi s kefkami a inými elektrickými zariadeniami.

Ryža. 6. Vlny pásiem VLF, LF, MF obchádzajú drsnosť zemského povrchu (a), vlny pásiem HF a VHF sa odrážajú od ionosféry a zemou pohlcujú (b).

Komunikácia v mikrovlnnom rozsahu

Pri frekvenciách nad 100 MHz sa rádiové vlny šíria takmer priamočiaro, takže je možné ich zaostriť do úzkych lúčov. Koncentrácia energie vo forme úzkeho lúča pomocou parabolickej antény (ako známa parabola satelitnej televízie) vedie k zlepšeniu pomeru signálu k šumu, avšak pre takéto spojenie sú vysielacie a prijímacie antény musia byť pomerne presne nasmerované na seba.
Na rozdiel od rádiových vĺn s nižšími frekvenciami mikrovlny neprechádzajú dobre budovami. Mikrovlnné rádio sa tak široko používalo v diaľkovej telefónii, mobilných telefónoch, televíznom vysielaní a iných oblastiach, že došlo k vážnemu nedostatku šírky pásma.
Toto spojenie má oproti optickým vláknam množstvo výhod. Hlavným z nich je, že nie je potrebné položiť kábel, a preto nie je potrebné platiť za prenájom pôdy pozdĺž signálnej cesty. Stačí každých 50 km kúpiť malé pozemky a nainštalovať na ne reléové veže.

Infračervené a milimetrové vlny

Infračervené a milimetrové žiarenie bez použitia kábla je široko používané na komunikáciu na krátke vzdialenosti (napríklad diaľkové ovládače). Sú relatívne smerové, lacné a ľahko sa inštalujú, ale neprejdú cez pevné predmety.
Komunikácia v infračervenom rozsahu sa používa v systémoch stolných počítačov (napríklad na prepojenie notebookov s tlačiarňami), ale v telekomunikáciách stále nehrá významnú úlohu.

Komunikačné satelity

Používajú sa družice typu E: geostacionárne (GEO), stredná výška (MEO) a nízka obežná dráha (LEO) (obr. 7).

Ryža. 7. Komunikačné satelity a ich vlastnosti: výška obežnej dráhy, oneskorenie, počet satelitov potrebný na pokrytie celého povrchu zemegule.

Verejná komutovaná telefónna sieť

Štruktúra telefónneho systému

Štruktúra typickej telefónnej komunikačnej trasy na stredné vzdialenosti je znázornená na obrázku 8.

Ryža. 8. Typická komunikačná trasa s priemernou vzdialenosťou medzi účastníkmi.

Lokálne linky: modemy, ADSL, bezdrôtové

Keďže počítač pracuje s digitálnym signálom a lokálna telefónna linka je prenosom analógového signálu, na prevod digitálneho na analógový a naopak sa používa modemové zariadenie a samotný proces sa nazýva modulácia / demodulácia (obr. 9). .

Ryža. 9. Použitie telefónnej linky pri prenose digitálneho signálu.
Existujú 3 spôsoby modulácie (obr. 10):

amplitúdová modulácia - používajú sa 2 rôzne amplitúdy signálu (pre 0 a 1),

frekvencia - používa sa niekoľko rôznych frekvencií signálu (pre 0 a 1),

fáza - fázové posuny sa využívajú pri prechode medzi logickými jednotkami (0 a 1). Šmykové uhly - 45, 135, 225, 180.

V praxi sa používajú kombinované modulačné systémy.

Ryža. 10. Binárny signál (a); amplitúdová modulácia (b); frekvenčná modulácia (c); fázová modulácia.
Všetky moderné modemy umožňujú prenášať dáta v oboch smeroch, tento režim prevádzky sa nazýva duplex. Spojenie s možnosťou sériového prenosu sa nazýva polovičný duplex. Spojenie, pri ktorom dochádza k prenosu iba jedným smerom, sa nazýva simplexné.
Maximálna rýchlosť modemu, ktorú je možné v súčasnosti dosiahnuť, je 56 Kb/s. Štandard V.90.

Digitálne účastnícke linky. technológia xDSL.

Po dosiahnutí limitu rýchlosti cez modemy začali telefónne spoločnosti hľadať východisko z tejto situácie. Mnoho návrhov sa tak objavilo pod všeobecným názvom xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - digitálna účastnícka linka, kde namiesto X môžu tam byť aj iné písmená. Najznámejšou technológiou z týchto návrhov je ADSL (Asymmetric DSL).
Dôvodom obmedzenia rýchlosti modemov bolo, že na prenos dát využívali prenosový rozsah ľudskej reči – 300 Hz až 3400 Hz. Spolu s hraničnými frekvenciami nebola šírka pásma 3100 Hz, ale 4000 Hz.
Hoci spektrum miestnej telefónnej linky je 1,1 Hz.
Prvý návrh technológie ADSL využíval celé spektrum lokálnej telefónnej linky, ktorá je rozdelená do 3 pásiem:

POTS - dosah konvenčnej telefónnej siete;

výstupný rozsah;

vstupný rozsah.

Technológia, ktorá využíva rôzne frekvencie na rôzne účely, sa nazýva frekvenčný multiplex alebo frekvenčný multiplex.
Alternatívna metóda nazývaná diskrétna viactónová modulácia, DMT (Discrete MultiTone) spočíva v rozdelení celého spektra 1,1 MHz širokej lokálnej linky na 256 nezávislých kanálov po 4312,5 Hz. Kanál 0 je POTS. Kanály 1 až 5 sa nepoužívajú, aby hlasový signál nemohol rušiť informačný signál. Zo zostávajúcich 250 kanálov je jeden obsadený riadením prenosu smerom k poskytovateľovi, jeden - smerom k užívateľovi a všetky ostatné sú dostupné na prenos užívateľských dát (obr. 11).

Ryža. 11. Prevádzka ADSL s použitím diskrétnej viactónovej modulácie.
Štandard ADSL vám umožňuje prijímať až 8 Mb/s a odosielať až 1 Mb/s. ADSL2+ - odchádzajúce až 24 Mb/s, prichádzajúce až 1,4 Mb/s.
Typická konfigurácia ADSL zariadenia obsahuje:

DSLAM - DSL prístupový multiplexer;

NID je zariadenie sieťového rozhrania, ktoré oddeľuje vlastníctvo telefónnej spoločnosti a účastníka.

Rozdeľovač (splitter) je frekvenčný rozdeľovač, ktorý oddeľuje pásmo POTS a dáta ADSL.

Ryža. 12. Typická konfigurácia zariadenia ADSL.

Linky a tesnenia

Šetrenie zdrojov zohráva v telefónnom systéme dôležitú úlohu. Náklady na pokládku a údržbu vysokokapacitnej chrbtice a nekvalitného vedenia sú takmer rovnaké (to znamená, že leví podiel týchto nákladov sa vynakladá na kopanie výkopov, a nie na samotný medený alebo optický kábel).
Z tohto dôvodu telefónne spoločnosti spolupracovali na vývoji niekoľkých schém na prenos viacerých konverzácií cez jeden fyzický kábel. Schémy multiplexovania možno rozdeliť do dvoch hlavných kategórií FDM (Frequency Division Multiplexing) a TDM (Time Division Multiplexing) (obr. 13).
Pri frekvenčnom multiplexovaní je frekvenčné spektrum rozdelené medzi logické kanály a každý užívateľ získava výhradné vlastníctvo svojho subpásma. Pri časovom multiplexovaní sa užívatelia striedajú (cyklicky) pomocou rovnakého kanála a každý z nich dostane plnú kapacitu kanála na krátku dobu.
Kanály z optických vlákien využívajú špeciálny variant frekvenčného multiplexovania. Nazýva sa to spektrálny multiplex (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Ryža. 13. Príklad frekvenčného multiplexovania: pôvodné spektrá 1 signálov (a), frekvenčne posunuté spektrá (b), multiplexovaný kanál (c).

Prepínanie

Z pohľadu bežného telefónneho inžiniera sa telefónny systém skladá z dvoch častí: vonkajšieho zariadenia (miestne telefónne linky a zväzky, mimo ústredne) a vnútorného zariadenia (ústredne) umiestnené na telefónnej ústredni.
Akékoľvek komunikačné siete podporujú nejaký spôsob prepínania (komunikácie) svojich účastníkov medzi sebou. Je prakticky nemožné poskytnúť každej dvojici interagujúcich účastníkov vlastnú neprepínanú fyzickú komunikačnú linku, ktorú by si mohli dlhodobo monopolizovať „vlastne“. Preto sa v každej sieti vždy používa nejaký spôsob prepínania predplatiteľov, ktorý zabezpečuje dostupnosť dostupných fyzických kanálov súčasne pre niekoľko komunikačných relácií medzi predplatiteľmi siete.
V telefónnych systémoch sa používajú dve rôzne techniky: prepínanie okruhov a prepínanie paketov.

Prepínanie okruhov

Prepínanie okruhov znamená vytvorenie súvislého kompozitného fyzického kanála zo sériovo spojených jednotlivých kanálových sekcií na priamy prenos dát medzi uzlami. V okruhovo prepínanej sieti je pred prenosom dát vždy potrebné vykonať procedúru nadviazania spojenia, počas ktorej sa vytvorí kompozitný kanál (obr. 14).

Prepínanie paketov

Pri prepínaní paketov sú všetky správy prenášané užívateľom siete rozdelené v zdrojovom uzle na relatívne malé časti, nazývané pakety. Každý paket je vybavený hlavičkou, ktorá špecifikuje informácie o adrese potrebné na doručenie paketu cieľovému hostiteľovi, ako aj číslo paketu, ktoré cieľový hostiteľ použije na zostavenie správy. Pakety sú prenášané po sieti ako nezávislé informačné jednotky. Sieťové prepínače prijímajú pakety z koncových uzlov a na základe informácií o adrese ich prenášajú medzi sebou a v konečnom dôsledku do cieľového uzla (obr. 14).
atď.................

Počiatočné informácie, ktoré je potrebné preniesť cez komunikačnú linku, môžu byť buď diskrétne (výstupné údaje počítača) alebo analógové (reč, televízny obraz).

Prenos diskrétnych údajov je založený na použití dvoch typov fyzického kódovania:

a) analógová modulácia, keď sa kódovanie vykonáva zmenou parametrov sínusového nosného signálu;

b) digitálne kódovanie zmenou úrovní sekvencie pravouhlých informačných impulzov.

Analógová modulácia vedie k oveľa menšiemu spektru výsledného signálu ako pri digitálnom kódovaní pri rovnakej rýchlosti prenosu informácií, ale jej implementácia vyžaduje zložitejšie a drahšie vybavenie.

V súčasnosti sa pôvodné dáta, ktoré majú analógovú formu, čoraz častejšie prenášajú cez komunikačné kanály v diskrétnej forme (vo forme postupnosti jednotiek a núl), t.j. vykonáva sa diskrétna modulácia analógových signálov.

analógová modulácia. Používa sa na prenos diskrétnych dát cez kanály s úzkou šírkou pásma, ktorých typickým predstaviteľom je hlasový frekvenčný kanál poskytovaný používateľom telefónnych sietí. Týmto kanálom sa prenášajú signály s frekvenciou 300 až 3400 Hz, t.j. jeho šírka pásma je 3100 Hz. Takéto pásmo úplne postačuje na prenos reči s prijateľnou kvalitou. Obmedzenie šírky pásma tónového kanála je spojené s použitím zariadení na multiplexovanie a prepínanie okruhov v telefónnych sieťach.

Pred prenosom diskrétnych dát na vysielacej strane pomocou modulátora-demodulátora (modemu) sa vykoná modulácia nosnej sínusoidy pôvodnej sekvencie binárnych číslic. Inverznú konverziu (demoduláciu) vykonáva prijímací modem.

Existujú tri spôsoby prevodu digitálnych údajov na analógovú formu alebo tri spôsoby analógovej modulácie:

Amplitúdová modulácia, kedy sa mení iba amplitúda nositeľa sínusových kmitov v súlade s postupnosťou prenášaných informačných bitov: napríklad pri vysielaní jednotky je amplitúda oscilácie nastavená veľká a pri vysielaní nuly je malá, resp. žiadny nosný signál vôbec;

Frekvenčná modulácia, kedy sa vplyvom modulačných signálov (prenášaných informačných bitov) mení len nosná frekvencia sínusových kmitov: napríklad pri vysielaní nuly je nízka a pri vysielaní jedna vysoká;

Fázová modulácia, keď sa v súlade so sekvenciou prenášaných informačných bitov mení iba fáza nositeľa sínusových kmitov: pri prepnutí zo signálu 1 na signál 0 alebo naopak sa fáza zmení o 180 °. Vo svojej čistej forme sa amplitúdová modulácia v praxi používa len zriedka kvôli nízkej odolnosti voči šumu. Frekvenčná modulácia nevyžaduje zložité obvody v modemoch a zvyčajne sa používa v nízkorýchlostných modemoch pracujúcich pri 300 alebo 1200 bps. Zvýšenie rýchlosti prenosu dát je zabezpečené použitím kombinovaných modulačných metód, častejšie amplitúdovej modulácie v kombinácii s fázou.

Analógová metóda prenosu diskrétnych údajov poskytuje širokopásmový prenos pomocou signálov s rôznymi nosnými frekvenciami v jednom kanáli. To zaručuje interakciu veľkého počtu účastníkov (každý pár účastníkov pracuje na svojej vlastnej frekvencii).

Digitálne kódovanie. Pri digitálnom kódovaní diskrétnych informácií sa používajú dva typy kódov:

a) potenciálne kódy, keď sa na reprezentáciu informačných jednotiek a núl používa iba hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy sa neberú do úvahy;

b) impulzné kódy, keď binárne dáta sú reprezentované buď impulzmi určitej polarity, alebo potenciálnymi poklesmi určitého smeru.

Nasledujúce požiadavky sú kladené na metódy digitálneho kódovania diskrétnych informácií pri použití pravouhlých impulzov na reprezentáciu binárnych signálov:

Zabezpečenie synchronizácie medzi vysielačom a prijímačom;

Zabezpečenie najmenšej šírky spektra výsledného signálu pri rovnakej bitovej rýchlosti (pretože užšie spektrum signálov umožňuje

siete s rovnakou šírkou pásma dosahujú vyššie rýchlosti

prenos dát);

Schopnosť rozpoznať chyby v prenášaných údajoch;

Relatívne nízke náklady na implementáciu.

Prostredníctvom fyzickej vrstvy sa vykonáva iba rozpoznanie poškodených dát (detekcia chýb), čo šetrí čas, pretože prijímač bez čakania na úplné umiestnenie prijatého rámca do vyrovnávacej pamäte ho okamžite odmietne, keď rozpozná chybný bitov v ráme. Zložitejšia operácia - oprava poškodených dát - je vykonávaná protokolmi vyššej úrovne: kanál, sieť, transport alebo aplikácia.

Synchronizácia vysielača a prijímača je nevyhnutná, aby prijímač presne vedel, kedy má čítať prichádzajúce dáta. Hodinové signály naladia prijímač na prenášanú správu a udržujú prijímač synchronizovaný s prichádzajúcimi dátovými bitmi. Problém synchronizácie je ľahko vyriešený pri prenose informácií na krátke vzdialenosti (medzi blokmi vo vnútri počítača, medzi počítačom a tlačiarňou) pomocou samostatnej časovacej komunikačnej linky: informácie sa čítajú až v momente, keď príde ďalší hodinový impulz. V počítačových sieťach sa od používania hodinových impulzov upúšťa z dvoch dôvodov: z dôvodu úspory vodičov v drahých kábloch a z dôvodu heterogenity charakteristík vodičov v kábloch (na veľké vzdialenosti môže nerovnomerná rýchlosť šírenia signálu viesť k desynchronizácii hodinové impulzy v hodinovom riadku a informačné impulzy v hlavnom riadku, v dôsledku čoho bude dátový bit buď preskočený, alebo prečítaný).

V súčasnosti sa synchronizácia vysielača a prijímača v sieťach dosahuje pomocou samosynchronizačných kódov (SC). Kódovanie prenášaných dát pomocou SC má zabezpečiť pravidelné a časté zmeny (prechody) úrovní informačného signálu v kanáli. Každý prechod úrovne signálu z vysokej na nízku alebo naopak sa používa na trimovanie prijímača. Najlepšie sú tie SC, ktoré poskytujú prechod úrovne signálu aspoň raz počas časového intervalu potrebného na prijatie jedného informačného bitu. Čím častejšie sú prechody úrovne signálu, tým spoľahlivejšia je synchronizácia prijímača a tým spoľahlivejšia je identifikácia prijatých dátových bitov.

Tieto požiadavky na metódy digitálneho kódovania diskrétnych informácií sú do určitej miery vzájomne protichodné, preto každá z nižšie uvažovaných metód kódovania má v porovnaní s ostatnými svoje výhody a nevýhody.

Samosynchronizujúce kódy. Najbežnejšie sú tieto SC:

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

Bipolárny pulzný kód (RZ kód);

Manchester kód;

Bipolárny kód s inverziou alternatívnej úrovne.

Na obr. 32 ukazuje schémy kódovania pre správu 0101100 s použitím týchto CK.

Nasledujúce ukazovatele sa používajú na charakterizáciu a porovnanie SC:

Úroveň (kvalita) synchronizácie;

Spoľahlivosť (dôvera) rozpoznávania a výberu prijatých informačných bitov;

Požadovaná rýchlosť zmeny úrovne signálu v komunikačnej linke pri použití SC, ak je nastavená šírka pásma linky;

Zložitosť (a tým aj náklady) zariadenia, ktoré implementuje SC.

Kód NRZ sa ľahko kóduje a jeho implementácia je nízka. Takéto meno dostala preto, lebo pri prenose série bitov s rovnakým názvom (jednotky alebo nuly) sa signál počas cyklu nevráti na nulu, ako je to v prípade iných metód kódovania. Úroveň signálu zostáva nezmenená pre každú sériu, čo výrazne znižuje kvalitu synchronizácie a spoľahlivosť rozpoznania prijatých bitov (časovač prijímača sa môže zle zosúladiť s prichádzajúcim signálom a môže dôjsť k predčasnému dotazovaniu liniek).

Pre N^-kód platia nasledujúce vzťahy:

kde VI je rýchlosť zmeny úrovne signálu v komunikačnej linke (baud);

Y2 - priepustnosť komunikačnej linky (bit / s).

Okrem toho, že tento kód nemá vlastnosť samosynchronizácie, má aj ďalšiu vážnu nevýhodu: prítomnosť nízkofrekvenčnej zložky, ktorá sa pri vysielaní dlhých jednotiek alebo núl približuje k nule. V dôsledku toho sa kód NRZ v čistej forme nepoužíva v sieťach. Uplatňujú sa jeho rôzne modifikácie, pri ktorých odpadá zlá samosynchronizácia kódu a prítomnosť konštantnej zložky.

RZ kód, alebo bipolárny pulzný kód (return-to-zero code), sa vyznačuje tým, že počas prenosu jedného informačného bitu sa úroveň signálu zmení dvakrát, bez ohľadu na to, či ide o sériu bitov s rovnakým názvom alebo striedanie bitov. prenášané. Jednotka je reprezentovaná impulzom jednej polarity a nula je reprezentovaná druhou. Každý impulz trvá polovicu cyklu. Takýto kód má vynikajúce samosynchronizačné vlastnosti, ale náklady na jeho implementáciu sú pomerne vysoké, pretože je potrebné zabezpečiť pomer

Spektrum RZ kódu je širšie ako spektrum potenciálnych kódov. Pre svoje príliš široké spektrum sa používa len zriedka.

Manchester kód poskytuje zmenu úrovne signálu pri prezentovaní každého bitu a pri prenose série bitov s rovnakým názvom dvojitú zmenu. Každé opatrenie je rozdelené na dve časti. Informácie sú zakódované potenciálnymi kvapkami, ktoré sa vyskytujú uprostred každého cyklu. Jednotka je zakódovaná prechodom z nízkej do vysokej a nula je zakódovaná spätnou hranou. Pomer rýchlosti pre tento kód je:

Manchester kód má dobré vlastnosti automatického taktovania, pretože signál sa mení aspoň raz za cyklus prenosu jedného dátového bitu. Jeho šírka pásma je užšia ako u kódu RZ (v priemere jeden a pol krát). Na rozdiel od bipolárneho pulzného kódu, kde sa na prenos dát používajú tri úrovne signálu (čo je niekedy veľmi nežiaduce, napríklad v optických kábloch sú spoľahlivo rozpoznané len dva stavy – svetlo a tma), má Manchesterský kód dve úrovne.

Manchester kód je široko používaný v technológiách Ethernet a Token Ring.

Alternate Level Inversion Bipolar Code (AMI kód) je modifikáciou kódu NRZ. Využíva tri úrovne potenciálu – negatívny, nulový a pozitívny. Jednotka je zakódovaná buď pozitívnym, alebo negatívnym potenciálom. Na zakódovanie nuly sa používa nulový potenciál. Kód má dobré synchronizačné vlastnosti pri prenose série jednotiek, pretože potenciál každej novej jednotky je opačný ako potenciál predchádzajúcej jednotky. Pri prenose sérií núl nedochádza k synchronizácii. Implementácia kódu AMI je pomerne jednoduchá. Pre neho

Pri prenose rôznych kombinácií bitov na linke vedie použitie kódu AMI k užšiemu spektru signálu ako pri kóde NRZ, a teda k vyššej priepustnosti linky.

Všimnite si, že rozšírené potenciálne kódy (modernizovaný kód Manchester a kód AMI) majú užšie spektrum ako pulzné kódy, takže sa používajú vo vysokorýchlostných technológiách, ako sú FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Diskrétna modulácia analógových signálov. Ako už bolo uvedené, jedným z trendov vo vývoji moderných počítačových sietí je ich digitalizácia, teda prenos signálov akejkoľvek povahy v digitálnej forme. Zdrojmi týchto signálov môžu byť počítače (pre diskrétne dáta) alebo zariadenia ako telefóny, videokamery, video a audio zariadenia (pre analógové dáta). Až donedávna (pred príchodom digitálnych komunikačných sietí) sa v teritoriálnych sieťach prenášali všetky typy údajov v analógovej forme a počítačové údaje, diskrétnej povahy, sa konvertovali do analógovej formy pomocou modemov.

Prenos informácií v analógovej forme však nezlepší kvalitu prijímaných údajov, ak počas prenosu došlo k výraznému skresleniu. Preto bola analógová technika na nahrávanie a prenos zvuku a obrazu nahradená digitálnou technológiou, ktorá využíva diskrétnu moduláciu analógových signálov.

Diskrétna modulácia je založená na vzorkovaní spojitých signálov v amplitúde aj v čase. Jednou zo široko používaných metód na konverziu analógových signálov na digitálne je pulzná kódová modulácia (PCM), ktorú v roku 1938 navrhol A.Kh. Reeves (USA).

Pri použití PCM proces prevodu zahŕňa tri stupne: mapovanie, kvantovanie a kódovanie (obr. 33).

Prvou fázou je zobrazenie. Amplitúda pôvodného spojitého signálu sa meria s danou periódou, vďaka čomu dochádza k časovej diskretizácii. V tomto štádiu sa analógový signál konvertuje na signály pulznej amplitúdovej modulácie (PAM). Realizácia etapy je založená na Nyquist-Kotelnikovovej teórii mapovania, ktorej hlavná pozícia je: ak je analógový signál zobrazený (t. j. reprezentovaný ako sekvencia jeho hodnôt v diskrétnom čase) v pravidelnom intervale s frekvenciou aspoň dvojnásobok frekvencie najvyššieho harmonického spektra pôvodného spojitého signálu, potom bude displej obsahovať informáciu dostatočnú na obnovenie pôvodného signálu. V analógovej telefónii sa pre prenos hlasu volí rozsah od 300 do 3400 Hz, čo je dostatočné na kvalitný prenos všetkých hlavných harmonických účastníkov hovoru. Preto sa v digitálnych sieťach, kde je na prenos hlasu implementovaná metóda PCM, používa zobrazovacia frekvencia 8000 Hz (to je viac ako 6800 Hz, čo poskytuje určitú hranicu kvality).

V kroku kvantovania je každému signálu IAM pridelená kvantovaná hodnota zodpovedajúca najbližšej kvantizačnej úrovni. Celý rozsah variácií amplitúdy signálu IAM je rozdelený do 128 alebo 256 kvantizačných úrovní. Čím viac úrovní kvantovania, tým presnejšie je amplitúda signálu IAM reprezentovaná kvantovanou úrovňou.

Vo fáze kódovania je každému kvantovanému mapovaniu priradený 7-bitový (ak je počet úrovní kvantovania 128) alebo 8-bitový (ak je počet úrovní kvantovania 128) binárny kód. Na obr. 33 ukazuje signály 8-prvkového binárneho kódu 00101011 zodpovedajúce kvantovanému signálu s úrovňou 43. Pri kódovaní so 7-prvkovými kódmi by rýchlosť prenosu dát cez kanál mala byť 56 kbps (toto je súčin zobrazovacej frekvencie a bitová hĺbka binárneho kódu) a pri kódovaní 8-prvkových kódov - 64 Kbps. Štandardom je digitálny kanál 64 kbit/s, ktorý sa nazýva aj elementárny kanál digitálnych telefónnych sietí.

Zariadenie, ktoré vykonáva tieto kroky prevodu analógovej hodnoty na digitálny kód, sa nazýva analógovo-digitálny prevodník (ADC). Na prijímacej strane sa pomocou digitálno-analógového prevodníka (DAC) uskutoční inverzný prevod, t.j. demodulujú sa digitalizované amplitúdy spojitého signálu a obnoví sa pôvodná spojitá funkcia času.

V moderných digitálnych komunikačných sieťach sa používajú aj iné metódy diskrétnej modulácie, ktoré umožňujú reprezentovať merania hlasu v kompaktnejšej forme, napríklad ako postupnosť 4-bitových čísel. Využíva sa aj koncept prevodu analógových signálov na digitálne, pri ktorom nie sú kvantované a následne kódované signály IAM samotné, ale iba ich zmeny a predpokladá sa, že počet úrovní kvantovania je rovnaký. Je zrejmé, že takáto koncepcia umožňuje konverziu signálov s väčšou presnosťou.

Digitálne metódy na záznam, reprodukciu a prenos analógových informácií poskytujú schopnosť kontrolovať spoľahlivosť dát čítaných z nosiča alebo prijímaných cez komunikačnú linku. Na tento účel sa používajú rovnaké metódy kontroly ako pre počítačové dáta (pozri 4.9).

Prenos súvislého signálu v diskrétnej forme kladie prísne požiadavky na synchronizáciu prijímača. Ak nie je dodržaná synchronizácia, pôvodný signál sa obnoví nesprávne, čo vedie k skresleniu hlasu alebo prenášaného obrazu. Ak snímky s hlasovými meraniami (alebo inými analógovými hodnotami) prichádzajú synchrónne, kvalita hlasu môže byť dosť vysoká. V počítačových sieťach však môžu byť rámce oneskorené ako v koncových uzloch, tak aj v medziľahlých spínacích zariadeniach (mosty, prepínače, smerovače), čo negatívne ovplyvňuje kvalitu prenosu hlasu. Preto sa na vysokokvalitný prenos digitalizovaných spojitých signálov používajú špeciálne digitálne siete (ISDN, ATM, digitálne televízne siete), hoci siete Frame Relay sa stále používajú na prenos vnútropodnikových telefónnych rozhovorov, pretože oneskorenia prenosu rámcov v nich sú v prijateľných medziach. .

Presluchy na blízkom konci linky – určuje odolnosť kábla voči rušeniu voči vnútorným zdrojom rušenia. Zvyčajne sa hodnotia vo vzťahu ku káblu, ktorý pozostáva z niekoľkých krútených párov, kedy vzájomné snímanie jedného páru na druhom môže dosiahnuť významné hodnoty a vytvárať vnútorný šum úmerný užitočnému signálu.

Spoľahlivosť prenosu dát(alebo bitová chybovosť) charakterizuje pravdepodobnosť skreslenia pre každý prenášaný dátový bit. Dôvodom skreslenia informačných signálov je rušenie na linke, ako aj obmedzená šírka pásma jej prechodu. Zvýšenie spoľahlivosti prenosu dát sa preto dosahuje zvýšením stupňa odolnosti linky proti šumu, znížením úrovne presluchov v kábli a použitím väčšieho množstva širokopásmových komunikačných liniek.

Pre bežné káblové komunikačné linky bez dodatočnej ochrany proti chybám je spoľahlivosť prenosu dát spravidla 10 -4 -10 -6. To znamená, že v priemere z 10 4 alebo 10 6 prenášaných bitov bude poškodená hodnota jedného bitu.

Zariadenie komunikačnej linky(zariadenie na prenos dát - ATD) je okrajové zariadenie, ktoré priamo spája počítače s komunikačnou linkou. Je súčasťou komunikačného vedenia a zvyčajne funguje na fyzickej úrovni, pričom zabezpečuje prenos a príjem signálu požadovaného tvaru a výkonu. Príkladmi ADF sú modemy, adaptéry, analógovo-digitálne a digitálno-analógové prevodníky.

DTE nezahŕňa dátové koncové zariadenie (DTE) užívateľa, ktoré generuje dáta na prenos po komunikačnej linke a je pripojené priamo k DTE. DTE zahŕňa napríklad LAN router. Upozorňujeme, že rozdelenie vybavenia do tried APD a OOD je skôr podmienené.

Na dlhých komunikačných linkách sa používa medziľahlé zariadenie, ktoré rieši dve hlavné úlohy: zlepšenie kvality informačných signálov (ich tvar, výkon, trvanie) a vytvorenie trvalého kompozitného kanála (end-to-end kanál) komunikácie medzi dvoma účastníkmi siete. . V LCN sa medzizariadenia nepoužívajú, ak dĺžka fyzického média (káble, rádiový vzduch) nie je veľká, takže signály z jedného sieťového adaptéra do druhého možno prenášať bez prechodnej obnovy ich parametrov.

V globálnych sieťach je zabezpečený kvalitný prenos signálu na stovky a tisíce kilometrov. Preto sú zosilňovače inštalované v určitých vzdialenostiach. Na vytvorenie priechodného vedenia medzi dvoma účastníkmi sa používajú multiplexory, demultiplexory a prepínače.

Medzizariadenie komunikačného kanála je pre užívateľa transparentné (nevšimne si to), hoci v skutočnosti tvorí komplexnú sieť tzv. primárna sieť a slúži ako základ pre budovanie počítačových, telefónnych a iných sietí.

Rozlišovať analógové a digitálne komunikačné linky, ktoré využívajú rôzne typy medzizariadení. V analógových vedeniach je medziľahlé zariadenie navrhnuté na zosilnenie analógových signálov, ktoré majú súvislý rozsah hodnôt. Vo vysokorýchlostných analógových kanáloch je implementovaná technika frekvenčného multiplexovania, keď je niekoľko nízkorýchlostných analógových účastníckych kanálov multiplexovaných do jedného vysokorýchlostného kanála. V digitálnych komunikačných kanáloch, kde majú pravouhlé informačné signály konečný počet stavov, medziľahlé zariadenie zlepšuje tvar signálov a obnovuje ich opakovanie. Zabezpečuje vytváranie vysokorýchlostných digitálnych kanálov, pracujúcich na princípe časového multiplexovania kanálov, kedy každému nízkorýchlostnému kanálu je pridelený určitý zlomok času vysokorýchlostnému kanálu.

Pri prenose diskrétnych počítačových údajov cez digitálne komunikačné linky je definovaný protokol fyzickej vrstvy, pretože parametre informačných signálov prenášaných linkou sú štandardizované a pri prenose cez analógové linky nie je definovaný, pretože informačné signály majú ľubovoľnú tvar a nie sú tam žiadne požiadavky.

Nasledujúce sa používajú v komunikačných sieťach režimy prenosu informácií:

simplex, keď sú vysielač a prijímač prepojené jedným komunikačným kanálom, cez ktorý sa informácie prenášajú iba jedným smerom (to je typické pre televízne komunikačné siete);

Half-duplex, keď sú dva komunikačné uzly tiež spojené jedným kanálom, cez ktorý sa informácie prenášajú striedavo v jednom smere, potom v opačnom smere (to je typické pre informačno-referenčné systémy, požiadavky-odpoveď);

duplex, keď sú dva komunikačné uzly spojené dvoma kanálmi (dopredný komunikačný kanál a spätný), cez ktoré sa súčasne prenášajú informácie v opačných smeroch. Duplexné kanály sa používajú v systémoch s rozhodovacou a informačnou spätnou väzbou.

Prepínané a vyhradené komunikačné kanály. V TSS sú vyhradené (neprepínané) komunikačné kanály a tie s prepínaním po dobu prenosu informácií cez tieto kanály.

Pri použití vyhradených komunikačných kanálov sú zariadenia transceiveru komunikačných uzlov neustále navzájom prepojené. To zabezpečuje vysoký stupeň pripravenosti systému na prenos informácií, vyššiu kvalitu komunikácie a podporu veľkého objemu prevádzky. Vzhľadom na relatívne vysoké náklady na prevádzku sietí s vyhradenými komunikačnými kanálmi je ich ziskovosť dosiahnutá len pri plnom zaťažení kanálov.

Komutované komunikačné kanály, vytvorené len na dobu prenosu fixného množstva informácií, sa vyznačujú vysokou flexibilitou a relatívne nízkou cenou (s malým objemom prevádzky). Nevýhody takýchto kanálov sú: strata času na prepínanie (na nadviazanie komunikácie medzi účastníkmi), možnosť blokovania z dôvodu vyťaženosti jednotlivých úsekov komunikačnej linky, nižšia kvalita komunikácie, vysoké náklady so značným objemom prevádzky.

Počiatočné informácie, ktoré je potrebné preniesť cez komunikačnú linku, môžu byť buď diskrétne (výstupné údaje počítača) alebo analógové (reč, televízny obraz).

Diskrétny prenos dát je založený na použití dvoch typov fyzického kódovania:

a) analógová modulácia keď sa kódovanie vykonáva zmenou parametrov sínusového nosného signálu;

b) digitálne kódovanie zmenou úrovní postupnosti pravouhlých informačných impulzov.

V súčasnosti sa počiatočné dáta, ktoré majú analógovú formu, čoraz častejšie prenášajú cez komunikačné kanály v diskrétnej forme (vo forme postupnosti jednotiek a núl), t.j. diskrétna modulácia analógové signály.

Analógová modulácia. Používa sa na prenos diskrétnych dát cez kanály s úzkou šírkou pásma, ktorých typickým predstaviteľom je hlasový frekvenčný kanál poskytovaný používateľom telefónnych sietí. Týmto kanálom sa prenášajú signály s frekvenciou 300 až 3400 Hz, t.j. jeho šírka pásma je 3100 Hz. Takéto pásmo úplne postačuje na prenos reči s prijateľnou kvalitou. Obmedzenie šírky pásma tónového kanála je spojené s použitím zariadení na multiplexovanie a prepínanie okruhov v telefónnych sieťach.

Existujú tri spôsoby prevodu digitálnych údajov na analógovú formu alebo tri spôsoby analógovej modulácie:

frekvenčná modulácia, keď sa pri pôsobení modulačných signálov (prenášaných informačných bitov) mení iba frekvencia nositeľa sínusových kmitov: napríklad pri vysielaní nuly je nízka a pri vysielaní je vysoká;

fázová modulácia, kedy sa v súlade so sekvenciou prenášaných informačných bitov mení len fáza nositeľa sínusových kmitov: pri prepnutí zo signálu 1 na signál 0 alebo naopak sa fáza zmení o 180°.

Vo svojej čistej forme sa amplitúdová modulácia v praxi používa len zriedka kvôli nízkej odolnosti voči šumu. Frekvenčná modulácia nevyžaduje zložité obvody v modemoch a zvyčajne sa používa v nízkorýchlostných modemoch pracujúcich pri 300 alebo 1200 bps. Zvýšenie rýchlosti prenosu dát je zabezpečené použitím kombinovaných modulačných metód, častejšie amplitúdovej modulácie v kombinácii s fázou.

Digitálne kódovanie. Pri digitálnom kódovaní diskrétnych informácií sa používajú dva typy kódov:

a) potenciálne kódy, keď sa na reprezentáciu informačných jednotiek a núl používa iba hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy sa neberú do úvahy;

b) impulzné kódy, keď binárne dáta sú reprezentované buď impulzmi určitej polarity, alebo potenciálnymi poklesmi určitého smeru.

Nasledujúce požiadavky sú kladené na metódy digitálneho kódovania diskrétnych informácií pri použití pravouhlých impulzov na reprezentáciu binárnych signálov:

zabezpečenie synchronizácie medzi vysielačom a prijímačom;

Zabezpečenie najmenšej šírky spektra výsledného signálu pri rovnakej bitovej rýchlosti (keďže užšie spektrum signálov umožňuje dosiahnuť vyššiu dátovú rýchlosť na linke s rovnakou šírkou pásma);

schopnosť rozpoznať chyby v prenášaných údajoch;

Relatívne nízke náklady na realizáciu.

V súčasnosti sa synchronizácia vysielača a prijímača v sieťach dosahuje pomocou samosynchronizujúce kódy(SK). Kódovanie prenášaných dát pomocou SC má zabezpečiť pravidelné a časté zmeny (prechody) úrovní informačného signálu v kanáli. Každý prechod úrovne signálu z vysokej na nízku alebo naopak sa používa na trimovanie prijímača. Najlepšie sú tie SC, ktoré poskytujú prechod úrovne signálu aspoň raz počas časového intervalu potrebného na prijatie jedného informačného bitu. Čím častejšie sú prechody úrovne signálu, tým spoľahlivejšia je synchronizácia prijímača a tým spoľahlivejšia je identifikácia prijatých dátových bitov.

Samosynchronizujúce kódy. Najbežnejšie sú tieto SC:

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

bipolárny pulzný kód (RZ kód);

Manchesterský kód

· bipolárny kód so striedavou inverziou úrovní.

Na obr. 32 ukazuje schémy kódovania pre správu 0101100 s použitím týchto CK.

Ryža. 32. Schémy kódovania správ využívajúce samosynchronizujúce kódy

Na prenos diskrétnych dát cez komunikačné linky s úzkym frekvenčným pásmom, analógová modulácia. Typickým predstaviteľom takýchto liniek je hlasovo-frekvenčná komunikačná linka sprístupnená užívateľom verejných telefónnych sietí. Táto komunikačná linka prenáša analógové signály vo frekvenčnom rozsahu od 300 do 3400 Hz (preto je šírka pásma linky 3100 Hz). Prísne obmedzenie šírky pásma komunikačných liniek je v tomto prípade spojené s použitím zariadení na multiplexovanie a prepínanie okruhov v telefónnych sieťach.

Zariadenie, ktoré plní funkcie modulácie nosnej sínusoidy na vysielacej strane a demodulácie na prijímacej strane, sa nazýva modem (modulátor-demodulátor).

Analógová modulácia je metóda fyzického kódovania, pri ktorej sa informácie kódujú zmenou amplitúdy, frekvencie alebo fázy sínusový signál nosnej frekvencie. O amplitúdovej modulácie pre logickú jednotku sa zvolí jedna úroveň amplitúdy sínusoidy nosnej frekvencie a pre logickú nulu iná. Táto metóda sa v praxi vo svojej čistej forme používa zriedkavo kvôli nízkej odolnosti voči šumu, ale často sa používa v kombinácii s inými typmi modulácie. O frekvenčná modulácia hodnoty 0 a 1 pôvodných údajov sú prenášané sínusoidmi s rôznymi frekvenciami . Táto modulačná metóda nevyžaduje zložitú modemovú elektroniku a zvyčajne sa používa v nízkorýchlostných modemoch pracujúcich pri 300 alebo 1200 bps. O fázová modulácia dátové hodnoty 0 a 1 zodpovedajú signálom rovnakej frekvencie, ale odlišnej fázy, ako napríklad 0 a 180 stupňov alebo 0, 90, 180 a 270 stupňov. Vo vysokorýchlostných modemoch sa často používajú kombinované metódy modulácie, spravidla amplitúda v kombinácii s fázou. Na zvýšenie rýchlosti prenosu dát sa používajú kombinované metódy modulácie. Najbežnejšie metódy sú Kvadratúrna amplitúdová modulácia-QAM). Tieto metódy sú založené na kombinácii fázovej modulácie s 8 hodnotami fázového posunu a amplitúdovej modulácie so 4 úrovňami amplitúdy. Nie sú však použité všetky možné kombinácie signálov. Takáto redundancia kódovania je potrebná na to, aby modem rozpoznal chybné signály, ktoré sú výsledkom skreslenia v dôsledku rušenia, ktoré je na telefónnych kanáloch (najmä prepínaných) veľmi významné z hľadiska amplitúdy a dlhého času.

O digitálne kódovanie používajú sa diskrétne informácie potenciál a impulz kódy. AT potenciál V kódoch sa na reprezentáciu logických jednotiek a núl používa iba hodnota potenciálu signálu a jeho kvapky, ktoré tvoria úplné impulzy, sa neberú do úvahy. Pulz kódy umožňujú reprezentovať binárne dáta buď impulzmi určitej polarity, alebo časťou impulzu - potenciálnym poklesom určitého smeru.

Pri použití pravouhlých impulzov na prenos diskrétnych informácií je potrebné zvoliť spôsob kódovania, ktorý by súčasne dosiahol niekoľko cieľov: mať najmenšiu šírku spektra výsledného signálu pri rovnakej bitovej rýchlosti; zabezpečovaná synchronizácia medzi vysielačom a prijímačom; mal schopnosť rozpoznať chyby; mal nízke náklady na realizáciu.

Užšie spektrum signálu umožňuje dosiahnuť vyššiu rýchlosť prenosu dát na rovnakej linke (s rovnakou šírkou pásma). Synchronizácia vysielača a prijímača je potrebná, aby prijímač presne vedel, v akom časovom okamihu je potrebné načítať nové informácie z komunikačnej linky. Tento problém sa v sieťach rieši ťažšie ako pri komunikácii medzi zariadeniami v tesnej blízkosti, napríklad medzi zariadeniami vo vnútri počítača alebo medzi počítačom a tlačiarňou. Na krátke vzdialenosti dobre funguje schéma založená na samostatnej taktovacej komunikačnej linke a informácie sa z dátovej linky odstraňujú až v momente príchodu hodinového impulzu. V sieťach spôsobuje použitie tejto schémy ťažkosti v dôsledku heterogenity charakteristík vodičov v kábloch. Na veľké vzdialenosti môže zvlnenie rýchlosti signálu spôsobiť, že hodiny prídu tak neskoro alebo príliš skoro pre zodpovedajúci dátový signál, že sa dátový bit preskočí alebo znovu načíta. Ďalším dôvodom, prečo siete odmietajú používať hodinové impulzy, je šetrenie vodičov v drahých kábloch. Preto siete využívajú tzv samosynchronizujúce kódy, ktorých signály nesú pre vysielač indikáciu, v ktorom časovom okamihu je potrebné rozpoznať nasledujúci bit (alebo niekoľko bitov, ak je kód orientovaný na viac ako dva stavy signálu). Akýkoľvek prudký pokles signálu – tzv vpredu- môže slúžiť ako dobrá indikácia pre synchronizáciu prijímača s vysielačom. Pri použití sínusoidov ako nosného signálu má výsledný kód vlastnosť samosynchronizácie, pretože zmena amplitúdy nosnej frekvencie umožňuje prijímaču určiť okamih, kedy sa objaví vstupný kód.

Rozpoznanie a korekcia skreslených údajov je ťažké implementovať pomocou fyzickej vrstvy, preto túto prácu najčastejšie vykonávajú protokoly, ktoré ležia vyššie: kanál, sieť, transport alebo aplikácia. Na druhej strane rozpoznávanie chýb na fyzickej vrstve šetrí čas, pretože prijímač nečaká na úplné umiestnenie rámca do vyrovnávacej pamäte, ale odmietne ho ihneď po rozpoznaní chybných bitov v rámci.

Požiadavky na metódy kódovania sú navzájom protichodné, takže každá z populárnych metód digitálneho kódovania diskutovaná nižšie má v porovnaní s ostatnými svoje výhody a nevýhody.

Jedna z najjednoduchších metód potenciál kódovanie je unipolárny potenciálny kód, nazývané aj kódovanie bez návratu na nulu (Non Return to Zero-NRZ) (obr.7.1.a). Priezvisko odráža skutočnosť, že pri vysielaní sekvencie jednotiek sa signál počas cyklu nevráti na nulu. Metóda NRZ má dobrú detekciu chýb (v dôsledku dvoch výrazne odlišných potenciálov), ale nemá vlastnosť samosynchronizácie. Pri vysielaní dlhej sekvencie jednotiek alebo núl sa riadkový signál nemení, takže prijímač nie je schopný určiť zo vstupného signálu časové body, kedy je potrebné dáta znova prečítať. Aj s vysoko presným generátorom hodín sa prijímač môže pomýliť s momentom zberu dát, keďže frekvencie oboch generátorov nie sú takmer nikdy úplne identické. Preto pri vysokých dátových rýchlostiach a dlhých sekvenciách jednotiek alebo núl môže malý nesúlad hodinových frekvencií viesť k chybe v celom cykle, a teda k čítaniu nesprávnej bitovej hodnoty.

A b c d e f

Ryža. 7.1. Metódy kódovania binárnych údajov: a-unipolárny potenciál -

sociálny kódex; b- bipolárny potenciálny kód; v- unipolárny im-

pulzný kód; G -bipolárny pulzný kód; d-kód "Manchester";

e- potenciálny kód so štyrmi úrovňami signálu.

Ďalšou vážnou nevýhodou metódy NRZ je prítomnosť nízkofrekvenčnej zložky, ktorá sa pri vysielaní dlhých sekvencií jednotiek alebo núl blíži k nule. Z tohto dôvodu mnohé komunikačné linky, ktoré neposkytujú priame galvanické spojenie medzi prijímačom a zdrojom, nepodporujú tento typ kódovania. V dôsledku toho sa v sieťach nepoužíva kód NRZ v čistej forme, ale používajú sa jeho rôzne modifikácie, pri ktorých odpadá zlá autosynchronizácia kódu NRZ aj prítomnosť konštantnej zložky.

Jednou z modifikácií metódy NRZ je metóda kódovanie bipolárneho potenciálu s alternatívnou inverziou (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI). Pri tejto metóde ( ryža. 7.1.b) používajú sa tri potenciálne úrovne – negatívna, nulová a pozitívna. Na kódovanie logickej nuly sa používa nulový potenciál a logická jednotka je kódovaná buď pozitívnym potenciálom alebo záporným potenciálom (v tomto prípade je potenciál každej novej jednotky opačný ako potenciál predchádzajúcej). Kód AMI čiastočne eliminuje DC a nedostatok problémov so samočasovaním, ktoré sú vlastné kódu NRZ. Stáva sa to pri odosielaní dlhých sekvencií jednotiek. V týchto prípadoch je signálom na linke sekvencia bipolárnych impulzov s rovnakým spektrom ako kód NRZ vysielajúcich striedavo nuly a jednotky, teda bez konštantnej zložky a so základnou harmonickou N/2 Hz (kde N je dátová rýchlosť). Dlhé sekvencie núl sú nebezpečné aj pre kód AMI, ako aj pre kód NRZ - signál degeneruje do konštantného potenciálu nulovej amplitúdy. Vo všeobecnosti pre rôzne kombinácie bitov na linke vedie použitie kódu AMI k užšiemu spektru signálu ako pri kóde NRZ, a teda k vyššej priepustnosti linky. Napríklad pri vysielaní striedavých jednotiek a núl má základná harmonická f 0 frekvenciu N/4 Hz. Kód AMI tiež poskytuje niektoré funkcie na rozpoznávanie chybných signálov. Porušenie prísneho striedania polarity signálov teda naznačuje falošný impulz alebo zmiznutie správneho impulzu z vedenia. Vyvolá sa signál s nesprávnou polaritou zakázaný signál (narušenie signálu). Keďže kód AMI nepoužíva dve, ale tri úrovne signálu na linku, dodatočná úroveň vyžaduje zvýšenie výkonu vysielača na zabezpečenie rovnakej bitovej vernosti na linke, čo je všeobecná nevýhoda kódov s viacerými stavmi signálu v porovnaní s kódmi, ktoré iba rozlíšiť dva stavy.

Najjednoduchšie metódy impulzívny kódovania sú unipolárny pulzný kód, v ktorom jedna je reprezentovaná hybnosťou a nula je reprezentovaná jej absenciou ( ryža. 7,1v), a bipolárny pulzný kód, v ktorej jednotku predstavuje impulz jednej polarity a nula - druhá ( ryža. 7,1 g). Každý impulz trvá polovicu cyklu. Bipolárny impulzný kód má dobré vlastnosti automatického taktovania, ale zložka jednosmerného impulzu môže byť prítomná napríklad pri vysielaní dlhej sekvencie jednotiek alebo núl. Okrem toho je jeho spektrum širšie ako spektrum potenciálnych kódov. Takže pri prenose všetkých núl alebo jednotiek sa frekvencia základnej harmonickej kódu bude rovnať N Hz, čo je dvakrát vyššia ako základná harmonická kódu NRZ a štyrikrát vyššia ako základná harmonická kódu AMI. pri vysielaní striedavých jednotiek a núl. Kvôli príliš širokému spektru sa bipolárny pulzný kód používa len zriedka.

V lokálnych sieťach bol donedávna najbežnejšou metódou kódovania tzv. Manchester kód"(ryža. 7.1e). V kóde Manchester sa na zakódovanie jednotiek a núl používa potenciálny pokles, teda predná časť impulzu. V kódovaní Manchester sú každé hodiny rozdelené na dve časti. Informácie sú zakódované potenciálnymi kvapkami, ktoré sa vyskytujú uprostred každého cyklu. Jednotka je zakódovaná prechodom z nízkej do vysokej a nula je zakódovaná spätnou hranou. Na začiatku každého cyklu sa môže vyskytnúť hrana servisného signálu, ak potrebujete reprezentovať niekoľko jednotiek alebo núl v rade. Keďže signál sa mení aspoň raz za prenosový cyklus jedného dátového bitu, Manchester kód má dobré vlastnosti automatického taktovania. Šírka pásma manchesterského kódu je užšia ako u bipolárneho pulzu. Taktiež nemá konštantnú zložku a základná harmonická v najhoršom prípade (pri prenose postupnosti jednotiek alebo núl) má frekvenciu N Hz a v najlepšom prípade (pri prenose striedavých jednotiek a núl) sa rovná na N / 2 Hz, ako v kódoch AMI alebo NRZ. V priemere je šírka pásma manchesterského kódu jeden a pol krát užšia ako u bipolárneho pulzného kódu a základná harmonická osciluje okolo 3N/4. Ďalšou výhodou manchesterského kódu je, že má len dve úrovne signálu, zatiaľ čo bipolárny pulzný kód má tri.

Existujú aj potenciálne kódy s veľkým počtom úrovní signálu na kódovanie údajov. Zobrazené ako príklad ( obr. 7.1e) potenciálny kód 2B1Q so štyrmi úrovňami signálu pre kódovanie dát. V tomto kóde sú každé dva bity prenášané v jednom cykle signálom, ktorý má štyri stavy. Dvojica bitov "00" zodpovedá potenciálu -2,5 V, dvojica bitov "01" - potenciál -0,833 V, dvojica bitov "11" - potenciál +0,833 V a dvojica bitov bity "10" - potenciál +2,5 V. Tento spôsob kódovania vyžaduje dodatočné opatrenia na zvládnutie dlhých sekvencií identických párov bitov, odvtedy sa signál mení na konštantnú zložku. Pri náhodnom bitovom vkladaní je spektrum signálu dvakrát užšie ako v prípade kódu NRZ (pri rovnakej bitovej rýchlosti sa čas cyklu zdvojnásobí). S použitím prezentovaného kódu 2B1Q je teda možné prenášať dáta po tej istej linke dvakrát rýchlejšie ako pri použití kódu AMI. Na jeho realizáciu však musí byť výkon vysielača vyšší, aby boli štyri úrovne prijímačom jasne rozlíšené na pozadí rušenia.

Ak chcete zlepšiť potenciálne kódy ako AMI a 2B1Q, logické kódovanie. Logické kódovanie je navrhnuté tak, aby nahradilo dlhé sekvencie bitov, čo vedie k konštantnému potenciálu, ktorý sa prelína s jednotkami. Pre logické kódovanie sú charakteristické dve metódy - redundantné kódy a scrambling.

Nadbytočné kódy sú založené na rozdelení pôvodnej sekvencie bitov na časti, ktoré sa často nazývajú znaky. Potom sa každý pôvodný znak nahradí novým, ktorý má viac bitov ako pôvodný. Napríklad logický kód 4B/5B nahrádza pôvodné 4-bitové znaky 5-bitovými znakmi. Keďže výsledné symboly obsahujú nadbytočné bity, celkový počet bitových kombinácií v nich je väčší ako v pôvodných. Takže v kóde 4B / 5B môžu výsledné symboly obsahovať 32 bitové kombinácie, zatiaľ čo pôvodné symboly - iba 16. Preto vo výslednom kóde môžete vybrať 16 takých kombinácií, ktoré neobsahujú veľké množstvo núl a počítať zvyšok zakázané kódy (porušenie kódexu). Okrem odstránenia DC a samosynchronizácie kódu umožňujú redundantné kódy prijímaču rozpoznať poškodené bity. Ak prijímač dostane zakázaný kód, znamená to, že signál bol na linke skreslený. Kód 4B/5B sa prenáša po linke pomocou fyzického kódovania pomocou jednej z možných metód kódovania, ktorá je citlivá len na dlhé sekvencie núl. Kódové symboly 4V/5V s dĺžkou 5 bitov zaisťujú, že žiadna ich kombinácia na linke nemôže spĺňať viac ako tri nuly za sebou. Písmeno B v kódovom názve znamená, že elementárny signál má 2 stavy (z anglického binárny – binárny). Existujú aj kódy s tromi stavmi signálu, napríklad v kóde 8B / 6T sa na zakódovanie 8 bitov počiatočnej informácie používa kód 6 signálov, z ktorých každý má tri stavy. Redundancia kódu 8B/6T je vyššia ako redundancia kódu 4B/5B, pretože existuje 729 (3 na mocninu 6) výsledných symbolov pre 256 zdrojových kódov. Použitie vyhľadávacej tabuľky je veľmi jednoduchá operácia, takže tento prístup nekomplikuje sieťové adaptéry a bloky rozhraní prepínačov a smerovačov (pozri. oddiely 9,11).

Na zabezpečenie danej kapacity linky musí vysielač využívajúci redundantný kód pracovať so zvýšenou hodinovou frekvenciou. Takže na prenos 4V / 5V kódov rýchlosťou 100 Mbps musí vysielač pracovať s hodinovou frekvenciou 125 MHz. V tomto prípade je spektrum signálu na linke rozšírené v porovnaní s prípadom, keď je po linke prenášaný čistý, neredundantný kód. Napriek tomu sa spektrum redundantného potenciálneho kódu ukazuje byť užšie ako spektrum manchesterského kódu, čo odôvodňuje dodatočnú fázu logického kódovania, ako aj prevádzku prijímača a vysielača pri zvýšenej frekvencii hodín.

Iný spôsob logického kódovania je založený na predbežnom „zmiešaní“ počiatočnej informácie tak, aby sa pravdepodobnosti výskytu jednotiek a núl na riadku priblížili. Zariadenia alebo bloky, ktoré vykonávajú túto operáciu, sa nazývajú scramblery(ťahanie - skládka, neusporiadaná montáž). O miešanie používa sa dobre známy algoritmus, takže prijímač po prijatí binárnych údajov ich odošle descrambler, ktorý obnoví pôvodnú bitovú sekvenciu. Nadbytočné bity sa cez linku neprenášajú. Vylepšená potenciálna redundancia a zakódované kódy sa používajú v moderných vysokorýchlostných sieťových technológiách namiesto „Manchesterského“ a bipolárneho pulzného kódovania.

7.6. Technológie multiplexovania komunikačných liniek

Pre multiplexovanie("zhutňovanie") komunikačných liniek sa používa viacero technológií. Technológia frekvenciamultiplexovanie(Multiplexovanie s frekvenčným delením - FDM) bol pôvodne vyvinutý pre telefónne siete, ale používa sa aj pre iné typy sietí, ako sú siete káblovej televízie. Táto technológia predpokladá prenos signálov každého účastníckeho kanála do jeho vlastného frekvenčného rozsahu a súčasný prenos signálov z viacerých účastníckych kanálov v jednej širokopásmovej komunikačnej linke. Napríklad vstupy FDM prepínača prijímajú počiatočné signály od účastníkov telefónnej siete. Prepínač vykonáva frekvenčný preklad každého kanálu v jeho vlastnom frekvenčnom pásme. Typicky je vysokofrekvenčný rozsah rozdelený do pásiem, ktoré sú pridelené na prenos dát z účastníckych kanálov. V komunikačnej linke medzi dvoma FDM prepínačmi sa súčasne prenášajú signály všetkých účastníckych kanálov, ale každý z nich zaberá svoje vlastné frekvenčné pásmo. Výstupný FDM prepínač oddeľuje modulované signály každej nosnej frekvencie a prenáša ich na zodpovedajúci výstupný kanál, ku ktorému je priamo pripojený účastnícky telefón. FDM spínače môžu vykonávať dynamické aj trvalé prepínanie. Pri dynamickom prepínaní jeden účastník iniciuje spojenie s iným účastníkom odoslaním volaného účastníckeho čísla do siete. Prepínač dynamicky prideľuje jedno z voľných pásiem tomuto účastníkovi. Pri neustálom prepínaní je pásmo pridelené účastníkovi na dlhú dobu. Princíp prepínania na základe frekvenčného delenia zostáva v sieťach iného typu nezmenený, menia sa len hranice pásiem pridelených samostatnému účastníckemu kanálu, ako aj ich počet.

Technológia multiplexovaniazdieľanie času(Multiplexovanie s časovým delením - TDM) alebo dočasné multiplexovanie je založený na použití TDM zariadení (multiplexorov, prepínačov, demultiplexorov) pracujúcich v režime zdieľania času, obsluhujúcich všetky účastnícke kanály postupne počas cyklu. Každému pripojeniu je pridelený jeden časový úsek operačného cyklu hardvéru, nazývaný tiež časový úsek. Trvanie časového úseku závisí od počtu účastníckych kanálov obsluhovaných zariadením. Siete TDM môžu podporovať jedno aj druhé dynamický, alebo trvalé prepínanie a niekedy oba tieto režimy.

Siete s dynamické prepínanie vyžadujú predbežný postup na vytvorenie spojenia medzi účastníkmi. Na tento účel sa adresa volaného účastníka prenáša do siete, ktorá prechádza cez prepínače a konfiguruje ich na následný prenos údajov. Požiadavka na spojenie je smerovaná z jedného prepínača do druhého a nakoniec sa dostane k volanému účastníkovi. Sieť môže odmietnuť nadviazať spojenie, ak je kapacita požadovaného výstupného kanála už vyčerpaná. Pre prepínač FDM sa výstupná kapacita rovná počtu frekvenčných pásiem a pre prepínač TDM sa rovná počtu časových úsekov, na ktoré je rozdelený prevádzkový cyklus kanála. Sieť sa tiež odmietne pripojiť, ak požadovaný účastník už nadviazal spojenie s niekým iným. V prvom prípade hovoria, že prepínač je zaneprázdnený a v druhom - účastník. Možnosť zlyhania spojenia je nevýhodou spôsobu prepínania okruhu. Ak je možné nadviazať spojenie, potom je mu pridelená pevná šírka pásma v sieťach FDM alebo pevná šírka pásma v sieťach TDM. Tieto hodnoty zostávajú nezmenené počas celého obdobia pripojenia. Zaručená priepustnosť siete po nadviazaní spojenia je dôležitou vlastnosťou vyžadovanou pre aplikácie, ako je prenos hlasu a videa alebo riadenie objektov v reálnom čase.

Ak existuje len jeden fyzický komunikačný kanál, napríklad pri výmene dát pomocou modemov cez telefónnu sieť, duplexná prevádzka je organizovaná na základe rozdelenia kanála na dva logické podkanály pomocou technológií FDM alebo TDM. Pri použití technológie FDM modemy na organizovanie duplexnej prevádzky na dvojvodičovej linke pracujú na štyroch frekvenciách (dve frekvencie - na kódovanie jednotiek a núl pri prenose dát v jednom smere a ďalšie dve frekvencie - na kódovanie pri prenose v opačnom smere ). V technológii TDM sa niektoré časové úseky používajú na prenos údajov v jednom smere a niektoré sa používajú na prenos údajov v opačnom smere. Zvyčajne sa striedajú časové úseky opačných smerov.

V optických kábloch na organizáciu duplexnej prevádzky pri použití iba jedného optického vlákna sa prenos údajov v jednom smere uskutočňuje pomocou svetelného lúča jednej vlnovej dĺžky a v opačnom smere - inej vlnovej dĺžky. Táto technológia v podstate súvisí s metódou FDM, ale pre káble z optických vlákien je to tzv technológie multiplexovania vlnových dĺžok(Multiplexovanie s vlnovým delením - WDM) alebo mávať multiplexovanie.

Technológiahustá vlna(spektrálne) multiplexovanie(Dense Wave Division Multiplexing - DWDM) je navrhnutý tak, aby vytvoril novú generáciu optických chrbticových sietí pracujúcich pri multigigabitových a terabitových rýchlostiach. Takýto kvalitatívny skok vo výkone je zabezpečený tým, že informácie v optickom vlákne sú prenášané súčasne veľkým počtom svetelných vĺn. Siete DWDM fungujú na princípe prepínania okruhov, pričom každá svetelná vlna predstavuje samostatný spektrálny kanál a nesie svoju vlastnú informáciu. Jednou z hlavných výhod technológie DWDM je výrazné zvýšenie koeficientu využitia frekvenčného potenciálu optického vlákna, ktorého teoretická šírka pásma je 25 000 GHz.

Zhrnutie

V moderných telekomunikačných systémoch sa informácie prenášajú prostredníctvom elektromagnetických vĺn – elektrických, svetelných alebo rádiových signálov.

Komunikačné linky, v závislosti od typu fyzického média na prenos informácií, môžu byť káblové (drôtové) alebo bezdrôtové. Ako komunikačné vedenia sa používajú telefónne káble na báze paralelných neskrúcaných vodičov, koaxiálne káble, káble na báze krútených párov vodičov (netienené a tienené), káble z optických vlákien. Najefektívnejšie dnes a perspektívne v blízkej budúcnosti sú káble založené na krútených pároch vodičov a optických kábloch. Bezdrôtové komunikačné linky sú najčastejšie realizované prenosom rádiových signálov v rôznych rádiových vlnových pásmach. Infračervená bezdrôtová komunikačná technológia využíva časť elektromagnetického spektra medzi viditeľným svetlom a najkratšími mikrovlnami. Najrýchlejšia a najodolnejšia voči šumu je laserová technológia bezdrôtovej komunikácie.

Hlavnými charakteristikami komunikačných liniek sú frekvenčná odozva, šírka pásma a útlm pri určitej frekvencii.

Priepustnosť komunikačnej linky charakterizuje maximálnu možnú rýchlosť prenosu dát cez ňu. Odolnosť komunikačnej linky voči šumu určuje jej schopnosť znižovať úroveň rušenia vytváraného vo vonkajšom prostredí na vnútorných vodičoch. Spoľahlivosť prenosu dát charakterizuje pravdepodobnosť skreslenia pre každý prenášaný bit dát.

Reprezentácia diskrétnych informácií v tej či onej forme signálov aplikovaných na komunikačnú linku sa nazýva fyzické kódovanie. Logické kódovanie zahŕňa nahradenie bitov pôvodnej informácie novou bitovou sekvenciou, ktorá nesie rovnakú informáciu, ale má ďalšie vlastnosti.

Na prenos diskrétnych dát cez komunikačné linky s úzkym frekvenčným pásmom sa používa analógová modulácia, pri ktorej sa informácie kódujú zmenou amplitúdy, frekvencie alebo fázy signálu nosnej frekvencie sínusového tvaru. Pri digitálnom kódovaní diskrétnych informácií sa používajú potenciálne a impulzné kódy. Na multiplexovanie komunikačných liniek sa používajú technológie frekvenčného, časového a vlnového multiplexovania.

Kontrolné otázky a úlohy

1. Uveďte klasifikáciu komunikačných liniek.

2. Popíšte najbežnejšie káblové komunikačné linky.

3. Uveďte hlavné bezdrôtové komunikačné linky a uveďte ich porovnávacie charakteristiky.

4. V dôsledku akých fyzikálnych faktorov komunikačné kanály skresľujú prenášané signály?

5. Aká je amplitúdová frekvenčná charakteristika komunikačného kanála?

6. V akých jednotkách sa meria šírka pásma komunikačného kanála?

7. Opíšte pojem "odolnosť voči rušeniu komunikačnej linky."

8. Čo určuje charakteristickú „spoľahlivosť prenosu dát“ a v akých jednotkách sa meria?

9. Čo je to "analógová modulácia" a aké typy sa používajú na prenos diskrétnych dát?

10. Aké zariadenie plní funkcie modulácie nosnej sínusoidy na vysielacej strane a jej demodulácie na prijímacej strane?

11. Uveďte rozdiel medzi potenciálnym a impulzným kódovaním digitálnych signálov.

12. Čo sú to samosynchronizujúce kódy?

13. Aký je účel logického kódovania digitálnych signálov a aké metódy sa používajú?

14. Popíšte technológiu frekvenčného multiplexovania komunikačných liniek.

15. Aké sú vlastnosti technológie multiplexovania s časovým delením?

16. Aká technológia multiplexovania sa používa v kábloch z optických vlákien na organizáciu duplexnej prevádzky pri použití iba jedného optického vlákna?

17. Aký je účel technológie multiplexovania s hustou vlnou?