Головна

Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні

  1.  A) Перший ряд бази даних містить неповторювані імена полів.
  2.  HTTP - Протокол передачі гіпертекстів
  3.  I. Комп'ютерна симуляція експериментальних даних
  4.  I. Методи перехоплення.
  5.  I. Статистична обробка даних вимірювання росту
  6.  I. Статистична обробка даних вимірювання росту.
  7.  I. Файлові структури, використовувані для зберігання даних в БД

При передачі дискретних даних по каналах зв'язку застосовуються два основні типи фізичного кодування - на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналогової модуляцією, підкреслюючи той факт, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб зазвичай називають цифровим кодуванням. Ці способи відрізняються шириною спектру результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної для їх реалізації.

При використанні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить досить широким. Це не дивно, якщо згадати, що спектр ідеального імпульсу має нескінченну ширину. Застосування синусоїди приводить до спектру набагато меншою ширини при тій же швидкості передачі інформації. Однак для реалізації синусоїдальної модуляції потрібно більш складна і дорога апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, спочатку мають аналогову форму - мова, телевізійне зображення, - передаються по каналах зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес подання аналогової інформації в дискретної формі називається дискретної модуляцією. Терміни «модуляція» і «кодування» часто використовують як синоніми.

2.2.1. аналогова модуляція

Аналогова модуляція застосовується для передачі дискретних даних по каналах з вузькою смугою частот, типовим представником яких є канал тональної частоти, надається в розпорядження користувачам громадських телефонних мереж. Типова амплітудно-частотна характеристика каналу тональної частоти представлена ??на рис. 2.12. Цей канал передає частоти в діапазоні від 300 до 3400 Гц, таким чином, його смуга пропускання дорівнює 3100 Гц. Хоча людський голос має набагато ширший спектр - приблизно від 100 Гц до 10 кГц, -для прийнятної якості передачі мови діапазон 3100 Гц є хорошим рішенням. Суворе обмеження смуги пропускання тонального каналу пов'язане з використанням апаратури ущільнення і комутації каналів в телефонних мережах.

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 133

Пристрій, який виконує функції модуляції несучої синусоїди на передавальній стороні і демодуляції на прийомній стороні, носить назву модем (Модулятор-демодулятор).

Методи аналогової модуляції

Аналогова модуляція є таким способом фізичного кодування, при якому інформація кодується зміною амплітуди, частоти або фази синусоїдального сигналу несучої частоти. Основні способи аналогової модуляції показані на рис. 2.13. На діаграмі (рис. 2.13, а) показана послідовність біт вихідної інформації, представлена ??потенціалами високого рівня для логічної одиниці і потенціалом нульового рівня для логічного нуля. Такий спосіб кодування називається потенційним кодом, який часто використовується при передачі даних між блоками комп'ютера.

при амплітудної модуляції (Рис. 2.13,6) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля - інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низку перешкодостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції - фазовою модуляцією.

при частотної модуляції (Рис. 2.13, в) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою - fo і fi. Цей спосіб модуляції не вимагає складних схем в модемах і звичайно застосовується в низькошвидкісних модемах, які працюють на швидкостях 300 або 1200 біт / с.

при фазової модуляції (Рис. 2.13, г) значенням даних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів або 0,90,180 і 270 градусів.

У швидкісних модемах часто використовуються комбіновані методи модуляції, як правило, амплітудна в поєднанні з фазової.

Глава 2. Основи передачі дискретних даних

Спектр модульованого сигналу

Спектр результуючого модульованого сигналу залежить від типу модуляції і швидкості модуляції, тобто бажаної швидкості передачі біт вихідної інформації.

Розглянемо спочатку спектр сигналу при потенційному кодуванні. Нехай логічна одиниця кодується позитивним потенціалом, а логічний нуль - негативним потенціалом такої ж величини. Для спрощення обчислень припустимо, що передається інформація, що складається з нескінченної послідовності чергуються одиниць і нулів, як це і показано на рис. 2.13, а. Зауважимо, що в даному випадку величини бод і біт в секунду збігаються.

Для потенційного кодування спектр безпосередньо виходить з формул Фур'є для періодичної функції. Якщо дискретні дані передаються з бітовою швидкістю N біт / с, то спектр складається з постійної складової нульової частоти і нескінченного ряду гармонік з частотами fo, 3fo, 5fo, 7fo, ..., де fo = N / 2. Амплітуди цих гармонік зменшуються досить повільно - з коефіцієнтами 1/3, 1 / 5,1 / 7, ... від амплітуди гармоніки fo (рис. 2.14, а). В результаті спектр потенційного коду вимагає для якісної передачі широку смугу пропускання. Крім того, потрібно врахувати, що реально спектр сигналу постійно змінюється в залежності від того, які дані передаються по лінії зв'язку. Наприклад, передача довгою послідовності нулів або одиниць зрушує спектр в сторону низьких частот, а в крайньому випадку, коли дані, що передаються складаються тільки з одиниць (або тільки з нулів), спектр складається з гармоніки нульової частоти. При передачі одиниць, що чергуються, і нулів постійна складова відсутня. Тому спектр результуючого сигналу потенційного коду при передачі довільних даних займає смугу від деякої величини, близької до 0 Гц, до приблизно 7fo (гармоніками з частотами вище 7fo можна знехтувати через їх малого вкладу в результуючий сигнал). Для каналу тональної частоти верхня межа при потенційному кодуванні досягається для швидкості передачі даних в 971 біт / с, а нижня неприйнятна для будь-яких швидкостей, так як смуга пропускання каналу починається з 300 Гц. В результаті потенційні коди на каналах тональної частоти ніколи не використовуються.

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 135

При амплітудної модуляції спектр складається з синусоїди несучої частоти fc і двох бічних гармонік: (fc + fm) І (fc - fm), Де fm - Частота зміни інформаційного параметра синусоїди, яка збігається зі швидкістю передачі даних при використанні двох рівнів амплітуди (рис. 2.14,6). частота fm визначає пропускну здатність лінії при даному способі кодування. При невеликій частоті модуляції ширина спектру сигналу буде також невеликий (рівній 2fm), Тому сигнали будуть спотворюватися лінією, якщо її смуга пропускання буде більше або дорівнює 2fm. Для каналу тональної частоти такої спосіб модуляції прийнятний при швидкості передачі даних не більше 3100/2 = 1550 біт / с. Якщо ж для представлення даних використовуються 4 рівня амплітуди, то пропускна здатність каналу підвищується до 3100 біт / с.

При фазової і частотної модуляції спектр сигналу виходить більш складним, ніж при амплітудної модуляції, так як бічних гармонік тут утворюється більше двох, але вони також симетрично розташовані щодо основної несучої частоти, а їх амплітуди швидко зменшуються. Тому ці види модуляції також добре підходять для передачі даних по каналу тональної частоти.

Для підвищення швидкості передачі даних використовують комбіновані методи модуляції. Найбільш поширеними є методи квадратурной амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Ці методи засновані на поєднанні фазової модуляції з 8 значеннями величин зсуву фази і амплітудної модуляції з 4 рівнями амплітуди. Однак з можливих 32 комбінацій сигналу використовуються далеко не всі. Наприклад, в кодах Трелліса допустимі всього 6, 7 або 8 комбінацій для представлення вихідних даних, а решта комбінації є забороненими. Така надмірність кодування потрібна для розпізнавання модемом помилкових сигналів, які є наслідком спотворень через перешкоди, які на телефонних каналах, особливо комутованих, досить значні за амплітудою і тривалі за часом.

2.2.2. цифрове кодування

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні й імпульсні коди.

У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується тільки значення потенціалу сигналу, а його перепади, що формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють представити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу - перепадом потенціалу певного напряму.

Вимоги до методів цифрового кодування

При використанні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав би декількох цілей:

- мав при одній і тій же бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу;

- забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем;

- мав здатність розпізнавати помилки;

- володів низькою вартістю реалізації.

136 Глава 2 · Основи передачі дискретних даних

Більш вузький спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії (з однією і тією ж пропускною здатністю) домагатися більш високої швидкості передачі даних. Крім того, часто до спектру сигналу ставиться вимога відсутності постійної складової, тобто наявності постійного струму між передавачем і приймачем. Зокрема, застосування різних трансформаторних схем гальванічної розв'язки перешкоджає проходженню постійного струму.

Синхронізація передавача і приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, в який момент часу необхідно зчитувати нову інформацію з лінії зв'язку. Ця проблема в мережах вирішується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад між блоками всередині комп'ютера або ж між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій тактується лінії зв'язку (рис. 2.15), так що інформація знімається з лінії даних тільки в момент приходу тактового імпульсу. У мережах використання цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність характеристик провідників у кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості поширення сигналу може привести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або лічений повторно. Іншою причиною, по якій в мережах відмовляються від використання тактуючих імпульсів, є економія провідників у дорогих кабелях.

Тому в мережах застосовуються так звані самосинхронізуються коди, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт, якщо код орієнтований більше ніж на два стану сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу - так званий фронт - може служити хорошим зазначенням для синхронізації приймача з передавачем.

При використанні синусоїд в якості несучого сигналу результуючий код має властивість самосинхронизации, так як зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачу визначити момент появи вхідного коду.

Розпізнавання і корекцію перекручених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть на себе протоколи, що лежать вище: канальний, мережевий, транспортний або прикладний. З іншого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівні економить час, так як приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт усередині кадру.

Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожен з розглянутих нижче популярних методів цифрового кодування має свої переваги і свої недоліки в порівнянні з іншими.

___2.2. Методи передачі дискретних даних але фізично___137

Потенційний код без повернення до нуля

На рис. 2.16, а показаний вже згаданий раніше метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає ту обставину, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). Метод NRZ простий в реалізації, має гарну распознаваема помилок (через двох різко відрізняються потенціалів), але не має властивість самосинхронизации. При передачі довгою послідовності одиниць або нулів сигнал на лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно в черговий раз зчитувати дані. Навіть при наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, так як частоти двох генераторів ніколи не бувають повністю ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними і довгих послідовностях одиниць або нулів невелика неузгодженість тактових частот може призвести до помилки в цілий такт і, відповідно, зчитуванню некоректного значення біта.

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато каналів зв'язку, які не які забезпечують

138 Глава 2 · Основи передачі дискретних даних

щие прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ в мережах не використовується. Проте використовуються його різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової. Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, складається в досить низькій частоті основної гармоніки fo, яка дорівнює N / 2 Гц, як це було показано в попередньому розділі. У інших методів кодування, наприклад манчестерського, основна гармоніка має більш високу частоту.

Метод біполярного кодування з альтернативною інверсією

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі (рис. 2.16,6) використовуються три рівні потенціалу - негативний, нульовий і позитивний. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньої.

Код AMI частково ліквідує проблеми постійної складової і відсутності самосинхронизации, властиві коду NRZ. Це відбувається при передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії являє собою послідовність різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, передає чергуються нулі і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N / 2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних) . Довгі ж послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульовий амплітуди. Тому код AMI вимагає подальшого поліпшення, хоча задача спрощується - залишилося впоратися тільки з послідовностями нулів.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використання коду AMI приводить до більш вузького спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до більш високої пропускної здатності лінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка fo має частоту N / 4 Гц. Код AMI надає також деякі можливості по розпізнаванню помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилковий імпульсі або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівня сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Потенційний код з інверсією при одиниці

Існує код, схожий на AMI, але тільки з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений в попередньому такті (тобто не змінює його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 139

(Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Цей код зручний в тих випадках, коли використання третього рівня сигналу дуже небажано, наприклад в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу - світло і темрява. Для поліпшення потенційних кодів, подібних AMI і NRZI, використовуються два методи. Перший метод заснований на додаванні в вихідний код надлишкових біт, що містять логічні одиниці. Очевидно, що в цьому випадку довгі послідовності нулів перериваються і код стає самосинхронізується для будь-яких даних, що передаються. Зникає також постійна складова, а значить, ще більше звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну здатність лінії, так як надлишкові одиниці користувальницької інформації не несуть. Інший метод заснований на попередньому «перемішуванні» вихідної інформації таким чином, щоб ймовірність появи одиниць і нулів на лінії ставала близькою. Пристрої, або блоки, які виконують таку операцію, називаються скремблера (Scramble - звалище, безладна зборка). При Скрембі-вання використовується відомий алгоритм, тому приймач, отримавши виконавчі дані, передає їх на дескремблер, який відновлює вихідну послідовність біт. Надлишкові біти при цьому по лінії не передаються. Обидва методи відносяться до логічного, а не фізичному кодування, так як форму сигналів на лінії вони не визначають. Більш детально вони вивчаються в наступному розділі.

Біполярний імпульсний код

Крім потенційних кодів в мережах використовуються й імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або ж його частиною - фронтом. Найбільш простим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код, в якому одиниця представлена ??імпульсом однієї полярності, а нуль - інший (рис. 2.16, в). Кожен імпульс триває половину такту. Такий код має відмінні самосінхронізірующіхся властивостями, але постійна складова може бути присутнім, наприклад, під час передачі довгою послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширше, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду буде дорівнює N Гц, що в два рази вище основної гармоніки коду NRZ і в чотири рази вище основної гармоніки коду AMI при передачі одиниць, що чергуються, і нулів. Через занадто широкого спектру біполярний імпульсний код використовується рідко.

Манчестерський код

У локальних мережах до недавнього часу найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код (Рис. 2.16, г). Він застосовується в технологіях Ethernet і Token Ring.

У манчестерському коді для кодування одиниць і нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються в середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль - зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити кілька одиниць або нулів підряд. Так як сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код володіє хорошими

140 Глава 2 · Основи передачі дискретних даних___

самосінхронізірующіхся властивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вужче, ніж у біполярного імпульсного. У нього також немає постійної складової, а основна гармоніка в гіршому випадку (при передачі послідовності одиниць або нулів) має частоту N Гц, а в кращому (при передачі одиниць, що чергуються, і нулів) вона дорівнює N / 2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. В середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вже, ніж у біполярного імпульсного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N / 4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед біполярним імпульсним кодом. В останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському - два.

Потенційний код 2B1Q

На рис. 2.16, д показаний потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. це код 2В1Q назва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q). Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5 В, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833 В, парі І - потенціал +0,833 В, а парі 10 - потенціал +2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, так як при цьому сигнал перетворюється в постійну складову. При випадковому чергуванні біт спектр сигналу в два рази вже, ніж у коду NRZ, так як при тій же бітової швидкості тривалість такту збільшується в два рази. Таким чином, за допомогою коду 2В1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Однак для його реалізації потужність передавача повинна бути вище, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на тлі перешкод.

2.2.3. логічне кодування

Логічне кодування використовується для поліпшення потенційних кодів типу AMI, NRZI або 2Q1B. Логічне кодування повинно заміняти довгі послідовності біт, що призводять до постійного потенціалу, вкрапленнями одиниць. Як вже зазначалося вище, для логічного кодування характерні два методи - надлишкові коди і скремблювання.

надлишкові коди

надлишкові коди засновані на розбивці вихідної послідовності біт на порції, які часто називають символами. Потім кожен вихідний символ замінюється на новий, який має більшу кількість біт, ніж вихідний. Наприклад, логічний код 4В / 5В, використовуваний в технологіях FDDI і Fast Ethernet, заміняє вихідні символи довжиною в 4 біти на символи довжиною в 5 біт. Так як результуючі символи містять надлишкові біти, то загальна кількість бітових комбінацій в них більше, ніж у вихідних. Так, в коді 4В / 5В результуючі символи можуть містити 32 бітових комбінації, в той час як вихідні символи - лише 16. Тому в результуючому коді можна відібрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів, а інші вважати забороненими кодами (code violation). Крім усунення постійної складової і додання коду властивості самосинхронизации, надлишкові коди дозволяють

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 141

приймачу розпізнавати спотворені біти. Якщо приймач приймає заборонений код, значить, на лінії відбулося спотворення сигналу.

Відповідність вихідних і результуючих кодів 4В / 5В представлено нижче.

Код 4В / 5В потім передається по лінії за допомогою фізичного кодування по одному з методів потенційного кодування, чутливому тільки до довгих послідовностей нулів. Символи коду 4В / 5В довжиною 5 біт гарантують, що при будь-якому їх поєднанні на лінії не можуть зустрітися більш трьох нулів підряд.

Буква У в назві коду означає, що елементарний сигнал має 2 стани - від англійського binary - двійковий. Є також коди і з трьома станами сигналу, наприклад, в коді 8В / 6Т для кодування 8 біт вихідної інформації використовується код з б сигналів, кожен з яких має три стану. Надмірність коду 8В / 6Т вище, ніж коду 4В / 5В, так як на 256 вихідних кодів доводиться 36= 729 результуючих символів.

Використання таблиці перекодування є дуже простою операцією, тому цей підхід не ускладнює мережні адаптери і інтерфейсні блоки комутаторів і маршрутизаторів.

Для забезпечення заданої пропускної здатності лінії передавач, який використовує надлишковий код, повинен працювати з підвищеною тактовою частотою. Так, для передачі кодів 4В / 5В зі швидкістю 100 Мб / с передавач повинен працювати з тактовою частотою 125 МГц. При цьому спектр сигналу на лінії розширюється в порівнянні з випадком, коли по лінії передається чистий, не надлишковий код. Проте спектр надлишкового потенційного коду виявляється вже спектра манчестерського коду, що виправдовує додатковий етап логічного кодування, а також роботу приймача і передавача на підвищеній тактовій частоті.

скремблювання

Перемішування даних скремблером перед передачею їх в лінію за допомогою потенційного коду є іншим способом логічного кодування.

Методи скремблювання полягають в побітному обчисленні результуючого коду на підставі біт вихідного коду і отриманих в попередніх тактах біт результуючого коду. Наприклад, скремблер може реалізовувати наступне співвідношення:

Bi - Ai 8 Bi-з ф Bi.5,

де bi - двійкова цифра результуючого коду, отримана на i-м такті роботи скремблера, ai - двійкова цифра вихідного коду, що надходить на i-м такті на

142 Глава 2 · Основи передачі дискретних даних

вхід скремблера, В ^ з і Bt.5 - Виконавчі цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і на 5 тактів раніше поточного такту, 0 - операція виключає АБО (додавання по модулю 2).

Наприклад, для вихідної послідовності 110110000001 скремблер дасть наступний результуючий код:

bi = ai - 1 (перші три цифри результуючого коду будуть збігатися з вихідним, так як ще немає потрібних попередніх цифр)

Таким чином, на виході скремблера з'явиться послідовність 110001101111, в якій немає послідовності з шести нулів, яка була присутня в вихідному коді.

Після отримання результуючої послідовності приймач передає її дескремблеру, який відновлює вихідну послідовність на підставі зворотного співвідношення:

Різні алгоритми скремблювання відрізняються кількістю доданків, що дають цифру результуючого коду, і зрушенням між складовими. Так, в мережах ISDN при передачі даних від мережі до абонента використовується перетворення зі зрушеннями в 5 і 23 позиції, а при передачі даних від абонента в мережу - зі зрушеннями 18 і 23 позиції.

Існують і більш прості методи боротьби з послідовностями одиниць, також відносяться до класу скремблювання.

Для поліпшення коду Bipolar AMI використовуються два методи, засновані на штучному перекручуванні послідовності нулів забороненими символами.

На рис. 2.17 показано використання методу B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) і методу HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для коригування коду AMI. Вихідний код складається з двох довгих послідовностей нулів: у першому випадку - з 8, а в другому - з 5.

Код B8ZS виправляє тільки послідовності, що складаються з 8 нулів. Для цього він після перших трьох нулів замість решти п'яти нулів вставляє п'ять цифр: V-1 * -0-V-1 *. V тут позначає сигнал одиниці, забороненої для даного такту полярності, тобто сигнал, що не змінює полярність попередньої одиниці, 1 * - сигнал одиниці коректної полярності, а знак зірочки відзначає той

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 143

факт, що у вихідному коді в цьому такті була одиниця, а нуль. В результаті на 8 тактах приймач спостерігає 2 перекручування - дуже малоймовірно, що це сталося через шум на лінії або інших збоїв передачі. Тому приймач вважає такі порушення кодуванням 8 послідовних нулів і після прийому заміняє їх на вихідні 8 нулів. Код B8ZS побудований так, що його постійна складова дорівнює нулю при будь-яких послідовностях двійкових цифр.

Код HDB3 виправляє будь-які чотири поспіль нуля в вихідної послідовності. Правила формування коду HDB3 складніші, ніж коду B8ZS. Кожні чотири нулі замінюються чотирма сигналами, в яких є один сигнал V. Для придушення постійної складової полярність сигналу V чергується при послідовних замінах. Крім того, для заміни використовуються два зразка чотирьохтактових кодів. Якщо перед заміною вихідний код містив непарне число одиниць, то використовується послідовність OOOV, а якщо число одиниць було парним - послідовність 1 * OOV.

Покращені потенційні коди мають досить вузькою смугою пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в переданих даних. На рис. 2.18 приведені спектри сигналів різних кодів, отримані при передачі довільних даних, в яких різні поєднання нулів та одиниць у вихідному коді різновірогідні. При побудові графіків спектр усереднювався по всіх можливих наборах вихідних послідовностей. Природно, що результуючі коди можуть мати і інший розподіл нулів і одиниць. З рис. 2.18 видно, що потенційний код NRZ має гарний спектром з одним недоліком - у нього є постійна складова. Коди, отримані з потенційного шляхом логічного кодування, мають більш вузький спектр, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті (на малюнку спектр коду 4В / 5В мав би приблизно збігатися з кодом B8ZS, але він зрушений

144 Глово2 · Основи передачі дискретних даних

в область більш високих частот, так як його тактова частота підвищена на 1/4 в порівнянні з іншими кодами). Цим пояснюється застосування потенційних надлишкових і скремблірованних кодів в сучасних технологіях, подібних FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN і т. П. Замість манчестерського і біполярного імпульсного кодування.

2.2.4. Дискретна модуляція аналогових сигналів

Однією з основних тенденцій розвитку мережевих технологій є передача в одній мережі як дискретних, так і аналогових по своїй природі даних. Джерелами дискретних даних є комп'ютери і інші обчислювальні пристрої, а джерелами аналогових даних є такі пристрої, як телефони, відеокамери, звуко- і відеозаписів апаратура. На ранніх етапах вирішення цієї проблеми в територіальних мережах всі типи даних передавалися в аналоговій формі, при цьому дискретні за своїм характером комп'ютерні дані перетворювалися в аналогову форму за допомогою модемів.

Однак у міру розвитку техніки знімання і передачі аналогових даних з'ясувалося, що передача їх в аналоговій формі не дозволяє поліпшити якість прийнятих на іншому кінці лінії даних, якщо вони істотно спотворили при передачі. Сам аналоговий сигнал не дає ніяких вказівок ні про те, що відбулося спотворення, ні про те, як його виправити, оскільки форма сигналу може бути будь-який, в тому числі і такий, яку зафіксував приймач. Поліпшення ж якості ліній, особливо територіальних, вимагає величезних зусиль і капіталовкладень. Тому на зміну аналоговій техніці запису і передачі звуку і зображення прийшла цифрова техніка. Ця техніка використовує так звану дискретну модуляцію вихідних безперервних у часі аналогових процесів.

Дискретні способи модуляції засновані на дискретизації безперервних процесів як за амплітудою, так і за часом (рис. 2.19). Розглянемо принципи іскретной модуляції на прикладі імпульсно-кодової модуляції, ІКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ), яка широко застосовується в цифрової телефонії.

Амплітуда вихідної неперервної функції вимірюється із заданим періодом - за рахунок цього відбувається дискретизація за часом. Потім кожен завмер представляється у вигляді довічного числа певної розрядності, що означає дискретизацію за значеннями функції - безперервне безліч можливих значень амплітуди замінюється дискретним безліччю її значень. Пристрій, який виконує подібну функцію, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Після цього виміри передаються по каналах зв'язку у вигляді послідовності одиниць і нулів. При цьому застосовуються ті ж методи кодування, що і в разі передачі спочатку дискретної інформації, тобто, наприклад, методи, засновані на коді B8ZS або 2В1Q.

На приймальній стороні лінії коди перетворяться в вихідну послідовність біт, а спеціальна апаратура, яка називається цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП), виробляє демодуляцию оцифрованих амплітуд безперервного сигналу, відновлюючи вихідну безперервну функцію часу.

Дискретна модуляції заснована на теорії відображення Найквіста - Котель-ників. Відповідно до цієї теорії, аналогова неперервна функція, передана у вигляді послідовності її дискретних за часом значень, може бути точно відновлена, якщо частота дискретизації була в два або більше разів вище, ніж частота найвищої гармоніки спектра вихідної функції.

Якщо ця умова не дотримується, то відновлена ??функція буде істотно відрізнятися від початкової.

Перевагою цифрових методів запису, відтворення і передачі аналогової інформації є можливість контролю достовірності лічених з носія або отриманих по лінії зв'язку даних. Для цього можна застосовувати ті ж методи, які застосовуються для комп'ютерних даних (і розглядаються більш докладно далі), - обчислення контрольної суми, повторна передача спотворених кадрів, застосування самокорегуюча кодів.

Для якісної передачі голосу в методі ІКМ використовується частота квантування амплітуди звукових коливань в 8000 Гц. Це пов'язано з тим, що в аналоговій телефонії для передачі голосу був обраний діапазон від 300 до 3400 Гц, який досить якісно передає всі основні гармоніки співрозмовників. Відповідно до теоремою Найквіста - Котельткова для якісної передачі голосу

146 Глава 2 · Основи передачі дискретних даних

досить вибрати частоту дискретизації, в два рази перевищує найвищу гармоніку безперервного сигналу, тобто 2 х 3400 = 6800 Гц. Обрана в дійсності частота дискретизації 8000 Гц забезпечує деякий запас якості. У методі ІКМ зазвичай використовується 7 або 8 біт коду для подання амплітуди одного виміру. Відповідно це дає 127 або 256 градацій звукового сигналу, що виявляється цілком достатнім для якісної передачі голосу. При використанні методу ІКМ для передачі одного голосового каналу необхідна пропускна здатність 56 або 64 Кбіт / с в залежності від того, якою кількістю біт представляється кожен завмер. Якщо для цих цілей використовується

7 біт, то при частоті передачі замірів в 8000 Гц отримуємо:

8000 х 7 = 56000 біт / с або 56 Кбіт / с; а для випадку 8-ми біт:

8000 х 8 - 64000 біт / с або 64 Кбіт / с.

Стандартним є цифровий канал 64 Кбіт / с, який також називається елементарним каналом цифрових телефонних мереж.

Передача безперервного сигналу в дискретному вигляді вимагає від мереж жорсткого дотримання тимчасового інтервалу в 125 мкс (відповідного частоті дискретизації 8000 Гц) між сусідніми вимірами, тобто вимагає синхронної передачі даних між вузлами мережі. При недотриманні синхронності прибуваючих вимірів вихідний сигнал відновлюється невірно, що призводить до спотворення голосу, зображення або іншої мультимедійної інформації, що передається по цифрових мережах. Так, спотворення синхронізації в 10 мс може привести до ефекту «луни», а зрушення між вимірами в 200 мс призводять до втрати розпізнаваності вимовлених слів. У той же час втрата одного виміру при дотриманні синхронності між іншими вимірами практично не позначається на відтворюваному звуці. Це відбувається за рахунок згладжують пристроїв в цифро-аналогових перетворювачів, які засновані на властивості інерційності будь-якого фізичного сигналу - амплітуда звукових коливань не може миттєво змінитися на велику величину.

На якість сигналу після ЦАП впливає не тільки синхронність надходження на його вхід вимірів, але і похибка дискретизації амплітуд цих вимірів.

8 теоремі Найквіста - Котельникова передбачається, що амплітуди функції вимірюються точно, в той же час використання для їх зберігання двійкових чисел з обмеженою розрядністю дещо спотворює ці амплітуди. Відповідно спотворюється відновлений безперервний сигнал, що називається шумом дискретизації (по амплітуді).

Існують і інші методи дискретної модуляції, що дозволяють представити виміри голосу в більш компактній формі, наприклад у вигляді послідовності 4-бітних або 2-бітових чисел. При цьому один голосовий канал вимагає меншої пропускної спроможності, наприклад 32 Кбіт / с, 16 Кбіт / с або ще менше. З 1985 року застосовується стандарт CCITT кодування голосу, званий Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коди ADPCM засновані на знаходженні різниць між послідовними вимірами голосу, які потім і передаються по мережі. У коді ADPCM для зберігання однієї різниці використовуються 4 біт і голос передається зі швидкістю 32 Кбіт / с. Більш сучасний метод, Linear Predictive Coding (LPC), робить виміри вихідної функції рідше, але використовує методи прогнозування напрямку зміни амплітуди сигналу. За допомогою цього методу можна знизити швидкість передачі голосу до 9600 біт / с.

2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні 147

Представлені в цифровій формі безперервні дані легко можна передати через комп'ютерну мережу. Для цього досить помістити кілька вимірів в кадр який-небудь стандартної мережевої технології, забезпечити кадр правильною адресою призначення і відправити адресату. Адресат повинен витягти з кадру виміри і подати їх з частотою квантування (для голосу - з частотою 8000 Гц) на цифро-аналоговий перетворювач. У міру надходження наступних кадрів з вимірами голосу операція повинна повторитися. Якщо кадри будуть прибувати досить синхронно, то якість голосу може бути досить високим. Однак, як ми вже знаємо, кадри в комп'ютерних мережах можуть затримуватися як в кінцевих вузлах (при очікуванні доступу до середи), так і в проміжних комунікаційних пристроях - мостах, комутаторах і маршрутизаторах. Тому якість голосу при передачі в цифровій формі через комп'ютерні мережі зазвичай буває невисоким. Для якісної передачі оцифрованих безперервних сигналів - голосу, зображення - сьогодні використовують спеціальні цифрові мережі, такі як ISDN, ATM, і мережі цифрового телебачення. Проте для передачі внутрішньокорпоративних телефонних розмов сьогодні характерні мережі frame relay, затримки передачі кадрів яких укладаються у межі нормальної роботи.

2.2.5. Асинхронна і синхронна передачі

При обміні даними на фізичному рівні одиницею інформації є біт, тому засоби фізичного рівня завжди підтримують побітову синхронізацію між приймачем і передавачем.

Канальний рівень оперує кадрами даних і забезпечує синхронізацію між приймачем і передавачем на рівні кадрів. В обов'язки приймача входить розпізнавання початку першого байта кадру, розпізнавання границь полів кадру і розпізнавання ознаки закінчення кадру.

Зазвичай достатньо забезпечити синхронізацію на зазначених двох рівнях - битовом і кадровому, - щоб передавач і приймач змогли забезпечити стійкий обмін інформацією. Однак при поганій якості лінії зв'язку (зазвичай це відноситься до телефонних комутованих каналах) для здешевлення апаратури і підвищення надійності передачі даних вводять додаткові кошти синхронізації на рівні байт.

Такий режим роботи називається асинхронним або старт-стопного. Іншою причиною використання такого режиму роботи є наявність пристроїв, які генерують байти даних в випадкові моменти часу. Так працює клавіатура дисплея чи іншого термінального пристрою, з якого людина вводить дані для обробки їх комп'ютером.

В асинхронному режимі кожен байт даних супроводжується спеціальними сигналами «старт» і «стоп» (рис. 2.20, а). Призначення цих сигналів полягає в тому, щоб, по-перше, сповістити приймач про прихід даних і, по-друге, щоб дати приймачу досить часу для виконання деяких функцій, пов'язаних із синхронізацією, до надходження наступного байта. Сигнал «старт» має тривалість в один тактовий інтервал, а сигнал «стоп» може тривати один, півтора чи два такту, тому говорять, що використовується один, півтора чи два біта в якості стопового сигналу, хоча призначені для користувача біти ці сигнали не уявляють.

Асинхронним описаний режим називається тому, що кожен байт може бути дещо зміщений у часі щодо побітових тактів попереднього

148 Глава 2 · Основи передачі дискретних даних

байта. Така асинхронність передачі байт не впливає на коректність прийнятих даних, так як на початку кожного байта відбувається додаткова синхронізація приймача з джерелом за рахунок бітів «старт». Більш «вільні» тимчасові допуски визначають низьку вартість обладнання асинхронної системи.

При синхронному режимі передачі старт-стопного біти між кожною парою байт відсутні. Призначені для користувача дані збираються в кадр, який передує байтами синхронізації (рис. 2.20, б). Байт синхронізації - це байт, що містить заздалегідь відомий код, наприклад 0111110, який сповіщає приймач про прихід кадру даних. При його одержанні приймач повинен увійти в байтовий синхронізм з передавачем, тобто правильно розуміти початок чергового байта кадру. Іноді застосовується кілька сінхробайт для забезпечення більш надійної синхронізації приймача і передавача. Так як при передачі довгого кадру у приймача можуть з'явитися проблеми з синхронізацією біт, то в цьому випадку використовуються коди, що самосинхронізуються.

висновки

»При передачі дискретних даних по вузькосмугового каналу тональної частоти, які використовуються в телефонії, найбільш придатними виявляються способи аналогової модуляції, при яких несуча синусоїда модулюється вихідною послідовністю двійкових цифр. Ця операція здійснюється спеціальними пристроями - модемами.

* Для низкоскоростной передачі даних застосовується зміна частоти несучої синусоїди. Більш високошвидкісні модеми працюють на комбінованих способах квадратурної амплітудної модуляції (QAM), для якої характерні 4 рівня амплітуди несучої синусоїди і 8 рівнів фази. Не всі з можливих 32 сполучень методу QAM використовуються для передачі даних, заборонені сполучення дозволяють розпізнавати спотворені дані на фізичному рівні.

* На широкосмугових каналах зв'язку застосовуються потенційні й імпульсні методи кодування, в яких дані представлені різними рівнями постійного потенціалу сигналу або полярностями імпульсу або його фронту.

* При використанні потенційних кодів особливого значення набуває завдання синхронізації приймача з передавачем, так як при передачі довгих послідовностей нулів або одиниць сигнал на вході приймача не змінюється і приймача складно визначити момент знімання чергового біта даних.

___2.3. Методи передачі донних канального рівня___149

* Найбільш простим потенційним кодом є код без повернення до нуля (NRZ), однак він не є самосинхронізується і створює постійну складову.

»Найбільш популярним імпульсним кодом є манчестерський код, в якому інформацію несе напрямок перепаду сигналу в середині кожного такту. Манчестерський код застосовується в технологіях Ethernet і Token Ring.

»Для поліпшення властивостей потенційного коду NRZ використовуються методи логічного кодування, що виключають довгі послідовності нулів. Ці методи засновані:

- на введенні надлишкових біт у вихідні дані (коди типу 4В / 5В);

- скремблювання вихідних даних (коди типу 2B1Q).

»Поліпшені потенційні коди мають більш вузький спектр, ніж імпульсні, тому вони знаходять застосування у високошвидкісних технологіях, таких як FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.




 від авторів |  Подяки |  Від централізованих систем -до обчислювальних мереж |  Основні проблеми побудови мереж |  Поняття «відкрита система» і проблеми стандартизації |  Локальні і глобальні мережі |  Мережі відділів, кампусів і корпорацій |  До сучасних обчислювальних мереж |  методи комутації |  Протоколи і стандарти локальних мереж |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати