Používá se pro přenos diskrétních dat po komunikačních linkách s úzkým frekvenčním pásmem analogová modulace. Typickým představitelem takových linek je hlasová komunikační linka zpřístupněná uživatelům veřejných telefonních sítí. Tato komunikační linka přenáší analogové signály ve frekvenčním rozsahu od 300 do 3400 Hz (proto je šířka pásma linky 3100 Hz). Přísné omezení šířky pásma komunikačních linek je v tomto případě spojeno s použitím zařízení pro multiplexování a přepínání kanálů v telefonních sítích.
Zařízení, které plní funkce nosné sinusové modulace na vysílací straně a demodulace na přijímací straně se nazývá modem (modulátor-demodulátor).
Analogová modulace je metoda fyzického kódování, ve které jsou informace kódovány změnou amplitudy, frekvence nebo fáze sinusový nosný frekvenční signál. Na amplitudové modulace pro logickou jednotku je vybrána jedna úroveň amplitudy sinusoidy nosné frekvence a pro logickou nulu - jiná. Tato metoda se v praxi ve své čisté podobě používá jen zřídka kvůli nízké odolnosti vůči šumu, ale často se používá v kombinaci s jinými typy modulace. Na frekvenční modulace hodnoty 0 a 1 zdrojových dat jsou přenášeny sinusoidami s různými frekvencemi . Tento způsob modulace nevyžaduje složité elektronické obvody v modemech a obvykle se používá v nízkorychlostních modemech pracujících při 300 nebo 1200 bps. Na fázová modulace Hodnoty dat 0 a 1 odpovídají signálům stejné frekvence, ale s různými fázemi, například 0 a 180 stupňů nebo 0, 90, 180 a 270 stupňů. Vysokorychlostní modemy často používají kombinované metody modulace, obvykle amplitudu kombinovanou s fází. Pro zvýšení rychlosti přenosu dat se používají kombinované modulační metody. Nejběžnější metody jsou Kvadraturní amplitudová modulace-QAM). Tyto metody jsou založeny na kombinaci fázové modulace s 8 hodnotami fázového posunu a amplitudové modulace se 4 úrovněmi amplitudy. Z možných 32 kombinací signálů však nejsou použity všechny. Taková redundance kódování je vyžadována pro modem, aby rozpoznal chybné signály vyplývající ze zkreslení v důsledku rušení, které je na telefonních kanálech (zejména přepínaných) velmi významné z hlediska amplitudy a dlouhodobého trvání.
Na digitální kódování používají se diskrétní informace potenciál A puls kódy. V potenciál V kódech se k reprezentaci logických jedniček a nul používá pouze hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy, které tvoří úplné impulsy, se neberou v úvahu. Puls kódy umožňují reprezentovat binární data buď jako impulsy určité polarity, nebo jako součást impulsu - potenciálový rozdíl v určitém směru.
Při použití pravoúhlých impulsů pro přenos diskrétní informace je nutné zvolit způsob kódování, který by současně dosáhl několika cílů: mít co nejmenší spektrální šířku výsledného signálu při stejné přenosové rychlosti; zajišťovaná synchronizace mezi vysílačem a přijímačem; měl schopnost rozpoznat chyby; měl nízkou prodejní cenu.
Užší spektrum signálu umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti dat na stejné lince (se stejnou šířkou pásma). Synchronizace vysílače a přijímače je nutná, aby přijímač přesně věděl, v jakém časovém okamžiku je potřeba načíst nové informace z komunikační linky. Tento problém se v sítích řeší obtížněji než při výměně dat mezi blízko umístěnými zařízeními, například mezi zařízeními uvnitř počítače nebo mezi počítačem a tiskárnou. Na krátké vzdálenosti dobře funguje schéma založené na samostatné hodinové komunikační lince a informace se z datové linky odstraní až v okamžiku příchodu hodinového pulsu. V sítích způsobuje použití tohoto schématu potíže kvůli heterogenitě charakteristik vodičů v kabelech. Na velké vzdálenosti může nerovnoměrná rychlost šíření signálu způsobit, že hodinový impuls dorazí tak pozdě nebo dříve než odpovídající datový signál, že je datový bit přeskočen nebo znovu přečten. Dalším důvodem, proč sítě odmítají používat hodinové impulsy, je úspora vodičů v drahých kabelech. Proto sítě využívají tzv samosynchronizační kódy, jejichž signály nesou instrukce pro vysílač, v jakém časovém okamžiku je nutné rozpoznat další bit (nebo několik bitů, pokud je kód zaměřen na více než dva stavy signálu). Jakákoli náhlá změna signálu – tzv přední- může sloužit jako dobrá indikace pro synchronizaci přijímače s vysílačem. Při použití sinusoid jako nosného signálu má výsledný kód vlastnost samosynchronizace, protože změna amplitudy nosné frekvence umožňuje přijímači určit okamžik, kdy se vstupní kód objeví.
Rozpoznání a oprava zkreslených dat je obtížné provést pomocí prostředků fyzické vrstvy, takže tuto práci nejčastěji provádějí protokoly, které leží výše: kanál, síť, transport nebo aplikace. Na druhou stranu rozpoznávání chyb na fyzické vrstvě šetří čas, protože přijímač nečeká na úplné umístění rámce do vyrovnávací paměti, ale okamžitě jej zahodí, když v rámci rozpozná chybné bity.
Požadavky na metody kódování jsou vzájemně protichůdné, proto každá z níže diskutovaných populárních metod digitálního kódování má své výhody a nevýhody ve srovnání s ostatními.
Jedna z nejjednodušších metod potenciál kódování je unipolární potenciální kód, nazývané také kódování bez návratu na nulu (Non Return to Zero-NRZ) (Obr.7.1.a). Příjmení odráží skutečnost, že při přenosu sekvence jedniček se signál během hodinového cyklu nevrátí na nulu. Metoda NRZ má dobré rozpoznání chyb (díky dvěma ostře odlišným potenciálům), ale nemá vlastnost samosynchronizace. Při vysílání dlouhé sekvence jedniček nebo nul se řádkový signál nemění, takže přijímač není schopen ze vstupního signálu určit časové okamžiky, kdy je potřeba data znovu číst. I u vysoce přesného hodinového generátoru může přijímač udělat chybu s okamžikem sběru dat, protože frekvence obou generátorů nejsou téměř nikdy zcela totožné. Proto při vysokých datových rychlostech a dlouhých sekvencích jedniček nebo nul může malý nesoulad hodin vést k chybě celého hodinového cyklu, a tudíž ke čtení nesprávné bitové hodnoty.
|
Rýže. 7.1. Metody kódování binárních dat: a-unipolární potenciál
kód; b- bipolární potenciální kód; PROTI- unipolární im-
pulzní kód; G -bipolární pulzní kód; d-kód "Manchester";
E- potenciální kód se čtyřmi úrovněmi signálu.
Další vážnou nevýhodou metody NRZ je přítomnost nízkofrekvenční složky, která se při vysílání dlouhých sekvencí jedniček nebo nul blíží nule. Z tohoto důvodu mnoho komunikačních linek, které neposkytují přímé galvanické spojení mezi přijímačem a zdrojem, nepodporuje tento typ kódování. Díky tomu se v sítích nepoužívá kód NRZ v čisté podobě, ale používají se jeho různé modifikace, které eliminují jak špatnou autosynchronizaci kódu NRZ, tak přítomnost konstantní složky.
Jednou z modifikací metody NRZ je metoda Bipolární inverze alternativní značky-AMI). Při této metodě ( rýže. 7.1.b) používají se tři úrovně potenciálu – záporná, nulová a kladná. Pro kódování logické nuly se používá nulový potenciál a logická jednotka je kódována buď kladným potenciálem nebo záporným potenciálem (potenciál každé nové jednotky je opačný než potenciál předchozí). Kód AMI částečně eliminuje DC a nedostatek problémů se samosynchronizací, které jsou vlastní kódu NRZ. K tomu dochází při vysílání dlouhých sekvencí jedniček. Signál na lince je v těchto případech sledem opačně polarizovaných impulsů se stejným spektrem jako kód NRZ, vysílající střídavě nuly a jedničky, tedy bez konstantní složky a se základní harmonickou N/2 Hz (kde N je přenosová rychlost dat). Dlouhé sekvence nul jsou pro kód AMI stejně nebezpečné jako pro kód NRZ - signál degeneruje do konstantního potenciálu nulové amplitudy. Obecně platí, že pro různé kombinace bitů na lince má použití kódu AMI za následek užší spektrum signálu než kód NRZ, a tedy vyšší kapacitu linky. Například při vysílání střídavých jedniček a nul má základní harmonická f 0 frekvenci N/4 Hz. Kód AMI také poskytuje některé funkce pro rozpoznání chybných signálů. Narušení přísného střídání polarity signálu tedy indikuje falešný impuls nebo vymizení správného impulsu z vedení. Je volán signál s nesprávnou polaritou zakázaný signál (narušení signálu). Protože kód AMI nepoužívá dvě, ale tři úrovně signálu na lince, další úroveň vyžaduje zvýšení výkonu vysílače, aby byla zajištěna stejná bitová spolehlivost na lince, což je běžná nevýhoda kódů s více stavy signálu ve srovnání s kódy, které rozlišovat pouze dva stavy.
Nejjednodušší metody puls kódování jsou unipolární pulzní kód, ve kterém je jedna reprezentována hybností a nula její nepřítomností ( rýže. 7,1v), A bipolární pulzní kód, ve kterém je jedna reprezentována impulsem jedné polarity a nula jinou ( rýže. 7,1 g). Každý puls trvá půl úderu. Bipolární pulzní kód má dobré samosynchronizační vlastnosti, ale konstantní pulzní složka může být přítomna například při vysílání dlouhé sekvence jedniček nebo nul. Jeho spektrum je navíc širší než spektrum potenciálních kódů. Při přenosu všech nul nebo jedniček se tedy frekvence základní harmonické kódu bude rovnat N Hz, což je dvakrát vyšší než základní harmonická kódu NRZ a čtyřikrát vyšší než základní harmonická kódu AMI. při vysílání střídavých jedniček a nul. Kvůli příliš širokému spektru se bipolární pulzní kód používá jen zřídka.
V lokálních sítích byl donedávna nejrozšířenější metodou kódování tzv. Manchester kód"(rýže. 7.1d). Manchesterský kód používá ke kódování jedniček a nul potenciálový rozdíl, tedy hranu pulsu. U kódování Manchester je každý takt rozdělen na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními poklesy, ke kterým dochází uprostřed každého hodinového cyklu. Jednička je zakódována hranou z nízké úrovně signálu na vysokou a nula je zakódována zpětnou hranou. Na začátku každého hodinového cyklu může dojít k poklesu režijního signálu, pokud potřebujete reprezentovat několik jedniček nebo nul v řadě. Protože se signál změní alespoň jednou za přenosový cyklus jednoho datového bitu, má kód Manchester dobré samočasované vlastnosti. Šířka pásma manchesterského kódu je užší než u bipolárního pulzu. Nemá také žádnou stejnosměrnou složku a základní harmonická má v nejhorším případě (při vysílání sekvence jedniček nebo nul) frekvenci N Hz a v lepším případě (při vysílání střídavých jedniček a nul) je rovna N / 2 Hz, jako AMI nebo NRZ V průměru je šířka pásma manchesterského kódu jedenapůlkrát užší než u bipolárního pulzního kódu a základní harmonická kolísá kolem hodnoty 3N/4. Další výhodou Manchesterského kódu je, že má pouze dvě úrovně signálu, zatímco bipolární pulzní kód má tři.
Existují také potenciální kódy s více úrovněmi signálu pro kódování dat. Zobrazeno jako příklad ( Obr. 7.1e) potenciální kód 2V1Q se čtyřmi úrovněmi signálu pro kódování dat. V tomto kódu jsou každé dva bity přenášeny v jednom hodinovém cyklu ve čtyřstavovém signálu. Dvojice bitů "00" odpovídá potenciálu -2,5 V, dvojice bitů "01" - potenciál -0,833 V, dvojice bitů "11" - potenciál +0,833 V a dvojice bitů bity „10“ - potenciál +2,5 V. V Tato metoda kódování vyžaduje další opatření, aby se vypořádala s dlouhými sekvencemi identických párů bitů, od té doby se signál změní na konstantní složku. Při náhodném prokládání bitů je spektrum signálu dvakrát užší než u kódu NRZ (při stejné přenosové rychlosti se doba trvání hodin zdvojnásobí). Pomocí prezentovaného kódu 2B1Q tedy můžete přenášet data po stejné lince dvakrát rychleji než pomocí kódu AMI. Pro jeho realizaci však musí být výkon vysílače vyšší, aby byly čtyři úrovně přijímačem jasně rozlišeny na pozadí rušení.
Pro vylepšení potenciálních kódů typu AMI a 2B1Q se používá logické kódování. Logické kódování je navrženo tak, aby nahradilo dlouhé sekvence bitů, které vedou ke konstantnímu potenciálu, rozptýlenými. Logické kódování se vyznačuje dvěma způsoby - redundantní kódy a kódování.
Redundantní kódy jsou založeny na rozdělení původní bitové sekvence na kousky, často nazývané symboly. Každý původní znak je pak nahrazen novým, který má více bitů než původní. Například logický kód 4B/5B nahrazuje původní 4bitové dlouhé symboly 5bitovými dlouhými symboly. Protože výsledné symboly obsahují redundantní bity, celkový počet bitových kombinací v nich je větší než v původních. V kódu 4B/5B tedy mohou výsledné symboly obsahovat 32 bitových kombinací, zatímco původní symboly jich obsahují pouze 16. Ve výsledném kódu tedy můžete vybrat 16 takových kombinací, které neobsahují velký počet nul a počítat zbytek zakázané kódy (porušení kódu). Kromě odstranění stejnosměrné složky a automatické synchronizace kódu umožňují redundantní kódy přijímači rozpoznat poškozené bity. Pokud přijímač obdrží nepovolený kód, znamená to, že signál byl na lince zkreslený. Kód 4B/5B se přenáší po lince pomocí fyzického kódování pomocí metody potenciálního kódování, která je citlivá pouze na dlouhé sekvence nul. Kódové symboly 4B/5B o délce 5 bitů zaručují, že bez ohledu na to, jak jsou kombinovány, se na řádku nemohou objevit více než tři nuly v řadě. Písmeno B v názvu kódu znamená, že elementární signál má 2 stavy (z angličtiny binary - binární). Existují také kódy se třemi stavy signálu, například v kódu 8B/6T se pro kódování 8 bitů zdrojové informace používá kód 6 signálů, z nichž každý má tři stavy. Redundance kódu 8B/6T je vyšší než u kódu 4B/5B, protože pro 256 zdrojových kódů existuje 729 (3 až 6) výsledných symbolů. Použití vyhledávací tabulky je velmi jednoduchá operace, takže tento přístup nepřidává složitost síťovým adaptérům a blokům rozhraní přepínačů a směrovačů (viz sekce 9,11).
Aby byla zajištěna daná kapacita linky, musí vysílač využívající redundantní kód pracovat se zvýšenou hodinovou frekvencí. Takže pro přenos 4B/5B kódů rychlostí 100 Mbit/s musí vysílač pracovat na hodinové frekvenci 125 MHz. V tomto případě se spektrum signálu na lince rozšíří oproti případu, kdy je po lince přenášen čistý, neredundantní kód. Přesto se spektrum redundantního potenciálního kódu ukazuje být užší než spektrum manchesterského kódu, což ospravedlňuje dodatečnou fázi logického kódování, stejně jako provoz přijímače a vysílače při zvýšené hodinové frekvenci.
Další metoda logického kódování je založena na předběžném „promíchání“ původní informace tak, aby se pravděpodobnosti výskytu jedniček a nul na řádku přiblížily. Jsou volána zařízení nebo bloky, které provádějí takovou operaci scramblery(rvačka - skládka, neuspořádaná montáž). Na škrábání používá se dobře známý algoritmus, takže přijímač, který přijal binární data, je odešle dekódovač, který obnoví původní bitovou sekvenci. V tomto případě se přebytečné bity nepřenášejí po lince. Místo manchesterského a bipolárního pulzního kódování se v moderních vysokorychlostních síťových technologiích používá vylepšená potenciální redundance a zakódované kódy.
7.6. Technologie multiplexování komunikačních linek
Pro multiplexování(„komprese“) komunikačních linek využívá několik technologií. Technika frekvencemultiplexování(Multiplexování s frekvenčním dělením - FDM) byl původně vyvinut pro telefonní sítě, ale používá se také pro jiné typy sítí, jako jsou sítě kabelové televize. Tato technologie zahrnuje přenos signálů každého účastnického kanálu do jeho vlastního frekvenčního rozsahu a současný přenos signálů z několika účastnických kanálů v jedné širokopásmové komunikační lince. Například vstupy FDM přepínače přijímají počáteční signály od účastníků telefonní sítě. Přepínač přenáší frekvenci každého kanálu do vlastního frekvenčního rozsahu. Typicky je vysokofrekvenční rozsah rozdělen do pásem, která jsou přidělena pro přenos dat z předplatitelských kanálů. V komunikační lince mezi dvěma FDM přepínači jsou současně přenášeny signály ze všech účastnických kanálů, ale každý z nich zaujímá své vlastní frekvenční pásmo. Výstupní FDM přepínač vybírá modulované signály každé nosné frekvence a vysílá je do odpovídajícího výstupního kanálu, ke kterému je přímo připojen účastnický telefon. FDM spínače mohou provádět dynamické i trvalé spínání. Při dynamickém přepojování jeden účastník zahájí spojení s dalším účastníkem odesláním čísla volaného účastníka do sítě. Přepínač dynamicky přiděluje jedno z volných pásem tomuto účastníkovi. Při neustálém přepínání je pásmo přiděleno účastníkovi na dlouhou dobu. Princip přepínání na základě frekvenčního dělení zůstává u ostatních typů sítí nezměněn, mění se pouze hranice přidělených pásem jednotlivému účastnickému kanálu a jejich počet.
Technologie multiplexovánísdílení času(Multiplexování s časovým dělením - TDM) nebo dočasný multiplexování je založen na použití TDM zařízení (multiplexory, přepínače, demultiplexery), pracujících v režimu sdílení času, střídavě obsluhujících všechny účastnické kanály během cyklu. Každému spojení je přidělen jeden časový úsek provozního cyklu zařízení, nazývaný také Chvilka. Trvání časového úseku závisí na počtu předplatitelských kanálů obsluhovaných zařízením. Sítě TDM mohou podporovat obojí dynamický, nebo konstantní přepínání a někdy oba tyto režimy.
Sítě s dynamické spínání vyžadují předběžný postup pro navázání spojení mezi účastníky. K tomu je adresa volaného účastníka přenášena do sítě, která prochází přepínači a konfiguruje je pro následný přenos dat. Požadavek na spojení je směrován z jednoho přepínače do druhého a nakonec se dostane k volanému. Síť může odmítnout navázání spojení, pokud je kapacita požadovaného výstupního kanálu již vyčerpána. U FDM přepínače je výstupní kapacita rovna počtu frekvenčních pásem a u TDM přepínače je rovna počtu časových slotů, do kterých je rozdělen provozní cyklus kanálu. Síť také odmítne připojení, pokud požadovaný účastník již navázal spojení s někým jiným. V prvním případě říkají, že přepínač je zaneprázdněn, a ve druhém - účastník. Nevýhodou způsobu přepínání okruhů je možnost selhání spojení. Pokud lze spojení navázat, pak je mu přiděleno pevné frekvenční pásmo v sítích FDM nebo pevná šířka pásma v sítích TDM. Tyto hodnoty zůstávají nezměněny po celou dobu připojení. Zaručená propustnost sítě po navázání spojení je důležitou vlastností vyžadovanou pro aplikace, jako je přenos hlasu a videa nebo řízení zařízení v reálném čase.
Pokud existuje pouze jeden fyzický komunikační kanál, například při výměně dat pomocí modemů přes telefonní síť, je duplexní provozní režim organizován rozdělením kanálu do dvou logických dílčích kanálů pomocí technologií FDM nebo TDM. Při použití technologie FDM pracují modemy na čtyřech frekvencích pro organizaci duplexního provozu na dvouvodičové lince (dvě frekvence jsou pro kódování jedniček a nul při přenosu dat v jednom směru a další dvě frekvence jsou pro kódování při přenosu v opačném směru ). V technologii TDM se některé časové sloty používají k přenosu dat v jednom směru a některé se používají k přenosu dat v druhém směru. Obvykle se střídají časové úseky opačných směrů.
U kabelů s optickými vlákny se pro organizaci duplexního provozu při použití pouze jednoho optického vlákna přenášejí data v jednom směru pomocí světelného paprsku jedné vlnové délky a v opačném směru pomocí jiné vlnové délky. Tato technologie v podstatě odkazuje na metodu FDM, ale pro kabely z optických vláken se nazývá technologie vlnového multiplexování(Multiplexování s vlnovým dělením - WDM) nebo mávat multiplexování.
Technikahustá vlna(spektrální) multiplexování(Dense Wave Division Multiplexing - DWDM) je navržena tak, aby vytvořila novou generaci optických dálnic pracujících při multigigabitových a terabitových rychlostech. Tohoto kvalitativního skoku ve výkonu je dosaženo díky skutečnosti, že informace v optickém vláknu jsou přenášeny současně velkým počtem světelných vln. Sítě DWDM fungují na principu přepínání kanálů, přičemž každá světelná vlna představuje samostatný spektrální kanál a nese svou vlastní informaci. Jednou z hlavních výhod technologie DWDM je výrazné zvýšení míry využití frekvenčního potenciálu optického vlákna, jehož teoretická šířka pásma je 25 000 GHz.
souhrn
V moderních telekomunikačních systémech se informace přenášejí prostřednictvím elektromagnetických vln – elektrických, světelných nebo rádiových signálů.
Komunikační linky, v závislosti na typu fyzického média pro přenos informací, mohou být kabelové (drátové) nebo bezdrátové. Jako komunikační linky se používají telefonní kabely na bázi paralelních nekroucených vodičů, koaxiální kabely, kabely na bázi kroucených párů vodičů (nestíněné a stíněné) a kabely z optických vláken. Nejúčinnější dnes a perspektivní v blízké budoucnosti jsou kabely založené na kroucených párech vodičů a optických kabelech. Bezdrátové komunikační linky jsou nejčastěji realizovány přenosem rádiových signálů v různých pásmech rádiových vln. Infračervená bezdrátová technologie využívá část elektromagnetického spektra mezi viditelným světlem a nejkratšími vlnovými délkami mikrovln. Nejrychlejší a nejodolnější laserovou technologií je bezdrátová komunikace.
Hlavní charakteristiky komunikačních linek jsou amplitudově-frekvenční odezva, šířka pásma a útlum při určité frekvenci.
Kapacita komunikační linky charakterizuje maximální možnou rychlost přenosu dat po ní. Odolnost komunikační linky proti rušení určuje její schopnost snižovat úroveň rušení vytvářeného ve vnějším prostředí na vnitřních vodičích. Spolehlivost přenosu dat charakterizuje pravděpodobnost zkreslení pro každý přenášený bit dat.
Reprezentace diskrétních informací v té či oné formě signálů dodávaných do komunikační linky se nazývá fyzické kódování. Logické kódování zahrnuje nahrazení bitů původní informace novou sekvencí bitů, která nese stejnou informaci, ale má další vlastnosti.
Pro přenos diskrétních dat po komunikačních linkách s úzkým frekvenčním pásmem se používá analogová modulace, ve které jsou informace kódovány změnou amplitudy, frekvence nebo fáze sinusového nosného signálu. Při digitálním kódování diskrétních informací se používají potenciálové a pulzní kódy. K multiplexování komunikačních linek se používají technologie frekvenčního, časového a vlnového multiplexování.
Testové otázky a úkoly
1. Uveďte klasifikaci komunikačních linek.
2. Popište nejběžnější kabelové komunikační linky.
3. Uveďte hlavní bezdrátové komunikační linky a uveďte jejich srovnávací charakteristiky.
4. Jakými fyzikálními faktory komunikační kanály zkreslují přenášené signály?
5. Jaká je amplitudově-frekvenční odezva komunikačního kanálu?
6. V jakých jednotkách se měří propustnost komunikačního kanálu?
7. Popište pojem „odolnost vůči rušení komunikační linky“.
8. Co definuje charakteristika „spolehlivost přenosu dat“ a v jakých jednotkách se měří?
9. Co je to „analogová modulace“ a jaké typy se používají k přenosu diskrétních dat?
10. Které zařízení plní funkce modulace nosné sinusoidy na vysílací straně a její demodulace na přijímací straně?
11. Rozlišení mezi potenciálovým a pulzním kódováním číslicových signálů.
12. Co jsou samočasovací kódy?
13. K jakému účelu se používá logické kódování číslicových signálů a jaké metody se používají?
14. Popište technologii frekvenčního multiplexování komunikačních linek.
15. Jaké jsou vlastnosti technologie multiplexování s časovým dělením?
16. Jaká technologie multiplexování se používá v optických kabelech k organizaci duplexního provozu při použití pouze jednoho optického vlákna?
17. Pro jaké účely byla vyvinuta technologie hustého vlnového multiplexování?
Používají se dva hlavní typy fyzického kódování - založené na sinusovém nosném signálu (analogová modulace) a na základě sekvence pravoúhlých impulsů (digitální kódování).
Analogová modulace - pro přenos diskrétních dat po kanálu s úzkou šířkou pásma - telefonní sítě hlasově-frekvenční kanál (šířka pásma od 300 do 3400 Hz) Zařízení provádějící modulaci a demodulaci - modem.
Analogové modulační metody
n amplitudová modulace (nízká odolnost proti šumu, často používaná ve spojení s fázovou modulací);
n frekvenční modulace (složitá technická implementace, obvykle používaná v nízkorychlostních modemech).
n fázová modulace.
Modulované spektrum signálu
Potenciální kód- pokud jsou diskrétní data přenášena rychlostí N bitů za sekundu, pak se spektrum skládá z konstantní složky nulové frekvence a nekonečné řady harmonických s frekvencemi f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., kde f0 = N /2. Amplitudy těchto harmonických klesají pomalu - s koeficienty 1/3, 1/5, 1/7, ... od amplitudy f0. Spektrum výsledného potenciálního kódového signálu při přenosu libovolných dat zaujímá pásmo od určité hodnoty blízké 0 do přibližně 7f0. Pro kanál hlasové frekvence je horní hranice přenosové rychlosti dosaženo pro rychlost přenosu dat 971 bitů za sekundu a spodní hranice je nepřijatelná pro jakoukoli rychlost, protože šířka pásma kanálu začíná na 300 Hz. To znamená, že potenciální kódy se nepoužívají na hlasových frekvenčních kanálech.
Amplitudová modulace- spektrum se skládá ze sinusoidy nosné frekvence fc a dvou bočních harmonických fc+fm a fc-fm, kde fm je frekvence změny informačního parametru sinusoidy, která se shoduje s rychlostí přenosu dat při použití dvou amplitud úrovně. Frekvence fm určuje kapacitu linky pro danou metodu kódování. S malou modulační frekvencí bude šířka spektra signálu také malá (rovná se 2fm) a signály nebudou zkresleny linkou, pokud je šířka pásma větší nebo rovna 2fm. Pro hlasový frekvenční kanál je tato metoda přijatelná při rychlosti přenosu dat ne vyšší než 3100 / 2 = 1550 bitů za sekundu.
Fázová a frekvenční modulace- spektrum je složitější, ale symetrické, s velkým počtem rychle klesajících harmonických. Tyto metody jsou vhodné pro přenos přes hlasový frekvenční kanál.
Quadrate Amplitude Modulation - fázová modulace s 8 hodnotami fázového posunu a amplitudová modulace se 4 hodnotami amplitudy. Není použito všech 32 kombinací signálů.
Digitální kódování
Potenciální kódy– k reprezentaci logických jedniček a nul se používá pouze hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy, které formulují dokončené impulsy, se neberou v úvahu.
Pulzní kódy– reprezentují binární data buď jako impulsy určité polarity, nebo jako součást impulsu – jako rozdíl potenciálů v určitém směru.
Požadavky na metodu digitálního kódování:
Při stejné přenosové rychlosti měl nejmenší šířku spektra výsledného signálu (užší spektrum signálu umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti na stejné lince, dále je zde požadavek na absenci konstantní složky, tj. je přítomnost stejnosměrného proudu mezi vysílačem a přijímačem);
Zajištěná synchronizace mezi vysílačem a přijímačem (přijímač musí přesně vědět, v jakém časovém okamžiku má číst potřebné informace z linky, v místních systémech - hodinové linky, v sítích - samosynchronizační kódy, jejichž signály nesou instrukce pro vysílač o tom, v jakém časovém okamžiku je nutné provést rozpoznání dalšího bitu);
Mít schopnost rozpoznat chyby;
Měl nízké náklady na realizaci.
Potenciální kód bez návratu na nulu. NRZ (Non Return to Zero). Signál se během hodinového cyklu nevrátí na nulu.
Je snadno implementovatelný, má dobré rozpoznání chyb díky dvěma ostře odlišným signálům, ale nemá vlastnost synchronizace. Při vysílání dlouhé sekvence nul nebo jedniček se signál na lince nemění, takže přijímač nedokáže určit, kdy je potřeba data znovu přečíst. Další nevýhodou je přítomnost nízkofrekvenční složky, která se při vysílání dlouhých sekvencí jedniček a nul blíží nule. Kód se zřídka používá ve své čisté podobě, používají se modifikace. Atraktivita – nízká frekvence základní harmonické f0 = N /2.
Metoda bipolárního kódování s alternativní inverzí. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modifikace metody NRZ.
Pro kódování nuly se používá nulový potenciál, logická jednotka je kódována buď s kladným potenciálem, nebo se záporným potenciálem, přičemž potenciál každé následující jednotky je opačný než potenciál předchozí jednotky. Částečně odstraňuje problémy s konstantní komponentou a nedostatkem autosynchronizace. V případě vysílání dlouhé sekvence jednotek sekvence multipolárních impulsů se stejným spektrem jako kód NRZ vysílající sekvenci střídavých impulsů, tedy bez konstantní složky a základní harmonické N/2. Obecně platí, že použití AMI má za následek užší spektrum než NRZ, a tedy vyšší kapacitu spoje. Například při vysílání střídavých nul a jedniček má základní harmonická f0 frekvenci N/4. Je možné rozpoznat chybné přenosy, ale pro zajištění spolehlivého příjmu je nutné zvýšit výkon asi o 3 dB, protože se používají úpravy úrovně signálu.
Potenciální kód s inverzí na jedničku. (Non Return to Zero s invertovanými jedničkami, NRZI) Kód podobný AMI se dvěma úrovněmi signálu. Při vysílání nuly se přenáší potenciál předchozího cyklu a při vysílání jedničky je potenciál obrácený na opačný. Kód je vhodný v případech, kdy použití třetí úrovně není žádoucí (optický kabel).
Ke zlepšení AMI se používají dvě metody, NRZI. První je přidání nadbytečných jednotek do kódu. Objevuje se vlastnost samosynchronizace, mizí konstantní složka a zužuje se spektrum, ale klesá užitečná propustnost.
Další metodou je „namíchat“ počáteční informaci tak, aby se pravděpodobnost výskytu jedniček a nul na řádku přiblížila – zakódování. Obě metody jsou logické kódování, protože neurčují tvar signálů na lince.
Bipolární pulzní kód. Jedničku představuje puls jedné polarity a nulu jinou. Každý puls trvá půl úderu.
Kód má vynikající samosynchronizační vlastnosti, ale při přenosu dlouhé sekvence nul nebo jedniček může existovat konstantní složka. Spektrum je širší než spektrum potenciálních kódů.
Manchester kód. Nejběžnějším kódem používaným v sítích Ethernet je Token Ring.
Každé opatření je rozděleno na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními poklesy, ke kterým dochází uprostřed hodinového cyklu. Jednička je kódována poklesem z nízké úrovně signálu na vysokou a nula je kódována zpětným poklesem. Na začátku každého hodinového cyklu může dojít k poklesu servisního signálu, pokud je třeba zapsat několik jedniček nebo nul v řadě. Kód má vynikající samosynchronizační vlastnosti. Šířka pásma je užší než u bipolárního pulzu, není zde žádná konstantní složka a základní harmonická má v nejhorším případě frekvenci N a v nejlepším - N/2.
Potenciální kód 2B1Q. Každé dva bity jsou přenášeny v jednom hodinovém cyklu čtyřstavovým signálem. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Pro práci s dlouhými sekvencemi identických párů bitů jsou zapotřebí další prostředky. Při náhodném střídání bitů je spektrum dvakrát užší než u NRZ, protože při stejné přenosové rychlosti se doba trvání hodin zdvojnásobí, to znamená, že je možné přenášet data po stejné lince dvakrát rychleji než pomocí AMI, NRZI, ale potřebujete větší výkon vysílače.
Logické kódování
Navrženo pro vylepšení potenciálních kódů, jako je AMI, NRZI, 2B1Q, nahrazení dlouhých sekvencí bitů vedoucích ke konstantnímu potenciálu rozptýlenými. Používají se dvě metody - redundantní kódování a skramblování.
Redundantní kódy jsou založeny na rozdělení původní sekvence bitů na části, které se často nazývají symboly, po kterých je každý původní symbol nahrazen novým, který má více bitů než původní.
Kód 4B/5B nahrazuje sekvence 4 bitů sekvencemi 5 bitů. Potom místo 16bitových kombinací získáte 32. Z nich je vybráno 16, které neobsahují velký počet nul, zbytek se považuje za porušení kódu. Kromě odstranění stejnosměrné složky a automatické synchronizace kódu umožňují redundantní kódy přijímači rozpoznat poškozené bity. Pokud přijímač přijímá zakázané kódy, znamená to, že došlo ke zkreslení signálu na lince.
Tento kód je přenášen po lince pomocí fyzického kódování pomocí metody potenciálního kódování, která je citlivá pouze na dlouhé sekvence nul. Kód zaručuje, že na řádku nebudou více než tři nuly za sebou. Existují další kódy, například 8B/6T.
Pro zajištění uvedené propustnosti musí vysílač pracovat na vyšší taktovací frekvenci (pro 100 Mb/s - 125 MHz). Spektrum signálu se oproti původnímu rozšiřuje, ale zůstává užší než spektrum manchesterského kódu.
Scrambler - smíchání dat se scramblerem před přenosem z linky.
Metody kódování zahrnují bit po bitu výpočet výsledného kódu na základě bitů zdrojového kódu a bitů výsledného kódu získaných v předchozích hodinových cyklech. Například,
B i = A i xor B i-3 xor B i-5,
kde B i je binární číslice výsledného kódu získaného v i-tém hodinovém cyklu scrambleru, A i je binární číslice zdrojového kódu přijatého v i-tém hodinovém cyklu na vstupu scrambleru, B i -3 a B i -5 jsou binární číslice výsledného kódu, získaného v předchozích cyklech práce.
Pro sekvenci 110110000001 dá scrambler 110001101111, to znamená, že zde nebude žádná sekvence šesti po sobě jdoucích nul.
Po obdržení výsledné sekvence ji přijímač předá descrambleru, který aplikuje inverzní transformaci
C i = B i x nebo B i-3 x nebo B i-5 ,
Různé kódovací systémy se liší počtem termínů a posunem mezi nimi.
Existují jednodušší metody práce se sekvencemi nul nebo jedniček, které jsou také klasifikovány jako metody skramblování.
Ke zlepšení bipolárního AMI se používají následující:
B8ZS (bipolární se substitucí 8 nul) – opravuje pouze sekvence skládající se z 8 nul.
K tomu vloží za první tři nuly místo zbývajících pěti pět signálů V-1*-0-V-1*, kde V označuje jeden signál, který je pro daný cyklus polarity zakázaný, tzn. signál, který nemění polaritu předchozího, 1* - signál jedna má správnou polaritu a znaménko hvězdičky označuje skutečnost, že ve zdrojovém kódu v tomto hodinovém cyklu nebyla jednička, ale nula . Výsledkem je, že při 8 hodinových cyklech přijímač zaznamená 2 zkreslení - je velmi nepravděpodobné, že by k tomu došlo kvůli šumu na lince. Proto přijímač považuje taková porušení za kódování 8 po sobě jdoucích nul. V tomto kódu je konstantní složka nula pro jakoukoli sekvenci binárních číslic.
Kód HDB3 opravuje jakékoli čtyři po sobě jdoucí nuly v původní sekvenci. Každé čtyři nuly jsou nahrazeny čtyřmi signály, ve kterých je jeden signál V. Pro potlačení stejnosměrné složky se polarita signálu V postupně nahrazuje. Kromě toho se pro výměnu používají dva vzory čtyřcyklových kódů. Pokud před výměnou obsahoval zdrojový kód lichý počet jednotek, použije se sekvence 000V a pokud byl počet jednotek sudý, použije se sekvence 1*00V.
Vylepšené potenciální kódy mají poměrně úzkou šířku pásma pro jakékoli sekvence nul a jedniček, které se vyskytují v přenášených datech.
Strana 27 z 27 Fyzický základ přenosu dat(Komunikační linky,)
Fyzický základ přenosu dat
Jakákoli síťová technologie musí zajistit spolehlivý a rychlý přenos diskrétních dat po komunikačních linkách. Přestože mezi technologiemi existují velké rozdíly, jsou založeny na společných principech diskrétního přenosu dat. Tyto principy jsou začleněny do metod pro reprezentaci binárních jedniček a nul pomocí pulzních nebo sinusových signálů v komunikačních linkách různého fyzikálního charakteru, metody detekce a korekce chyb, metody komprese a metody přepínání.
Čárykomunikace
Primární sítě, linky a komunikační kanály
Při popisu technického systému, který přenáší informace mezi uzly sítě, lze v literatuře nalézt několik názvů: komunikační linka, kompozitní kanál, kanál, link. Tyto termíny se často používají zaměnitelně a v mnoha případech to nezpůsobuje problémy. V jejich použití jsou přitom specifika.
Odkaz(link) je segment, který zajišťuje přenos dat mezi dvěma sousedními uzly sítě. To znamená, že spoj neobsahuje mezilehlá spínací a multiplexní zařízení.
Kanál(kanál) nejčastěji označuje část šířky pásma spoje používanou nezávisle při přepínání. Například primární síťový spoj může sestávat z 30 kanálů, z nichž každý má kapacitu 64 Kbps.
Kompozitní kanál(obvod) je cesta mezi dvěma koncovými uzly sítě. Složený kanál je tvořen jednotlivými mezičlánky a vnitřními spoji v přepínačích. Často se vynechává epiteton „kompozitní“ a výraz „kanál“ se používá k označení jak složeného kanálu, tak kanálu mezi sousedními uzly, to znamená v rámci spojení.
Komunikační linka lze použít jako synonymum pro kterýkoli z dalších tří termínů.
Na Obr. jsou zobrazeny dvě možnosti komunikační linky. V prvním případě ( A) vedení se skládá z kabelového segmentu dlouhého několik desítek metrů a je spojkou. Ve druhém případě (b) je komunikační linka složený kanál umístěný v síti s přepojováním okruhů. Taková síť by mohla být primární síť nebo telefonní sítě.
Pro počítačovou síť však tato linka představuje spojnici, protože spojuje dva sousední uzly a všechna spínací mezizařízení jsou pro tyto uzly transparentní. Důvod vzájemného nedorozumění na úrovni pojmů mezi počítačovými specialisty a primárními síťovými specialisty je zde zřejmý.
Primární sítě jsou speciálně vytvořeny za účelem poskytování služeb kanálu přenosu dat pro počítačové a telefonní sítě, o kterých se v takových případech říká, že fungují „na vrcholu“ primárních sítí a jsou překryvné sítě.
Klasifikace komunikačních linek
Komunikační linka obecně sestává z fyzického média, jehož prostřednictvím jsou přenášeny elektrické informační signály, zařízení pro přenos dat a mezilehlá zařízení. Fyzickým médiem pro přenos dat (fyzickými paměťovými médii) může být kabel, tedy soubor vodičů, izolačních a ochranných plášťů a spojovacích konektorů, ale i zemská atmosféra nebo vesmír, kterým se šíří elektromagnetické vlny.
V prvním případě mluvíme o drátové prostředí, a ve druhém - asi bezdrátový.
V moderních telekomunikačních systémech se informace přenášejí pomocí elektrický proud nebo napětí, rádiové signály nebo světelné signály- všechny tyto fyzikální procesy představují oscilace elektromagnetického pole různých frekvencí.
Drátové (nadzemní) vedení spoje jsou dráty bez jakéhokoli izolačního nebo stínícího opletení, položené mezi sloupy a zavěšené ve vzduchu. Ještě v nedávné minulosti byly takové komunikační linky hlavními pro přenos telefonních nebo telegrafních signálů. Dnes jsou drátové komunikační linky rychle nahrazovány kabelovými vedeními. Na některých místech jsou však stále zachovány a při absenci jiných možností se nadále používají pro přenos počítačových dat. Rychlost a odolnost těchto linek proti hluku zanechávají mnoho požadavků.
Kabelové vedení mají poměrně složitý design. Kabel se skládá z vodičů uzavřených v několika vrstvách izolace: elektrické, elektromagnetické, mechanické a případně klimatické. Kromě toho může být kabel vybaven konektory, které vám umožní rychle k němu připojit různá zařízení. V počítačových (a telekomunikačních) sítích se používají tři hlavní typy kabelů: kabely založené na kroucených párech měděných drátů - nestíněný kroucený pár(Unshielded Twisted Pair, UTP) a stíněný kroucený pár(stíněný kroucený pár, STP), koaxiální kabely s měděným jádrem, kabely z optických vláken. První dva typy kabelů se také nazývají měděné kabely.
Rozhlasové kanály Pozemní a satelitní komunikace jsou tvořeny pomocí vysílače a přijímače rádiových vln. Existuje široká škála typů rádiových kanálů, které se liší jak použitým frekvenčním rozsahem, tak rozsahem kanálů. Vysílání rozhlasových pásem(dlouhé, střední a krátké vlny), tzv AM kapely, nebo rozsahy amplitudové modulace (Amplitude Modulation, AM), poskytují komunikaci na dlouhé vzdálenosti, ale při nízké rychlosti přenosu dat. Nejrychlejší kanály jsou ty, které používají velmi vysoké frekvenční rozsahy(Very High Frequency, VHF), pro kterou se používá frekvenční modulace (FM). Používá se také pro přenos dat ultra vysoké frekvenční rozsahy(Ultra High Frequency, UHF), také nazývané mikrovlnné pásy(přes 300 MHz). Při frekvencích nad 30 MHz již nejsou signály odráženy zemskou ionosférou a stabilní komunikace vyžaduje přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem. Proto jsou takové frekvence využívány buď satelitními kanály, nebo radioreléovými kanály, nebo místními nebo mobilními sítěmi, kde je tato podmínka splněna.
Téma 2. Fyzická vrstva
Plán
Teoretický základ přenosu dat
Informace lze přenášet prostřednictvím vodičů změnou jakékoli fyzické veličiny, jako je napětí nebo proud. Znázorněním hodnoty napětí nebo proudu jako jednohodnotové funkce času můžete modelovat chování signálu a podrobit jej matematické analýze.Fourierova řada
Na začátku 19. století francouzský matematik Jean-Baptiste Fourier dokázal, že libovolnou periodickou funkci s periodou T lze rozšířit na řadu (možná nekonečnou) sestávající ze součtů sinů a kosinů:(2.1)
kde je základní frekvence (harmonická) a jsou amplitudy sinů a kosinus n-té harmonické a c je konstanta. Takové rozšíření se nazývá Fourierova řada. Funkce rozšířená do Fourierovy řady může být obnovena z prvků této řady, to znamená, že pokud jsou známy perioda T a harmonické amplitudy, pak může být původní funkce obnovena pomocí součtu řad (2.1).
Informační signál, který má konečnou dobu trvání (všechny informační signály mají konečnou dobu trvání), lze rozšířit do Fourierovy řady, pokud si představíme, že se celý signál donekonečna opakuje znovu a znovu (tj. interval od T do 2T se zcela opakuje interval od 0 do T atd.).
Amplitudy lze vypočítat pro jakoukoli danou funkci. Chcete-li to provést, musíte vynásobit levou a pravou stranu rovnice (2.1) a poté integrovat od 0 do T. Protože:
(2.2)
zůstává pouze jeden člen série. Řádek úplně zmizí. Podobně lze hodnoty vypočítat vynásobením rovnice (2.1) a integrací v čase od 0 do T. Pokud integrujete obě strany rovnice, aniž byste ji změnili, můžete získat hodnotu konstanty S. Výsledky těchto akcí budou následující:
(2.3.)
Spravovaná média
Účelem fyzické vrstvy sítě je přenášet nezpracovaný bitový tok z jednoho stroje do druhého. Pro přenos lze použít různá fyzická média, nazývaná také média pro šíření signálu. Každý z nich má charakteristickou sadu šířek pásma, latence, ceny a snadnost instalace a použití. Média lze rozdělit do dvou skupin: naváděná média, jako je měděný drát a kabel z optických vláken, a neřízená média, jako je rádiový a laserový přenos bez kabelu.Magnetická média
Jedním z nejjednodušších způsobů přenosu dat z jednoho počítače do druhého je vypálit je na magnetickou pásku nebo jiné vyměnitelné médium (například přepisovatelné DVD), fyzicky přenést tyto pásky a disky na místo určení a tam je přečíst.Vysoká propustnost. Standardní pásková kazeta Ultrium pojme 200 GB. Asi 1000 těchto kazet se vešlo do krabice 60x60x60, což dává celkovou kapacitu 1600 Tbitů (1,6 Pbitů). Krabice pásek může být odeslána do 24 hodin v rámci USA prostřednictvím Federal Express nebo jiného přepravce. Efektivní šířka pásma pro takový přenos je 1600 Tbit/86400 s nebo 19 Gbit/s. Pokud je cíl vzdálený jen hodinu, pak bude propustnost přes 400 Gbit/s. Žádná počítačová síť se zatím nemůže takovým ukazatelům ani přiblížit.
Hospodárný. Velkoobchodní cena kazety je asi 40 USD. Krabice pásek bude stát 4000 dolarů a stejnou pásku lze použít desítkykrát. Přidejte 1 000 USD za dopravu (a ve skutečnosti mnohem méně) a získáte asi 5 000 USD za přenos 200 TB nebo 3 centy za gigabajt.
Nedostatky. Přestože je rychlost přenosu dat pomocí magnetických pásek vynikající, latence takového přenosu je velmi vysoká. Doba přenosu se měří v minutách nebo hodinách, nikoli v milisekundách. Mnoho aplikací vyžaduje okamžitou odezvu vzdáleného systému (v připojeném režimu).
kroucený pár
Kroucený pár se skládá ze dvou izolovaných měděných drátů, jejichž obvyklý průměr je 1 mm. Dráty jsou kolem sebe stočeny ve formě spirály. To vám umožní snížit elektromagnetickou interakci několika kroucených párů umístěných poblíž.Aplikace – telefonní linka, počítačová síť. Dokáže přenášet signál bez útlumu výkonu na vzdálenost několika kilometrů. Na delší vzdálenosti jsou vyžadovány opakovače. Spojeno do kabelu s ochranným povlakem. V kabelu jsou páry vodičů zkroucené, aby nedocházelo k rušení signálu. Může být použit pro přenos analogových i digitálních dat. Šířka pásma závisí na průměru a délce drátu, ale ve většině případů lze dosáhnout rychlosti několika megabitů za sekundu na vzdálenost několika kilometrů. Kvůli jejich relativně vysoké propustnosti a nízké ceně jsou kroucené dvoulinky široce používány a pravděpodobně budou i nadále oblíbené iv budoucnu.
Twisted pair kabely mají několik forem, z nichž dvě jsou zvláště důležité v oblasti počítačových sítí. Kroucené dvoulinky kategorie 3 (CAT 3) se skládají ze dvou izolovaných vodičů stočených dohromady. Čtyři takové páry jsou obvykle umístěny společně v plastové skořepině.
Kroucená dvoulinka kategorie 5 (CAT 5) je podobná kroucené dvojlinkě kategorie 3, ale má více závitů na centimetr délky vodiče. To umožňuje dále snížit rušení mezi různými kanály a zajistit lepší kvalitu přenosu signálu na velké vzdálenosti (obr. 1).
Rýže. 1. UTP kategorie 3 (a), UTP kategorie 5 (b).
Všechny tyto typy připojení se často nazývají UTP (unshielded twisted pair - nestíněná kroucená dvojlinka)
Stíněné kroucené dvoulinky IBM se mimo IBM nestaly populárními.
Koaxiál
Dalším běžným prostředkem přenosu dat je koaxiální kabel. Je lépe stíněný než kroucená dvoulinka, takže může přenášet data na delší vzdálenosti vyšší rychlostí. Široce se používají dva typy kabelů. Jeden z nich, 50 ohm, se obvykle používá pouze pro přenos digitálních dat. Jiný typ kabelu, 75 ohmů, se často používá k přenosu analogových informací, stejně jako v kabelové televizi.Pohled v řezu na kabel je znázorněn na obrázku 2.
Rýže. 2. Koaxiální kabel.
Konstrukce a speciální typ stínění koaxiálního kabelu poskytuje vysokou propustnost a vynikající odolnost proti rušení. Maximální propustnost závisí na kvalitě, délce a odstupu signálu od šumu linky. Moderní kabely mají šířku pásma asi 1 GHz.
Aplikace – telefonní systémy (spojky), kabelová televize, regionální sítě.
Vláknová optika
Současná technologie optických vláken může dosáhnout rychlosti přenosu dat až 50 000 Gbit/s (50 Tbit/s) a mnoho specialistů je zaneprázdněno hledáním pokročilejších materiálů. Dnešní praktický limit 10 Gbps je způsoben nemožností převádět elektrické signály na optické signály a naopak rychleji, ačkoliv již bylo v laboratoři dosaženo rychlosti 100 Gbps na jednom vlákně.Přenosový systém z optických vláken se skládá ze tří hlavních součástí: světelného zdroje, nosiče, kterým prochází světelný signál, a přijímače signálu neboli detektoru. Světelný impuls je brán jako jedna a nepřítomnost impulsu je brána jako nula. Světlo se šíří v ultratenkém skleněném vláknu. Když na něj dopadne světlo, detektor vygeneruje elektrický impuls. Připojením světelného zdroje k jednomu konci optického vlákna a detektoru ke druhému se získá jednosměrný systém přenosu dat.
Při přenosu světelného signálu se využívá vlastnosti odrazu a lomu světla při přechodu ze 2 prostředí. Když je tedy světlo přiváděno pod určitým úhlem na rozhraní média, světelný paprsek se zcela odrazí a uzamkne ve vláknu (obr. 3).
Rýže. 3. Vlastnost lomu světla.
Existují 2 typy optických kabelů: multimode - přenáší paprsek světla, single-mode - tenký na hranici několika vlnových délek, působí téměř jako vlnovod, světlo se pohybuje přímočaře bez odrazu. Dnešní jednovidové optické spoje mohou pracovat rychlostí 50 Gb/s na vzdálenost až 100 km.
V komunikačních systémech se používají tři rozsahy vlnových délek: 0,85, 1,30 a 1,55 µm.
Struktura kabelu z optických vláken je podobná jako u koaxiálního drátu. Jediný rozdíl je v tom, že první z nich nemá stínící síť.
Uprostřed jádra z optických vláken je skleněné jádro, kterým prochází světlo. U vícevidového optického vlákna je průměr jádra 50 mikronů, což se přibližně rovná tloušťce lidského vlasu. Jádro v jednovidovém vláknu má průměr 8 až 10 mikronů. Jádro je pokryto vrstvou skla s nižším indexem lomu než jádro. Je navržen tak, aby spolehlivěji bránil úniku světla za jádro. Vnější vrstva je plastový plášť, který chrání zasklení. Prameny optických vláken jsou obvykle seskupeny do svazků chráněných vnějším pláštěm. Obrázek 4 ukazuje třížilový kabel.
Rýže. 4. Třížilový optický kabel.
V případě přerušení lze kabelové části připojit třemi způsoby:
- Na konec kabelu lze nasadit speciální konektor, pomocí kterého se kabel zasune do optické zásuvky. Ztráta je 10-20% intenzity světla, ale usnadňuje změnu konfigurace systému.
Spojování - dva úhledně odříznuté konce kabelu se položí vedle sebe a sevřou se speciální spojkou. Lepší propustnost světla je dosažena zarovnáním konců kabelů. Ztráta - 10 % světelného výkonu.
Fúze. Neexistuje prakticky žádná ztráta.
Stůl 1.
Srovnávací tabulka využití LED a polovodičového laseru
Přijímací konec optického kabelu je fotodioda, která při dopadu světla generuje elektrický impuls.
Srovnávací charakteristiky optického kabelu a měděného drátu.
Optické vlákno má řadu výhod:- Vysoká rychlost.
Menší útlum signálu, výstup z menšího počtu opakovačů (jeden na 50 km, ne 5)
Inertní vůči vnějšímu elektromagnetickému záření, chemicky neutrální.
Váhově lehčí. 1000 měděných kroucených párů o délce 1 km váží asi 8000 kg. Pár optických kabelů váží pouze 100 kg s větší šířkou pásma
Nízké náklady na instalaci
- Složitost a odbornost při instalaci.
Křehkost
Dražší než měď.
přenos v simplexním režimu, mezi sítěmi jsou zapotřebí minimálně 2 vodiče.
Bezdrátové připojení
Elektromagnetické spektrum
Pohyb elektronů generuje elektromagnetické vlny, které se mohou šířit prostorem (i ve vakuu). Počet elektromagnetických oscilací za sekundu se nazývá frekvence a měří se v hertzech. Vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími maximy (nebo minimy) se nazývá vlnová délka. Tato veličina se tradičně označuje řeckým písmenem (lambda).Pokud je v elektrickém obvodu zahrnuta anténa vhodné velikosti, pak lze elektromagnetické vlny úspěšně přijímat přijímačem na určitou vzdálenost. Na tomto principu jsou založeny všechny bezdrátové komunikační systémy.
Ve vakuu se všechny elektromagnetické vlny šíří stejnou rychlostí, bez ohledu na jejich frekvenci. Tato rychlost se nazývá rychlost světla, - 3*108 m/s. V mědi nebo skle je rychlost světla přibližně 2/3 této hodnoty a také mírně závisí na frekvenci.
Vztah mezi množstvím a:
Pokud se frekvence () měří v MHz a vlnová délka () v metrech, pak.
Souhrn všech elektromagnetických vln tvoří tzv. spojité spektrum elektromagnetického záření (obr. 5). Rádio, mikrovlnné, infračervené a viditelné světlo lze použít k přenosu informací pomocí amplitudové, frekvenční nebo fázové modulace vln. Ultrafialové, rentgenové a gama záření by bylo ještě lepší kvůli jejich vysokým frekvencím, ale je obtížné je generovat a modulovat, špatně pronikají budovami a jsou také nebezpečné pro všechno živé. Oficiální názvy rozsahů jsou uvedeny v tabulce 6.
Rýže. 5. Elektromagnetické spektrum a jeho aplikace v komunikacích.
Tabulka 2
Oficiální názvy kapel ITU
Množství informací, které může elektromagnetická vlna přenést, souvisí s frekvenčním rozsahem kanálu. Moderní technologie umožňují kódovat několik bitů na hertz při nízkých frekvencích. Za určitých podmínek se toto číslo může při vysokých frekvencích zvýšit až osminásobně.
Znáte-li šířku rozsahu vlnových délek, můžete vypočítat odpovídající frekvenční rozsah a rychlost přenosu dat.
Příklad: Pro rozsah 1,3 mikronu optického kabelu. Pak se ukazuje, že při 8 bit/s můžete získat přenosovou rychlost 240 Tbit/s.
Rádiová komunikace
Rádiové vlny se snadno generují, cestují na velké vzdálenosti, procházejí zdmi, obcházejí budovy a šíří se všemi směry. Vlastnosti rádiových vln závisí na frekvenci (obr. 6). Při provozu na nízkých frekvencích se rádiové vlny dobře šíří přes překážky, ale síla signálu ve vzduchu prudce klesá, když se vzdalují od vysílače. Poměr výkonu a vzdálenosti od zdroje je vyjádřen přibližně takto: 1/r2. Při vysokých frekvencích mají rádiové vlny obecně tendenci cestovat výhradně přímočaře a odrážet se od překážek. Navíc je pohlcuje například déšť. Rádiové signály všech frekvencí jsou rušeny motory zapalovacích kartáčů a jinými elektrickými zařízeními.Rýže. 6. Vlny rozsahů VLF, LF, MF se ohýbají kolem nerovného povrchu Země (a), vlny rozsahů HF a VHF se odrážejí od ionosféry a pohlcují je zemí (b).
Mikrovlnná komunikace
Při frekvencích nad 100 MHz se rádiové vlny šíří téměř přímočaře, takže je lze zaostřit do úzkých paprsků. Soustředění energie do úzkého paprsku pomocí parabolické antény (jako známá satelitní televizní anténa) vede ke zlepšení poměru signálu k šumu, ale pro takovou komunikaci musí být vysílací a přijímací anténa poměrně přesně namířeny na sebe.Na rozdíl od rádiových vln s nižšími frekvencemi se mikrovlny špatně šíří budovami. Mikrovlnná rádiová komunikace se stala tak široce používána v dálkové telefonii, mobilních telefonech, televizním vysílání a dalších oblastech, že došlo k vážnému nedostatku šířky pásma spektra.
Toto spojení má oproti optickému vláknu řadu výhod. Hlavní věc je, že není třeba pokládat kabel, a proto nemusíte platit za pronájem pozemku podél signální cesty. Stačí každých 50 km koupit malé pozemky a nainstalovat na ně reléové věže.
Infračervené a milimetrové vlny
Infračervené a milimetrové vlnové záření bez použití kabelu se hojně využívá pro komunikaci na krátké vzdálenosti (například dálkové ovladače). Jsou relativně směrové, levné a snadno se instalují, ale neproniknou pevnými předměty.Infračervené komunikace se používají v systémech stolních počítačů (například k propojení notebooků s tiskárnami), ale stále nehrají významnou roli v telekomunikacích.
Komunikační satelity
Používají se tyto typy družic: geostacionární (GEO), středně nadmořské (MEO) a nízkooběžné (LEO) (obr. 7).Rýže. 7. Komunikační družice a jejich vlastnosti: orbitální výška, zpoždění, počet družic potřebných k pokrytí celého povrchu zeměkoule.
Veřejná komutovaná telefonní síť
Struktura telefonního systému
Struktura typické telefonní trasy na střední vzdálenost je znázorněna na obrázku 8.Rýže. 8. Typická komunikační trasa s průměrnou vzdáleností mezi účastníky.
Lokální komunikační linky: modemy, ADSL, bezdrátová komunikace
Protože počítač pracuje s digitálním signálem a místní telefonní linka představuje přenos analogového signálu, k provedení převodu z digitálního na analogový a zpět se používá zařízení - modem a samotný proces se nazývá modulace / demodulace. (obr. 9).Rýže. 9. Použití telefonní linky při přenosu digitálního signálu.
Existují 3 způsoby modulace (obr. 10):
- amplitudová modulace - používají se 2 různé amplitudy signálu (pro 0 a 1),
frekvence - používá se několik různých frekvencí signálu (pro 0 a 1),
fáze - fázové posuny se používají při přechodu mezi logickými jednotkami (0 a 1). Úhly smyku - 45, 135, 225, 180.
Rýže. 10. Binární signál (a); amplitudová modulace (b); frekvenční modulace (c); fázová modulace.
Všechny moderní modemy umožňují přenášet data oběma směry, tento režim provozu se nazývá full-duplex. Spojení, které umožňuje sekvenční přenos, se nazývá poloviční duplex. Spojení, ve kterém dochází k přenosu pouze jedním směrem, se nazývá simplexní.
Maximální rychlost modemu, které lze v současnosti dosáhnout, je 56 Kb/s. standard V.90.
Digitální účastnické linky. technologie xDSL.
Poté, co rychlost přes modemy dosáhla svého limitu, začaly telefonní společnosti hledat východisko z této situace. Mnoho návrhů se tak objevilo pod obecným názvem xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - digitální účastnická linka, kde místo X mohou tam být i jiná písmena. Nejznámější technologií z těchto nabídek je ADSL (Asymmetric DSL).Důvodem omezení rychlosti modemů bylo, že pro přenos dat využívaly přenosový rozsah lidské řeči – 300Hz až 3400Hz. Spolu s hraničními frekvencemi nebyla šířka pásma 3100 Hz, ale 4000 Hz.
I když samotné spektrum místní telefonní linky je 1,1 Hz.
První nabídka technologie ADSL využívala celé spektrum místní telefonní linky, která je rozdělena do 3 pásem:
- POTS - běžný dosah telefonní sítě;
odchozí rozsah;
příchozí rozsah.
Alternativní metoda nazývaná diskrétní vícetónová modulace, DMT (Discrete MultiTone), spočívá v rozdělení celého spektra 1,1 MHz místní linky na 256 nezávislých kanálů po 4312,5 Hz. Kanál 0 je POTS. Kanály 1 až 5 se nepoužívají, aby hlasový signál neměl možnost rušit informační signál. Ze zbývajících 250 kanálů je jeden zaneprázdněn řízením přenosu směrem k poskytovateli, jeden směrem k uživateli a všechny ostatní jsou k dispozici pro přenos uživatelských dat (obr. 11).
Rýže. 11. Provoz ADSL pomocí diskrétní vícetónové modulace.
Standard ADSL umožňuje přijímat až 8 Mb/s a odesílat až 1 Mb/s. ADSL2+ - odchozí až 24 Mb/s, příchozí až 1,4 Mb/s.
Typická konfigurace zařízení ADSL obsahuje:
- DSLAM - DSL přístupový multiplexer;
NID je zařízení síťového rozhraní, které odděluje vlastnictví telefonní společnosti a účastníka.
Splitter (splitter) - frekvenční dělič, který odděluje pásmo POTS a data ADSL.
Linky a těsnění
Úspora zdrojů hraje v telefonním systému důležitou roli. Náklady na instalaci a údržbu vysokokapacitní páteře a nekvalitního vedení jsou téměř stejné (to znamená, že lví podíl těchto nákladů jde na kopání výkopů, spíše než na samotný měděný nebo optický kabel).Z tohoto důvodu telefonní společnosti společně vyvinuly několik schémat pro přenos více konverzací přes jediný fyzický kabel. Schémata multiplexování lze rozdělit do dvou hlavních kategorií FDM (Frequency Division Multiplexing) a TDM (Time Division Multiplexing) (obr. 13).
Díky frekvenčnímu multiplexování je frekvenční spektrum rozděleno mezi logické kanály a každý uživatel získává výhradní vlastnictví svého vlastního subpásma. Při multiplexování s časovým dělením se uživatelé střídají (cyklicky) pomocí stejného kanálu a každému je dána plná kapacita kanálu na krátkou dobu.
Kanály z optických vláken používají speciální verzi multiplexování s frekvenčním dělením. Říká se tomu spektrální multiplexování (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).
Rýže. 13. Příklad frekvenčního multiplexování: původní spektra 1 signálu (a), frekvenčně posunutá spektra (b), multiplexovaný kanál (c).
Přepínání
Z pohledu průměrného telefonního technika se telefonní systém skládá ze dvou částí: vnějšího zařízení (místní telefonní linky a svazky, mimo ústředny) a vnitřního zařízení (ústředny) umístěné na telefonní ústředně.Jakákoli komunikační síť podporuje nějaký způsob přepínání (komunikace) mezi svými účastníky. Poskytnout každé dvojici interagujících účastníků vlastní nepřepínanou fyzickou komunikační linku, kterou by po dlouhou dobu mohli výhradně „vlastnit“, je prakticky nemožné. Proto každá síť vždy používá nějakou metodu přepínání účastníků, která zajišťuje dostupnost existujících fyzických kanálů současně pro několik komunikačních relací mezi účastníky sítě.
Telefonní systémy používají dvě různé techniky: přepínání okruhů a přepojování paketů.
Přepínání okruhů
Přepínání okruhů zahrnuje vytvoření spojitého kompozitního fyzického kanálu z jednotlivých kanálových sekcí zapojených do série pro přímý přenos dat mezi uzly. V síti s přepojováním okruhů je před přenosem dat vždy nutné provést proceduru navázání spojení, při které se vytvoří kompozitní kanál (obr. 14).Přepínání paketů
Když dojde k přepínání paketů, všechny zprávy přenášené uživatelem sítě jsou ve zdrojovém uzlu rozděleny na relativně malé části nazývané pakety. Každý paket je opatřen hlavičkou, která specifikuje informace o adrese potřebné k doručení paketu do cílového uzlu, stejně jako číslo paketu, které bude použito cílovým uzlem k sestavení zprávy. Pakety jsou v síti přenášeny jako nezávislé informační bloky. Síťové přepínače přijímají pakety od koncových uzlů a na základě informací o adrese je předávají mezi sebou a nakonec do cílového uzlu (obr. 14).atd.................
Při přenosu diskrétních dat komunikačními kanály se používají dva hlavní typy fyzického kódování – založené na sinusovém nosném signálu a na posloupnosti pravoúhlých impulsů. První metoda se často nazývá modulace nebo analogová modulace, zdůrazňující skutečnost, že kódování se provádí změnou parametrů analogového signálu. Druhá metoda se obvykle nazývá digitální kódování. Tyto metody se liší šířkou spektra výsledného signálu a složitostí zařízení potřebného pro jejich realizaci.
Při použití pravoúhlých impulsů je spektrum výsledného signálu velmi široké. To není překvapivé, pokud si pamatujeme, že spektrum ideálního pulzu má nekonečnou šířku. Použití sinusové vlny má za následek spektrum mnohem menší šířky při stejné rychlosti přenosu informací. Pro implementaci sinusové modulace je však zapotřebí složitější a dražší zařízení než implementace obdélníkových impulsů.
V současné době se stále častěji data, která byla původně v analogové formě – řeč, televizní obraz – přenášejí komunikačními kanály v diskrétní formě, tedy ve formě posloupnosti jedniček a nul. Proces reprezentace analogové informace v diskrétní formě se nazývá diskrétní modulace. Termíny "modulace" a "kódování" se často používají zaměnitelně.
Na digitální kódování potenciální a pulzní kódy se používají pro diskrétní informace. V potenciálových kódech se k reprezentaci logických jedniček a nul používá pouze potenciální hodnota signálu a jeho poklesy, které tvoří úplné impulsy, se neberou v úvahu. Pulzní kódy umožňují reprezentovat binární data buď jako impulsy určité polarity, nebo jako součást impulsu - potenciální pokles v určitém směru.
Při použití pravoúhlých impulsů pro přenos diskrétní informace je nutné zvolit způsob kódování, který by současně dosáhl několika cílů: mít co nejmenší spektrální šířku výsledného signálu při stejné přenosové rychlosti; zajišťovaná synchronizace mezi vysílačem a přijímačem;
Mít schopnost rozpoznat chyby; měl nízkou prodejní cenu.
Sítě využívají tzv samosynchronizační kódy, jejichž signály nesou instrukce pro vysílač, v jakém časovém okamžiku je nutné rozpoznat další bit (nebo několik bitů, pokud je kód zaměřen na více než dva stavy signálu). Jakákoli prudká změna signálu - tzv. hrana - může sloužit jako dobrá indikace pro synchronizaci přijímače s vysílačem. Rozpoznání a oprava zkreslených dat je obtížné provést pomocí prostředků fyzické vrstvy, takže tuto práci nejčastěji provádějí protokoly, které leží výše: kanál, síť, transport nebo aplikace. Na druhou stranu rozpoznávání chyb na fyzické úrovni šetří čas, protože přijímač nečeká na úplné umístění snímku do vyrovnávací paměti, ale odmítne jej ihned po umístění. znalost chybných bitů v rámci.
Potenciální kód bez návratu na nulu, metoda potenciálního kódování, také nazývaná kódování bez návratu na nulu (Ne Vrátit se na Nula, NRZ). Příjmení odráží skutečnost, že při vysílání posloupnosti jedniček se signál během hodinového cyklu nevrátí na nulu (jak uvidíme dále, u jiných způsobů kódování v tomto případě dochází k návratu k nule). Metoda NRZ je jednoduchá na implementaci, má dobré rozpoznání chyb (díky dvěma ostře odlišným potenciálům), ale nemá vlastnost samosynchronizace. Při vysílání dlouhé sekvence jedniček nebo nul se signál na lince nemění, takže přijímač není schopen ze vstupního signálu určit časové okamžiky, kdy je potřeba data znovu přečíst. I u vysoce přesného generátoru hodin může přijímač udělat chybu s okamžikem sběru dat, protože frekvence obou generátorů nejsou nikdy zcela totožné. Proto při vysokých datových rychlostech a dlouhých sekvencích jedniček nebo nul může malý nesoulad hodin vést k chybě celého hodinového cyklu, a tudíž ke čtení nesprávné bitové hodnoty.
Metoda bipolárního kódování s alternativní inverzí. Jednou z modifikací metody NRZ je bipolární kódování s alternativní inverzí (Bipolární Střídat Označit Inverze, AMI). Tato metoda využívá tři potenciální úrovně – zápornou, nulovou a kladnou. Pro zakódování logické nuly se používá nulový potenciál a logická jednička je zakódována buď pozitivním, nebo negativním potenciálem, přičemž potenciál každé nové jednotky je opačný než potenciál předchozí jednotky. Narušení přísného střídání polarity signálu tedy indikuje falešný impuls nebo vymizení správného impulsu z vedení. Je volán signál s nesprávnou polaritou zakázaný signál (signál porušení). Kód AMI nepoužívá dvě, ale tři úrovně signálu na lince. Další vrstva vyžaduje zvýšení výkonu vysílače přibližně o 3 dB, aby byla zajištěna stejná bitová věrnost na lince, což je běžná nevýhoda kódů s více stavy signálu ve srovnání s kódy, které rozlišují pouze dva stavy.
Potenciální kód s inverzí na jedničku. Existuje kód podobný AMI, ale pouze se dvěma úrovněmi signálu. Při vysílání nuly přenáší potenciál, který byl nastaven v předchozím cyklu (tedy jej nemění) a při vysílání jedničky je potenciál invertován na opačný. Tento kód se nazývá potenciální kód s inverzí na jedné (Ne Vrátit se na Nula s jedničky Převrácený, NRZI). Tento kód je vhodný v případech, kdy je použití třetí úrovně signálu vysoce nežádoucí, například u optických kabelů, kde jsou stabilně rozpoznány dva stavy signálu - světlo a tma.
Bipolární pulzní kód Kromě potenciálních kódů se v sítích používají i pulzní kódy, kdy jsou data reprezentována plným pulzem nebo jeho částí - přední. Nejjednodušší případ tohoto přístupu je bipolární pulzní kód, ve kterém je jedna reprezentována impulsem jedné polarity a nula jinou . Každý puls trvá půl úderu. Takový kód má vynikající samosynchronizační vlastnosti, ale konstantní složka může být přítomna například při přenosu dlouhé sekvence jedniček nebo nul. Jeho spektrum je navíc širší než spektrum potenciálních kódů. Při přenosu všech nul nebo jedniček se tedy frekvence základní harmonické kódu bude rovnat NHz, což je dvakrát vyšší než základní harmonická kódu NRZ a čtyřikrát vyšší než základní harmonická kódu AMI, když vysílající střídavé jedničky a nuly. Kvůli příliš širokému spektru se bipolární pulzní kód používá jen zřídka.
Manchester kód. V lokálních sítích byl donedávna nejrozšířenějším způsobem kódování tzv Manchester kód. Používá se v technologiích Ethernet a TokenRing. Manchesterský kód používá ke kódování jedniček a nul potenciálový rozdíl, tedy hranu pulsu. U kódování Manchester je každý takt rozdělen na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními poklesy, ke kterým dochází uprostřed každého hodinového cyklu. Jednotka je zakódována hranou od nízké úrovně signálu k vysoké a nula je zakódována zpětnou hranou. Na začátku každého hodinového cyklu může dojít k poklesu režijního signálu, pokud potřebujete reprezentovat několik jedniček nebo nul v řadě. Protože se signál změní alespoň jednou za přenosový cyklus jednoho datového bitu, má Manchester kód dobré samosynchronizační vlastnosti. Šířka pásma manchesterského kódu je užší než u bipolárního pulzu. V průměru je šířka pásma manchesterského kódu jedenapůlkrát užší než u bipolárního pulzního kódu a základní harmonická kolísá kolem hodnoty 3N/4. Manchester kód má další výhodu oproti bipolárnímu pulznímu kódu. Ten používá pro přenos dat tři úrovně signálu a manchesterský dvě.
Potenciální kód 2B 1Q. Potenciální kód se čtyřmi úrovněmi signálu pro kódování dat. Toto je kód 2 V 1Q, jehož název odráží jeho podstatu - každé dva bity (2B) jsou přenášeny v jednom hodinovém cyklu signálem se čtyřmi stavy (1Q). Pár bitů 00 odpovídá potenciálu -2,5 V, pár bitů 01 odpovídá potenciálu -0,833 V, pár 11 odpovídá potenciálu +0,833 V a pár 10 odpovídá potenciálu +2,5 V. U tohoto způsobu kódování jsou nutná další opatření pro řešení dlouhých sekvencí identických bitových párů, protože v tomto případě se signál změní na konstantní složku. Při náhodném střídání bitů je spektrum signálu dvakrát užší než u kódu NRZ, protože při stejné přenosové rychlosti se doba trvání hodin zdvojnásobí. Pomocí kódu 2B 1Q tedy můžete přenášet data po stejné lince dvakrát rychleji než pomocí kódu AMI nebo NRZI. Pro jeho realizaci však musí být výkon vysílače vyšší, aby byly čtyři úrovně přijímačem jasně rozlišeny na pozadí rušení.
Logické kódování Logické kódování se používá pro vylepšení potenciálních kódů, jako je AMI, NRZI nebo 2Q.1B. Logické kódování musí nahradit dlouhé sekvence bitů, které vedou ke konstantnímu potenciálu, rozptýlenými. Jak bylo uvedeno výše, logické kódování je charakterizováno dvěma metodami -. nadbytečné kódy a kódování.
Redundantní kódy jsou založeny na rozdělení původní bitové sekvence na kousky, často nazývané symboly. Každý původní znak je pak nahrazen novým, který má více bitů než původní.
Aby byla zajištěna daná kapacita linky, musí vysílač využívající redundantní kód pracovat se zvýšenou hodinovou frekvencí. Takže pro přenos 4V/5V kódů rychlostí 100 Mb/s musí vysílač pracovat na hodinové frekvenci 125 MHz. V tomto případě se spektrum signálu na lince rozšíří oproti případu, kdy je po lince přenášen čistý, neredundantní kód. Přesto se spektrum redundantního potenciálního kódu ukazuje být užší než spektrum manchesterského kódu, což ospravedlňuje dodatečnou fázi logického kódování, stejně jako provoz přijímače a vysílače při zvýšené hodinové frekvenci.
Scrambling. Dalším způsobem logického kódování je míchání dat pomocí scrambleru před jejich předáním na linku pomocí potenciálního kódu. Scramblovací metody zahrnují bit po bitu výpočet výsledného kódu na základě bitů zdrojového kódu a bitů výsledného kódu získaných v předchozích hodinových cyklech. Například scrambler může implementovat následující vztah:
Asynchronní a synchronní přenos
Při výměně dat na fyzické vrstvě je jednotkou informace bit, takže fyzická vrstva vždy udržuje bitovou synchronizaci mezi přijímačem a vysílačem. Obvykle stačí zajistit synchronizaci na těchto dvou úrovních - bitové a rámcové - aby vysílač a přijímač mohly zajistit stabilní výměnu informací. Když je však kvalita komunikační linky špatná (obvykle se to týká telefonních vytáčených kanálů), zavádějí se další synchronizační prostředky na úrovni bajtů, aby se snížily náklady na zařízení a zvýšila se spolehlivost přenosu dat.
Tento provozní režim se nazývá asynchronní nebo začátek Konec. V asynchronním režimu je každý bajt dat doprovázen speciálními signály start a stop. Účelem těchto signálů je za prvé upozornit přijímač na příchod dat a zadruhé poskytnout přijímači dostatek času na provedení některých funkcí souvisejících se synchronizací, než dorazí další bajt. Startovací signál má trvání jednoho hodinového intervalu a stop signál může trvat jeden, jeden a půl nebo dvě hodinové periody, takže se říká, že jako stop signál se používá jeden, jeden a půl nebo dva bity. , ačkoli tyto signály nepředstavují uživatelské bity.
V režimu synchronního přenosu nejsou mezi každým párem bajtů žádné start-stop bity. závěry
Při přenosu diskrétních dat přes úzkopásmový hlasový frekvenční kanál používaný v telefonii jsou nejvhodnější metody analogové modulace, ve které je nosná sinusoida modulována původní sekvencí binárních číslic. Tuto operaci provádějí speciální zařízení - modemy.
Pro nízkorychlostní přenos dat se využívá změna frekvence nosné sinusoidy. Vysokorychlostní modemy pracují pomocí kombinovaných metod kvadraturní amplitudové modulace (QAM), která se vyznačuje 4 úrovněmi nosné sinusové amplitudy a 8 úrovněmi fáze. Pro přenos dat není použito všech možných 32 kombinací metody QAM, zakázané kombinace umožňují rozpoznat poškozená data na fyzické úrovni.
Na širokopásmových komunikačních kanálech se používají metody potenciálového a pulzního kódování, ve kterých jsou data reprezentována různými úrovněmi konstantního potenciálu signálu nebo polaritami pulzů popř. jeho přední.
Při použití potenciálních kódů se úkol synchronizace přijímače s vysílačem stává zvláště důležitým, protože při vysílání dlouhých sekvencí nul nebo jedniček se signál na vstupu přijímače nemění a pro přijímač je obtížné určit okamžik vyzvednutí dalšího datového bitu.
Nejjednodušším potenciálním kódem je nenávratový kód (NRZ), ale není samotaktující a vytváří stejnosměrnou složku.
Nejoblíbenějším pulzním kódem je kód Manchester, ve kterém je informace nesena směrem poklesu signálu uprostřed každého hodinového cyklu. Manchester kód se používá v technologiích Ethernet a TokenRing.
Pro zlepšení vlastností potenciálního kódu NRZ se používají metody logického kódování, které eliminují dlouhé sekvence nul. Tyto metody jsou založeny na:
O zavedení redundantních bitů do zdrojových dat (kódy typu 4B/5B);
Kódování zdrojových dat (kódy jako 2B 1Q).
Vylepšené potenciální kódy mají užší spektrum než pulzní kódy, proto se používají ve vysokorychlostních technologiích jako FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.