Metody přenosu diskrétních dat na fyzické úrovni. Způsoby přenosu dat na fyzické vrstvě. Veřejná komutovaná telefonní síť

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 hlasový frekvenční kanál (šířka pásma od 300 do 3400 Hz) Zařízení, které provádí modulaci a demodulaci, je 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 se používá v pomalorychlostních modemech).

n fázová modulace.

Spektrum modulovaného 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 frekvencí f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., kde f0 = N/2. Amplitudy těchto harmonických klesají pomalu - s koeficienty 1/3, 1/5, 1/7, ... amplitudy f0. Spektrum výsledného potenciálního kódového signálu při přenosu libovolných dat zaujímá pásmo od nějaké hodnoty blízké 0 do přibližně 7f0. Pro kanál hlasové frekvence je horní hranice přenosové rychlosti dosažena při datové rychlosti 971 bitů za sekundu a spodní hranice je nepřijatelná pro jakékoli rychlosti, 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 datovou rychlostí při použití dvou úrovní amplitudy . Frekvence fm určuje kapacitu linky pro danou metodu kódování. S malou modulační frekvencí bude šířka spektra signálu dokonce malá (rovná 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 hlasových kanálů.

Kvadraturní amplitudová modulace (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 kapky, které formulují úplné impulsy, se neberou v úvahu.

Pulzní kódy- reprezentují binární data buď pulzy určité polarity, nebo částí pulzu - potenciálním poklesem určitého směru.

Požadavky na metodu digitálního kódování:

Měl nejmenší šířku spektra výsledného signálu při stejné přenosové rychlosti (užší spektrum signálu umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti na stejné lince, je zde také požadavek na absenci konstantní složky, tj. přítomnost stejnosměrného proudu mezi vysílačem a přijímačem);

Zajišťoval synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem (přijímač musí přesně vědět, v jakém okamžiku má číst potřebné informace z linky, v místních systémech - časovací linky, v sítích - samosynchronizační kódy, jejichž signály nesou instrukce pro vysílač o tom, v jakém časovém okamžiku je nutné provést rozpoznání dalšího bitu);

Měl schopnost rozpoznat chyby;

Má nízké náklady na implementaci.

Potenciální kód bez návratu na nulu. NRZ (Non Return to Zero). Signál se během cyklu nevrátí na nulu.

Je snadno implementovatelný, má dobrou detekci 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. Dalším nedostatkem je přítomnost nízkofrekvenční složky, která se při vysílání dlouhých sekvencí jedniček a nul blíží nule. V čisté podobě se kód používá zřídka, 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 pozitivním potenciálem nebo záporným potenciálem, přičemž potenciál každé další jednotky je opačný než potenciál předchozí. Částečně odstraňuje problémy konstantní složky a chybějící autosynchronizace. V případě vysílání dlouhé sekvence jedniček sekvence pulsů různé polarity se stejným spektrem jako kód NRZ vysílající sekvenci střídavých pulsů, 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 zvýšení výkonu asi o 3 dB, protože se používají skutečné úrovně signálu.

Potenciální kód s inverzí na jednotce. (Non Return to Zero s invertovanými jedničkami, NRZI) Kód podobný AMI, ale se dvěma úrovněmi signálu. Při přenosu nuly se přenese potenciál předchozího cyklu a při přenosu jedničky se potenciál převrátí 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 zmenšuje se užitečná šířka pásma.

Další metodou je „smíchání“ výchozí informace 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. Jednička je reprezentována impulsem jedné polarity a nula je reprezentována jinou. Každý puls trvá půl cyklu.

Kód má vynikající vlastnosti samočasování, ale při vysílání dlouhé sekvence nul nebo jedniček může být stejnosměrná 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 kapkami vyskytujícími se uprostřed cyklu. Jednotka je zakódována přechodem z nízkého do vysokého a nula je zakódována zpětným okrajem. Na začátku každého cyklu se může objevit hrana horního signálu, pokud je třeba reprezentovat několik 1 nebo 0 v řadě. Kód má vynikající samosynchronizační vlastnosti. Šířka pásma je užší než u bipolárního pulzu, není zde žádná konstantní složka a základní harmonická má frekvenci N v nejhorším případě a N / 2 v nejlepším případě.

Potenciální kód 2B1Q. Každé dva bity jsou přenášeny v jednom 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 prokládání bitů je spektrum dvakrát užší než u NRZ, protože při stejné přenosové rychlosti se doba cyklu zdvojnásobí, to znamená, že data lze přenášet na stejné lince dvakrát rychleji než pomocí AMI, NRZI, ale je potřeba velký výkon vysílače.

Logické kódování

Navrženo pro vylepšení potenciálních kódů, jako je AMI, NRZI, 2B1Q, nahrazující dlouhé sekvence bitů vedoucí ke konstantnímu potenciálu, proloženému jedničkami. Používají se dvě metody - redundantní kódování a skramblování.

Redundantní kódy jsou založeny na rozdělení původní sekvence bitů na části, které se často nazývají znaky, po kterých je každý původní znak nahrazen novým, který má více bitů než původní.

Kód 4B/5B nahrazuje 4bitové sekvence 5bitovými sekvencemi. Potom se místo 16bitových kombinací získá 32. Z nich se vybere 16, které neobsahují velký počet nul, zbytek se považuje za zakázané kódy (narušení kódu). Kromě odstranění DC a automatické synchronizace kódu umožňují redundantní kódy přijímači rozpoznat poškozené bity. Pokud přijímač přijímá zakázané kódy, došlo ke zkreslení signálu na lince.

Tento kód je přenášen po lince pomocí fyzického kódování pomocí jedné z potenciálních metod 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 8V/6T.

Pro zajištění uvedené šířky pásma musí vysílač pracovat se zvýšenou taktovací frekvencí (pro 100 Mb/s - 125 MHz). Spektrum signálu se oproti originálu rozšiřuje, ale zůstává užší než spektrum manchesterského kódu.

Scrambler – míchání dat pomocí scrambleru před jejich přenosem z linky.

Metody skramblování spočívají ve výpočtu bit po bitu výsledného kódu na základě bitů zdrojového kódu a bitů výsledného kódu získaných v předchozích cyklech. Například,

B i \u003d A i xor B i -3 xor B i -5,

kde B i je binární číslice výsledného kódu získaného v i-tém cyklu scrambleru, A i je binární číslice zdrojového kódu, který přichází v i-tém 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 \u003d B i xor B i-3 xor B i-5,

Různé kódovací systémy se liší počtem termínů a posunem mezi nimi.

Existují jednodušší metody zacházení se sekvencemi nul nebo jedniček, které se také označují jako metody skramblování.

Ke zlepšení bipolárního AMI se používají:

B8ZS (bipolární se substitucí 8 nul) - opravuje pouze sekvence skládající se z 8 nul.

Za tímto účelem vloží po prvních třech nulách místo zbývajících pěti pět signálů V-1 * -0-V-1 *, kde V označuje jeden signál zakázaný pro daný cyklus polarity, tedy signál která nemění polaritu předchozí, 1 * - signál jednotky správné polarity a znaménko hvězdičky označuje skutečnost, že ve zdrojovém kódu v tomto cyklu nebyla jednotka, ale nula. Výsledkem je, že přijímač vidí 2 zkreslení na 8 cyklů - je velmi nepravděpodobné, že se tak stalo 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, které mají jeden signál V. Pro potlačení stejnosměrné složky se polarita signálu V postupně mění. Kromě toho se pro výměnu používají dva vzory čtyřcyklových kódů. Pokud před výměnou obsahoval zdrojový kód lichý počet jednotek, pak se použije sekvence 000V a pokud byl počet jednotek sudý, sekvence 1*00V.

Vylepšené kandidátní kódy mají poměrně úzkou šířku pásma pro jakékoli sekvence nul a jedniček, které se vyskytují v přenášených datech.

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 je často také tzv modulace nebo analogová modulace, s důrazem na skutečnost, že kódování se provádí změnou parametrů analogového signálu. Druhý způsob 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 uvědomíme, že spektrum ideální hybnosti má nekonečnou šířku. Použití sinusoidy má za následek mnohem menší spektrum při stejné informační rychlosti. Implementace sinusové modulace však vyžaduje složitější a nákladnější zařízení než implementace pravoúhlých impulsů.

V současnosti se stále častěji data, která mají zpočátku analogovou formu - řeč, televizní obraz - přenášejí komunikačními kanály v diskrétní podobě, 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.

2.2.1. Analogová modulace

Analogová modulace se používá k přenosu diskrétních dat přes kanály s úzkou šířkou pásma, typické pro tónový frekvenční kanál, zpřístupněny uživatelům veřejných telefonních sítí. Typická frekvenční odezva hlasového frekvenčního kanálu je znázorněna na Obr. 2.12. Tento kanál přenáší frekvence v rozsahu od 300 do 3400 Hz, takže jeho šířka pásma je 3100 Hz. Přestože má lidský hlas mnohem širší spektrum, od cca 100 Hz do 10 kHz, pro přijatelnou kvalitu řeči je rozsah 3100 Hz dobrým řešením. Přísné omezení šířky pásma tónového kanálu je spojeno s použitím zařízení pro multiplexování a přepínání okruhů v telefonních sítích.

2.2. Metody diskrétního přenosu dat na fyzické vrstvě 133

Zařízení, které plní funkce modulace nosné sinusoidy na vysílací straně a demodulace na přijímací straně, se nazývá modem(modulátor-demodulátor).

Analogové modulační metody

Analogová modulace je metoda fyzického kódování, ve které jsou informace kódovány změnou amplitudy, frekvence nebo fáze sinusového nosného signálu. Hlavní způsoby analogové modulace jsou znázorněny na Obr. 2.13. Na diagramu (obr. 2.13, A) je ukázána sekvence bitů původní informace, reprezentovaná potenciály vysoké úrovně pro logickou jedničku a potenciálem nulové úrovně pro logickou nulu. Tato metoda kódování se nazývá potenciální kód, který se často používá při přenosu dat mezi počítačovými bloky.

Na amplitudové modulace(obr. 2.13, 6) pro logickou jedničku se volí jedna úroveň amplitudy sinusoidy nosné frekvence a pro logickou nulu jiná. Tato metoda se ve své čisté podobě v praxi používá jen zřídka kvůli nízké odolnosti proti šumu, ale často se používá v kombinaci s jiným typem modulace - fázovou modulací.

Na frekvenční modulace(obr. 2.13, c) hodnoty 0 a 1 počátečních dat jsou přenášeny sinusoidami s různými frekvencemi - fo a fi. Tento způsob modulace nevyžaduje složité obvody v modemech a obvykle se používá v nízkorychlostních modemech pracujících při 300 nebo 1200 bps.

Na fázová modulace(obr. 2.13, d) datové hodnoty 0 a 1 odpovídají signálům stejné frekvence, ale s jinou fází, například 0 a 180 stupňů nebo 0,90, 180 a 270 stupňů.

U vysokorychlostních modemů se často používají kombinované způsoby modulace, zpravidla amplituda v kombinaci s fází.

Kapitola 2. Základy diskrétní datové komunikace

Spektrum modulovaného signálu

Spektrum výsledného modulovaného signálu závisí na typu modulace a modulační rychlosti, tedy požadované bitové rychlosti původní informace.

Uvažujme nejprve spektrum signálu s potenciálovým kódováním. Nechť je logická jednotka zakódována kladným potenciálem a logická nula záporným potenciálem stejné velikosti. Pro zjednodušení výpočtů předpokládáme, že se přenáší informace skládající se z nekonečné sekvence střídajících se jedniček a nul, jak je znázorněno na obr. 2.13, A. Všimněte si, že v tomto případě jsou hodnoty baud a bitů za sekundu stejné.

Pro potenciální kódování je spektrum přímo získáno z Fourierových vzorců pro periodickou funkci. Pokud jsou diskrétní data přenášena bitovou rychlostí N bit/s, pak se spektrum skládá z konstantní složky nulové frekvence a nekonečné řady harmonických s frekvencemi fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., kde fo = N/ 2. Amplitudy těchto harmonických klesají spíše pomalu - s koeficienty 1/3, 1/5,1/7,... harmonické amplitudy fo (obr. 2.14, A). V důsledku toho potenciální kódové spektrum vyžaduje širokou šířku pásma pro vysoce kvalitní přenos. Navíc je třeba vzít v úvahu, že ve skutečnosti se spektrum signálu neustále mění v závislosti na tom, jaká data jsou po komunikační lince přenášena. Například přenos dlouhé sekvence nul nebo jedniček posouvá spektrum směrem k nízkým frekvencím a v extrémním případě, kdy se přenášená data skládají pouze z jedniček (nebo pouze nul), je spektrum tvořeno harmonickou nulovou frekvencí. Při vysílání střídavých jedniček a nul není stejnosměrná složka. Spektrum výsledného potenciálního kódového signálu při přenosu libovolných dat tedy zaujímá pásmo od nějaké hodnoty blízké 0 Hz do cca 7fo (harmonické s frekvencemi nad 7fo lze zanedbat kvůli jejich malému příspěvku k výslednému signálu). Pro kanál hlasové frekvence je horní hranice pro potenciální kódování dosažena pro datovou rychlost 971 bps a spodní hranice je nepřijatelná pro jakékoli rychlosti, protože šířka pásma kanálu začíná na 300 Hz. Výsledkem je, že potenciální kódy na hlasových frekvenčních kanálech nejsou nikdy použity.

2.2. Metody diskrétního přenosu dat na fyzické vrstvě 135

Při amplitudové modulaci se spektrum skládá ze sinusoidy nosné frekvence f c a dvou bočních harmonických: (f c + f m) a (f c - f m), kde f m je frekvence změny informačního parametru sinusoidy, která se shoduje s rychlost přenosu dat při použití dvou úrovní amplitudy (obr. 2.14, 6). Frekvence f m určuje kapacitu linky pro danou metodu kódování. S malou modulační frekvencí bude šířka spektra signálu také malá (rovná se 2fm), takže signály nebudou zkresleny linkou, pokud je její šířka pásma větší nebo rovna 2fm. Pro hlasový frekvenční kanál je tento způsob modulace přijatelný při datové rychlosti nepřesahující 3100/2=1550 bps. Pokud se k reprezentaci dat použijí 4 úrovně amplitudy, pak se kapacita kanálu zvýší na 3100 bps.

Při fázové a frekvenční modulaci je spektrum signálu složitější než u amplitudové modulace, neboť zde vznikají více než dvě postranní harmonické, ale také jsou umístěny symetricky vůči hlavnímu nosnému kmitočtu a jejich amplitudy rychle klesají. Proto jsou tyto modulace také vhodné pro přenos dat přes hlasový frekvenční kanál.

Pro zvýšení datové rychlosti se používají kombinované modulační metody. Nejběžnější metody jsou kvadraturní amplitudová modulace (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Tyto metody jsou založeny na kombinaci fázové modulace s 8 hodnotami fázového posunu a amplitudové modulace se 4 úrovněmi amplitudy. Není však použito všech možných 32 kombinací signálů. Například v kódech Trellis pouze 6, 7 nebo 8 kombinací může reprezentovat původní data a zbývající kombinace jsou zakázány. Taková redundance kódování je vyžadována, aby modem rozpoznal chybné signály vyplývající ze zkreslení v důsledku rušení, které je na telefonních kanálech, zejména přepínaných, velmi významné z hlediska amplitudy a dlouhého času.

2.2.2. Digitální kódování

Při digitálním kódování diskrétních informací se používají potenciální a impulsní kódy.

V potenciálových kódech se k reprezentaci logických jedniček a nul používá pouze hodnota potenciálu signálu a jeho poklesy, které tvoří úplné impulsy, se neberou v úvahu. Pulzní kódy umožňují reprezentovat binární data buď pulzy určité polarity, nebo částí pulzu - potenciálním poklesem určitého směru.

Požadavky na metody digitálního kódování

Při použití obdélníkových impulsů pro přenos diskrétních informací je nutné zvolit způsob kódování, který by současně dosáhl několika cílů:

Měl při stejné přenosové rychlosti nejmenší šířku spektra výsledného signálu;

Zajištěná synchronizace mezi vysílačem a přijímačem;

Měl schopnost rozpoznat chyby;

Má nízké náklady na implementaci.

136 Kapitola 2 Základy diskrétního přenosu dat

Užší spektrum signálů umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti dat na stejné lince (se stejnou šířkou pásma). Navíc spektrum signálu často vyžaduje nepřítomnost konstantní složky, tedy přítomnost stejnosměrného proudu mezi vysílačem a přijímačem. Zejména použití různých transformátorových obvodů galvanická izolace zabraňuje toku stejnosměrného proudu.

Je potřeba synchronizace vysílače a přijímače, 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 těsně umístěnými zařízeními, například mezi jednotkami v počítači nebo mezi počítačem a tiskárnou. Na krátké vzdálenosti dobře funguje obvod založený na samostatné taktovací komunikační lince (obr. 2.15), takže informace je z datové linky odstraněna až v okamžiku příchodu hodinového impulsu. V sítích způsobuje použití tohoto schématu potíže kvůli heterogenitě charakteristik vodičů v kabelech. Na velké vzdálenosti může zvlnění rychlosti signálu způsobit, že hodiny přijdou tak pozdě nebo příliš brzy pro odpovídající datový signál, že je datový bit přeskočen nebo znovu načten. Dalším důvodem, proč sítě odmítají používat hodinové impulsy, je úspora vodičů v drahých kabelech.

Proto sítě využívají tzv samosynchronizační kódy, jejichž signály nesou pro vysílač indikaci, v jakém časovém okamžiku je nutné rozpoznat další bit (nebo několik bitů, pokud je kód orientován na více než dva stavy signálu). Jakákoli ostrá hrana v signálu - tzv. přední - může být dobrou indikací 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 objeví vstupní kód.

Rozpoznání a oprava zkreslených dat je obtížné implementovat pomocí fyzické vrstvy, proto tuto práci nejčastěji provádějí protokoly, které leží výše: kanál, síť, transport nebo aplikace. Na druhé straně rozpoznávání chyb na fyzické vrstvě šetří čas, protože přijímač nečeká na úplné uložení rámce do vyrovnávací paměti, ale odmítne jej okamžitě, když jsou v rámci rozpoznány chybné bity.

Požadavky na metody kódování jsou vzájemně protichůdné, takže každá z níže diskutovaných populárních metod digitálního kódování má své výhody a nevýhody ve srovnání s ostatními.

______________________________2.2. Diskrétní metody přenosu dat na fyzické vrstvě _______137

Potenciální kód bez návratu na nulu

Na Obr. 2.16 a ukazuje výše zmíněnou metodu potenciálního kódování, nazývanou také kódování bez návratu na nulu (Non Return to Zero, NRZ). Příjmení odráží skutečnost, že při vysílání posloupnosti jedniček se signál během cyklu nevrátí na nulu (jak uvidíme dále, u jiných způsobů kódování dochází v tomto případě k návratu k nule). Metoda NRZ je snadno implementovatelná, 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 časy, kdy je potřeba data znovu přečíst. I s vysoce přesným generátorem hodin se může přijímač mýlit s okamžikem pořízení dat, protože frekvence obou generátorů nejsou nikdy zcela totožné. Proto při vysokých přenosových rychlostech a dlouhých sekvencích jedniček nebo nul může malý nesoulad hodinových frekvencí vést k chybě v celém cyklu a v důsledku toho ke čtení nesprávné bitové hodnoty.

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 kanálů neposkytuje

138 Kapitola 2 Základy diskrétní komunikace

ty s přímým galvanickým spojením mezi přijímačem a zdrojem tento typ kódování nepodporují. V důsledku toho se kód NRZ ve své čisté podobě v sítích nepoužívá. Přesto se používají jeho různé modifikace, u kterých odpadá jak špatná autosynchronizace kódu NRZ, tak přítomnost konstantní složky. Atraktivitou kódu NRZ, kvůli které se vyplatí jej vylepšit, je poměrně nízká základní frekvence fo, která se rovná N/2 Hz, jak bylo ukázáno v předchozí části. Jiné metody kódování, jako je Manchester, mají vyšší základní frekvenci.

Metoda bipolárního kódování s alternativní inverzí

Jednou z modifikací metody NRZ je metoda bipolární kódování s alternativní inverzí (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). V této metodě (obr. 2.16, 6) používají se tři úrovně potenciálu – záporná, nulová a kladná. Pro kódování logické nuly se používá nulový potenciál a logická jednotka je kódována buď pozitivním potenciálem nebo záporným potenciálem, přičemž potenciál každé nové jednotky je opačný než potenciál předchozí.

Kód AMI částečně eliminuje DC a nedostatek problémů se samočasováním, které jsou vlastní kódu NRZ. K tomu dochází při odesílání dlouhých sekvencí jedniček. V těchto případech je signál na lince sled bipolárních impulsů se stejným spektrem jako kód NRZ vysílající střídavé nuly a jedničky, tedy bez konstantní složky a se základní harmonickou N/2 Hz (kde N je datová přenosová rychlost). Dlouhé sekvence nul jsou také nebezpečné pro kód AMI, stejně jako pro kód NRZ - signál degeneruje do konstantního potenciálu nulové amplitudy. Kód AMI proto potřebuje další vylepšení, i když je tento úkol zjednodušen - zbývá se vypořádat pouze se sekvencemi nul.

Obecně platí, že pro různé kombinace bitů na lince vede použití kódu AMI k užšímu spektru signálu než u kódu NRZ, a tedy k vyšší propustnosti linky. Například při vysílání střídavých jedniček a nul má základní harmonická fo frekvenci N/4 Hz. Kód AMI také poskytuje některé funkce pro rozpoznání chybných signálů. Porušení přísného střídání polarity signálů tedy indikuje falešný impuls nebo vymizení správného impulsu z vedení. Je volán signál s nesprávnou polaritou zakázaný signál (narušení signálu).

Kód AMI nepoužívá dvě, ale tři úrovně signálu na řádek. Další vrstva vyžaduje zvýšení výkonu vysílače asi o 3 dB, aby byla zajištěna stejná bitová věrnost na lince, což je obecná nevýhoda kódů s více stavy signálu ve srovnání s kódy, které rozlišují pouze dva stavy.

Potenciální kód s inverzí na jednotce

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 obrácený na opačný. Tento kód se nazývá potenciální kód s inverzí na jednotce

2.2. Diskrétní metody přenosu dat na fyzické vrstvě 139

(Bez návratu na nulu s obrácenými jedničkami, NRZI). Tento kód je užitečný v případech, kdy je použití třetí úrovně signálu vysoce nežádoucí, například u optických kabelů, kde jsou spolehlivě rozpoznány dva stavy signálu - světlý a tmavý. Ke zlepšení potenciálních kódů se používají dvě metody, jako je AMI a NRZI. První metoda je založena na přidávání redundantních bitů obsahujících logické jedničky do zdrojového kódu. Je zřejmé, že v tomto případě jsou dlouhé sekvence nul přerušeny a kód se automaticky synchronizuje pro všechna přenášená data. Zmizí také konstantní složka, což znamená, že spektrum signálu se ještě více zúží. Tato metoda však snižuje užitečnou šířku pásma linky, protože nejsou přenášeny nadbytečné jednotky uživatelských informací. Jiná metoda je založena na předběžném „promíchání“ výchozí informace tak, aby se pravděpodobnost výskytu jedniček a nul na řádku přiblížila. Jsou volána zařízení nebo bloky, které provádějí tuto operaci scramblery(rvačka - skládka, neuspořádaná montáž). Při skramblování se používá známý algoritmus, takže přijímač, který přijal binární data, je přenese do dekódovač, který obnoví původní bitovou sekvenci. Přebytečné bity se po lince nepřenášejí. Obě metody se týkají spíše logického než fyzického kódování, protože neurčují tvar signálů na lince. Podrobněji jsou studovány v další části.

Bipolární pulzní kód

Kromě potenciálních kódů využívají sítě také pulzní kódy, kdy jsou data reprezentována plným pulzem nebo jeho částí - frontou. Nejjednodušší případ tohoto přístupu je bipolární pulzní kód, ve kterém je jednotka reprezentována impulsem jedné polarity a nula je druhá (obr. 2.16, PROTI). Každý puls trvá půl cyklu. Takový kód má vynikající vlastnosti automatického taktování, ale stejnosměrná složka může být přítomna například při vysílání dlouhé sekvence jedniček nebo nul. Jeho spektrum je navíc širší než spektrum potenciálních kódů. Takže při přenosu všech nul nebo jedniček bude frekvence základní harmonické kódu rovna 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. Vzhledem k příliš širokému spektru se bipolární pulzní kód používá jen zřídka.

Manchester kód

V lokálních sítích byl donedávna nejrozšířenějším způsobem kódování tzv Manchester kód(Obr. 2.16, d). Používá se v technologiích Ethernet a Token Ring.

V manchesterském kódu se ke kódování jedniček a nul používá potenciálový pokles, tedy přední část pulsu. V kódování Manchester jsou každé hodiny rozděleny na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními kapkami, ke kterým dochází uprostřed každého cyklu. Jednotka je zakódována přechodem z nízkého do vysokého a nula je zakódována zpětným okrajem. Na začátku každého cyklu se může objevit hrana servisního 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 dobrý

140 Kapitola 2 Základy diskrétní komunikace _____________________________________________

samosynchronizační vlastnosti. Šířka pásma manchesterského kódu je užší než u bipolárního pulzu. Také nemá konstantní složku a základní harmonická má v nejhorším případě (při vysílání posloupnosti jedniček nebo nul) frekvenci N Hz a v lepším případě (při vysílání střídavých jedniček a nul) je rovna na N / 2 Hz, jako v kódech AMI nebo NRZ. V průměru je šířka pásma manchesterského kódu jedenapůlkrát užší než u bipolárního pulzního kódu a základní harmonická osciluje kolem 3N/4. Manchester kód má další výhodu oproti bipolárnímu pulznímu kódu. Ten používá pro přenos dat tři úrovně signálu, zatímco Manchester používá dvě.

Potenciální kód 2B1Q

Na Obr. 2.16 d ukazuje potenciální kód se čtyřmi úrovněmi signálu pro kódování dat. Toto je kód 2B1Q jehož název odráží jeho podstatu - každé dva bity (2B) jsou v jednom cyklu přenášeny signálem, který má čtyři stavy (1Q). Bit 00 je -2,5 V, bit 01 je -0,833 V, AND je +0,833 V a 10 je +2,5 V. sekvence identických párů bitů, protože v tomto případě je signál převeden na konstantní složku. Při náhodném prokládání bitů je spektrum signálu dvakrát užší než u kódu NRZ, protože při stejné bitové rychlosti se doba trvání hodin zdvojnásobí. Pomocí kódu 2B1Q 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.

2.2.3. Logické kódování

Logické kódování se používá ke zlepšení potenciálních kódů typu AMI, NRZI nebo 2Q1B. Logické kódování by mělo nahradit dlouhé sekvence bitů vedoucí ke konstantnímu potenciálu rozptýlenými. Jak bylo uvedeno výše, pro logické kódování jsou charakteristické dvě metody – redundantní kódy a skramblování.

Redundantní kódy

Redundantní kódy jsou založeny na rozdělení původní sekvence bitů na části, které se často nazývají znaky. Poté je každý původní znak nahrazen novým, který má více bitů než původní. Například 4V/5V logický kód používaný v technologiích FDDI a Fast Ethernet nahrazuje původní 4bitové symboly 5bitovými symboly. Protože výsledné symboly obsahují redundantní bity, celkový počet bitových kombinací v nich je větší než v původních. Takže v kódu 4B / 5B mohou výsledné symboly obsahovat 32 bitových kombinací, zatímco původní symboly - pouze 16. Proto ve výsledném kódu můžete vybrat 16 takových kombinací, které neobsahují velké množství nul a spočítat zbytek zakázané kódy (porušení kódu). Kromě odstranění stejnosměrné složky a poskytnutí vlastnosti kódu samosynchronizace umožňují redundantní kódy

2.2. Diskrétní metody přenosu dat na fyzické vrstvě 141

přijímač rozpoznat zkomolené bity. Pokud přijímač obdrží zakázaný kód, znamená to, že signál byl na lince zkreslený.

Korespondence zdrojových a výsledných kódů 4V/5V je uvedena níže.

Kód 4B/5B je pak přenášen po lince pomocí fyzického kódování pomocí jedné z potenciálních metod kódování, která je citlivá pouze na dlouhé sekvence nul. Kódové symboly 4V/5V o délce 5 bitů zaručují, že se na lince nemohou vyskytnout více než tři nuly za sebou pro jakoukoli jejich kombinaci.

Písmeno B v kódovém názvu znamená, že elementární signál má 2 stavy – z angličtiny binární – binární. Existují také kódy se třemi stavy signálu, například v kódu 8B / 6T se pro zakódování 8 bitů počáteční informace používá kód 6 signálů, z nichž každý má tři stavy. Redundance kódu 8B/6T je vyšší než u kódu 4B/5B, protože na 256 zdrojových kódů připadá 3 6 = 729 výsledných symbolů.

Použití vyhledávací tabulky je velmi jednoduchá operace, takže tento přístup nekomplikuje síťové adaptéry a bloky rozhraní přepínačů a směrovačů.

Pro zajištění dané kapacity 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 je spektrum signálu na lince rozšířeno ve srovnání s případem, 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 vložením do řádku s upřímným kódem.

Metody skramblování spočívají ve výpočtu výsledného kódu bit po bitu na základě bitů zdrojového kódu a bitů výsledného kódu přijatých v předchozích cyklech. Scrambler může například implementovat následující vztah:

Bi - Ai 8 Bi-s f Bi. 5,

kde bi je binární číslice výsledného kódu přijatého v i-tém cyklu scrambleru, ai je binární číslice zdrojového kódu přijatého v i-tém cyklu scrambleru.

142 Kapitola 2 Základy diskrétního přenosu dat

vstup scrambleru, В^з a Bt .5 - binární číslice výsledného kódu získaného v předchozích cyklech scrambleru, respektive o 3 a 5 cyklů dříve než aktuální cyklus, 0 - operace XOR (sčítání modulo 2).

Například pro zdrojovou sekvenci 110110000001 poskytne scrambler následující výsledný kód:

bi = ai - 1 (první tři číslice výsledného kódu budou stejné jako původní, protože ještě nejsou nutné žádné předchozí číslice)

Výstupem scrambleru tedy bude sekvence 110001101111, která neobsahuje sekvenci šesti nul, která byla přítomna ve zdrojovém kódu.

Po obdržení výsledné sekvence ji přijímač předá descrambleru, který rekonstruuje původní sekvenci na základě inverzního vztahu:

Různé kódovací algoritmy se liší počtem členů, které dávají číslici výsledného kódu, a posunem mezi členy. Takže v sítích ISDN se při přenosu dat ze sítě k účastníkovi používá transformace s posuny o 5 a 23 pozic a při přenosu dat od účastníka do sítě s posuny o 18 a 23 pozic.

Existují také jednodušší metody zacházení se sekvencemi jedniček, také klasifikované jako scrambling.

Pro vylepšení bipolárního AMI kódu se používají dvě metody založené na umělém zkreslení sekvence nul zakázanými znaky.

Na Obr. Obrázek 2.17 ukazuje použití metody B8ZS (bipolární s 8-nulovou substitucí) a metody HDB3 (high-Density bipolar 3-nuly) pro opravu kódu AMI. Zdrojový kód se skládá ze dvou dlouhých sekvencí nul: v prvním případě - od 8 a ve druhém - od 5.

Kód B8ZS opravuje pouze sekvence skládající se z 8 nul. K tomu vloží za první tři nuly místo zbývajících pěti nul pět číslic: V-1*-0-V-1*. V zde označuje signál jedna, zakázaný pro daný cyklus polarity, tedy signál, který nemění polaritu předchozího, 1* je signál jednotky správné polarity a hvězdička označuje, že

2.2. Diskrétní metody přenosu dat na fyzické vrstvě 143

skutečnost, že ve zdrojovém kódu v tomto cyklu nebyla jednotka, ale nula. Výsledkem je, že přijímač vidí 2 zkreslení za 8 hodinových cyklů - je velmi nepravděpodobné, že by se tak stalo kvůli šumu na lince nebo jiným poruchám přenosu. Přijímač proto považuje taková porušení za kódování 8 po sobě jdoucích nul a po příjmu je nahradí původními 8 nulami. Kód B8ZS je konstruován tak, že jeho konstantní složka je nulová pro jakoukoli sekvenci binárních číslic.

Kód HDB3 opravuje jakékoli čtyři po sobě jdoucí nuly v původní sekvenci. Pravidla pro generování kódu HDB3 jsou složitější než kód B8ZS. Každé čtyři nuly jsou nahrazeny čtyřmi signály, které mají jeden signál V. Pro potlačení stejnosměrné složky se polarita signálu V postupně mění. Kromě toho se pro výměnu používají dva vzory čtyřcyklových kódů. Pokud původní kód obsahoval před nahrazením lichý počet 1s, pak se použije sekvence OOOV a pokud byl počet 1s sudý, použije se sekvence 1*OOV.

Vylepšené kandidátní kódy mají poměrně úzkou šířku pásma pro jakékoli sekvence 1s a 0s, které se vyskytují v přenášených datech. Na Obr. 2.18 ukazuje spektra signálů různých kódů získaných přenosem libovolných dat, u kterých jsou stejně pravděpodobné různé kombinace nul a jedniček ve zdrojovém kódu. Při konstrukci grafů bylo spektrum zprůměrováno přes všechny možné sady počátečních sekvencí. Výsledné kódy mohou mít přirozeně jiné rozložení nul a jedniček. Z Obr. 2.18 ukazuje, že potenciální kód NRZ má dobré spektrum s jednou nevýhodou - má konstantní složku. Kódy získané z potenciálu logickým kódováním mají užší spektrum než manchesterský i při zvýšené taktovací frekvenci (na obrázku by se spektrum kódu 4V / 5V mělo přibližně shodovat s kódem B8ZS, ale je posunuté

144 Glovo2 Základy diskrétního přenosu dat

do oblasti vyšších frekvencí, protože jeho hodinová frekvence je ve srovnání s jinými kódy zvýšena o 1/4). To vysvětluje použití potenciálních redundantních a zakódovaných kódů v moderních technologiích, jako je FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN atd. namísto Manchesterského a bipolárního pulzního kódování.

2.2.4. Diskrétní modulace analogových signálů

Jedním z hlavních trendů ve vývoji síťových technologií je přenos diskrétních i analogových dat ve stejné síti. Diskrétní zdroje dat jsou počítače a další výpočetní zařízení a analogové zdroje dat jsou zařízení, jako jsou telefony, videokamery, zvuková a video zařízení. V raných fázích řešení tohoto problému v teritoriálních sítích byly všechny typy dat přenášeny v analogové formě, zatímco počítačová data, diskrétní povahy, byla převáděna do analogové formy pomocí modemů.

S vývojem technologie příjmu a přenosu analogových dat se však ukázalo, že jejich přenos v analogové formě nezlepší kvalitu dat přijímaných na druhém konci linky, pokud jsou během přenosu výrazně zkresleny. Samotný analogový signál nedává žádnou informaci o tom, že došlo ke zkreslení nebo jak jej opravit, protože průběh může být jakýkoli, včetně toho, který byl zaznamenán přijímačem. Zlepšení kvality tratí, zejména těch územních, vyžaduje obrovské úsilí a investice. Proto byla analogová technologie pro záznam a přenos zvuku a obrazu nahrazena digitální technologií. Tato technika využívá tzv. diskrétní modulaci původních časově spojitých analogových procesů.

Metody diskrétní modulace jsou založeny na diskretizaci spojitých procesů jak v amplitudě, tak v čase (obr. 2.19). Zvažte principy jiskrové modulace pomocí příkladu pulzní kódová modulace, PCM (Pulse Amplitude Modulation, PAM), který je široce používán v digitální telefonii.

Amplituda původní spojité funkce se měří s danou periodou – díky tomu dochází k časové diskretizaci. Každé měření je pak reprezentováno jako binární číslo určité kapacity, což znamená diskretizaci funkčními hodnotami - spojitá sada možných hodnot amplitudy je nahrazena diskrétní sadou jejích hodnot. Zařízení, které tuto funkci vykonává, se nazývá analogově-digitální převodník (ADC). Poté jsou měření přenášena komunikačními kanály ve formě sekvence jedniček a nul. V tomto případě se používají stejné způsoby kódování jako v případě přenosu původně diskrétní informace, to znamená například způsoby založené na kódu B8ZS nebo 2B1Q.

Na přijímací straně linky se kódy převedou do původní bitové sekvence a zavolá se speciální zařízení digitálně-analogový převodník (DAC), provádí demodulaci digitalizovaných amplitud spojitého signálu, čímž obnovuje původní spojitou funkci času.

Diskrétní modulace je založena na teorie mapování Nyquist-Kotelnikov. Podle této teorie může být analogová spojitá funkce přenášená jako sekvence jejích časově diskrétních hodnot přesně rekonstruována, pokud vzorkovací frekvence byla dvakrát nebo vícekrát vyšší než frekvence nejvyšší harmonické spektra původní funkce.

Pokud tato podmínka není splněna, pak se obnovená funkce bude výrazně lišit od té původní.

Výhodou digitálních metod pro záznam, reprodukci a přenos analogových informací je schopnost řídit spolehlivost dat čtených z nosiče nebo přijímaných přes komunikační linku. K tomu můžete použít stejné metody, které se používají pro počítačová data (a jsou podrobněji popsány níže), - výpočet kontrolního součtu, opětovné vysílání poškozených snímků, použití samoopravných kódů.

Pro kvalitní přenos hlasu v metodě PCM se používá kvantizační frekvence amplitudy zvukových vibrací 8000 Hz. To je způsobeno tím, že v analogové telefonii byl pro přenos hlasu zvolen rozsah od 300 do 3400 Hz, který přenáší všechny hlavní harmonické účastníky v dostatečné kvalitě. Podle Nyquist-Koteltkovův teorém pro kvalitní přenos hlasu

146 Kapitola 2 Základy diskrétní komunikace

stačí zvolit vzorkovací frekvenci, která je dvojnásobkem nejvyšší harmonické spojitého signálu, tj. 2 x 3400 = 6800 Hz. Skutečně zvolená vzorkovací frekvence 8000 Hz poskytuje určitou hranici kvality. Metoda PCM obvykle používá 7 nebo 8 kódových bitů k reprezentaci amplitudy jednoho vzorku. V souladu s tím to dává 127 nebo 256 gradací zvukového signálu, což je zcela dostačující pro vysoce kvalitní přenos hlasu. Při použití metody PCM je pro přenos jednoho hlasového kanálu vyžadována šířka pásma 56 nebo 64 Kbps v závislosti na tom, kolik bitů je reprezentován každý vzorek. Pokud se k tomuto účelu použije

7 bitů, pak s přenosovou frekvencí měření 8000 Hz dostaneme:

8000 x 7 = 56000 bps nebo 56 kbps; a pro případ 8 bitů:

8000 x 8 - 64000 bps nebo 64 kbps.

Standardem je digitální kanál 64 kb/s, nazývaný také základní kanál digitálních telefonních sítí.

Přenos spojitého signálu v diskrétní formě vyžaduje, aby sítě striktně dodržovaly časový interval 125 μs (odpovídající vzorkovací frekvenci 8000 Hz) mezi sousedními měřeními, to znamená, že vyžaduje synchronní přenos dat mezi uzly sítě. Pokud není dodržena synchronizace příchozích měření, původní signál není správně obnoven, což vede ke zkreslení hlasu, obrazu nebo jiných multimediálních informací přenášených digitálními sítěmi. Například zkreslení časování 10 ms může vést k efektu „echo“ a posuny mezi vzorky o 200 ms vedou ke ztrátě rozpoznávání mluvených slov. Přitom ztráta jednoho měření při zachování synchronismu mezi zbývajícími měřeními nemá na reprodukovaný zvuk prakticky žádný vliv. To se děje díky vyhlazovacím zařízením v digitálně-analogových převodnících, které jsou založeny na vlastnosti setrvačnosti jakéhokoli fyzického signálu - amplituda zvukových vibrací se nemůže okamžitě změnit o velké množství.

Kvalita signálu za DAC je ovlivněna nejen synchronismem měření přijímaných na jeho vstupu, ale také diskretizační chybou amplitud těchto měření.

8 Nyquist-Kotelnikovovy věty se předpokládá, že amplitudy funkce jsou měřeny přesně, zároveň použití binárních čísel s omezenou délkou slova pro jejich uložení tyto amplitudy poněkud zkresluje. V souladu s tím je obnovený spojitý signál zkreslený, což se nazývá vzorkovací šum (v amplitudě).

Existují další metody diskrétní modulace, které umožňují reprezentovat měření hlasu v kompaktnější podobě, například jako sekvenci 4bitových nebo 2bitových čísel. Jeden hlasový kanál zároveň vyžaduje menší šířku pásma, například 32 Kbps, 16 Kbps nebo ještě méně. Od roku 1985 se používá standard kódování hlasu CCITT s názvem Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Kódy ADPCM jsou založeny na hledání rozdílů mezi po sobě jdoucími vzorky hlasu, které jsou pak přenášeny po síti. Kód ADPCM používá 4 bity k uložení jednoho rozdílu a hlas je přenášen rychlostí 32 Kbps. Modernější metoda, Linear Predictive Coding (LPC), činí vzorkování původní funkce méně časté, ale používá metody k předpovídání směru změny amplitudy signálu. Pomocí této metody můžete snížit hlasovou rychlost na 9600 bps.

2.2. Metody diskrétního přenosu dat na fyzické vrstvě 147

Digitálně prezentovaná spojitá data lze snadno přenášet prostřednictvím počítačové sítě. K tomu stačí umístit několik vzorků do rámečku nějaké standardní síťové technologie, rám dodat správnou cílovou adresou a odeslat adresátovi. Příjemce musí vyjmout měření z rámce a odeslat je s kvantizační frekvencí (pro hlas - na frekvenci 8000 Hz) do digitálně-analogového převodníku. Jakmile přijdou další snímky s měřením hlasu, operace by se měla opakovat. Pokud snímky přicházejí dostatečně synchronně, může být kvalita hlasu poměrně vysoká. Jak však již víme, rámce v počítačových sítích mohou být zpožděny jak v koncových uzlech (při čekání na přístup ke sdílenému médiu), tak v mezilehlých komunikačních zařízeních – mostech, přepínačích a směrovačích. Proto je kvalita hlasu při přenosu v digitální podobě po počítačových sítích obvykle nízká. Pro kvalitní přenos digitalizovaných spojitých signálů - hlasu, obrazu - se dnes používají speciální digitální sítě, jako jsou ISDN, ATM, digitální televizní sítě. Nicméně pro přenos vnitropodnikových telefonních hovorů jsou nyní typické sítě pro přenos rámců, jejichž zpoždění přenosu rámců jsou v přijatelných mezích.

2.2.5. Asynchronní a synchronní přenos

Když se data vyměňují na fyzické vrstvě, jednotkou informace je bit, takže prostředky fyzické vrstvy vždy udržují bit po bitu synchronizaci mezi přijímačem a vysílačem.

Spojová vrstva pracuje na datových rámcích a zajišťuje synchronizaci mezi přijímačem a vysílačem na úrovni rámců. Je odpovědností přijímače rozpoznat začátek prvního bajtu rámce, rozpoznat hranice polí rámce a rozpoznat konec příznaku rámce.

Obvykle stačí zajistit synchronizaci na těchto dvou úrovních – bitové a rámcové – aby vysílač a přijímač mohly zajistit stabilní výměnu informací. Pokud je však kvalita komunikační linky špatná (to se obvykle týká komutovaných telefonních kanálů), zavádějí se další prostředky synchronizace na úrovni bajtů, aby se snížily náklady na zařízení a zvýšila spolehlivost přenosu dat.

Tento provozní režim se nazývá asynchronní nebo začátek Konec. Dalším důvodem pro použití tohoto režimu provozu je přítomnost zařízení, která generují datové bajty v náhodných časech. Takto funguje klávesnice displeje nebo jiného koncového zařízení, ze kterého člověk zadává data pro zpracování počítačem.

V asynchronním režimu je každý bajt dat doprovázen speciálními signály „start“ a „stop“ (obr. 2.20, A).Účelem těchto signálů je za prvé upozornit přijímač na příchod dat a zadruhé poskytnout přijímači dostatek času na provedení některých funkcí souvisejících s časováním, než dorazí další bajt. Startovací signál má trvání jednoho hodinového intervalu a stop signál může trvat jeden, jeden a půl nebo dvě hodiny, takže jeden, jeden a půl nebo dva bity se údajně používají jako stop signál, i když tyto signály nepředstavují uživatelské bity.

Popsaný režim se nazývá asynchronní, protože každý bajt může být v čase mírně posunut vzhledem k bitovým cyklům předchozího.

148 Kapitola 2 Základy diskrétního přenosu dat

bajtů. Takový asynchronní přenos bajtů neovlivňuje správnost přijímaných dat, protože na začátku každého bajtu je přijímač navíc synchronizován se zdrojem kvůli "startovacím" bitům. Více „volných“ časových tolerancí určuje nízkou cenu vybavení asynchronního systému.

V režimu synchronního přenosu nejsou mezi každým párem bajtů žádné start-stop bity. Uživatelská data se shromažďují v rámci, kterému předcházejí synchronizační bajty (obr. 2.20, b). Synchronizační bajt je bajt obsahující předem známý kód, jako je 0111110, který oznamuje přijímači, že dorazil datový rámec. Při jeho přijetí musí přijímač vstoupit do bytové synchronizace s vysílačem, tedy správně pochopit začátek dalšího bytu rámce. Někdy se pro zajištění spolehlivější synchronizace mezi přijímačem a vysílačem používá několik synchronizačních bytů. Protože přijímač může mít problémy se synchronizací bitů při vysílání dlouhého rámce, jsou v tomto případě použity samosynchronizační kódy.

» Při přenosu diskrétních dat přes úzkopásmový hlasový kanál používaný v telefonii jsou nejvhodnější metody analogové modulace, ve kterých je nosná sinusoida modulována původní sekvencí binárních číslic. Tuto operaci provádějí speciální zařízení - modemy.

* Pro nízkorychlostní přenos dat se aplikuje změna frekvence nosné sinusovky. Vysokorychlostní modemy pracují na kombinovaných metodách kvadraturní amplitudové modulace (QAM), které se vyznačují 4 úrovněmi nosné sinusové amplitudy a 8 úrovněmi fáze. Pro přenos dat není použito všech z možných 32 kombinací metody QAM, zakázané kombinace umožňují rozpoznat zkreslená 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 pulzu nebo jeho čela.

* Při použití potenciálních kódů je úkol synchronizace přijímače s vysílačem zvláště důležitý, 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.

___________________________________________2.3. Způsoby přenosu datové vrstvy _______149

* Nejjednodušším potenciálním kódem je nenávratový kód (NRZ), který se však nesynchronizuje a vytváří stejnosměrnou složku.

» Nejoblíbenějším pulzním kódem je kód Manchester, ve kterém je informace nesena směrem hrany signálu uprostřed každého cyklu. Manchester kód se používá v technologiích Ethernet a Token Ring.

» Ke zlepšení vlastností potenciálního kódu NRZ se používají metody logického kódování, které vylučují dlouhé sekvence nul. Tyto metody jsou založeny na:

O zavedení redundantních bitů do původních dat (kódy typu 4V/5V);

Zakódování původních dat (kódy jako 2B1Q).

» Vylepšené potenciální kódy mají užší spektrum než pulzní kódy, proto se používají ve vysokorychlostních technologiích, jako je FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Při přenosu diskrétních dat komunikačními kanály se používají dva hlavní typy fyzického kódování - založené na sinusový nosný signál a založený na sekvenci obdélníkových impulsů. První metoda se často také nazývá modulace nebo analogová modulace, přičemž se zdůrazňuje 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.
Analogová modulace slouží k přenosu diskrétních dat úzkopásmovými kanály, typickými pro hlasový frekvenční kanál dostupný uživatelům veřejných telefonních sítí. Typická frekvenční odezva hlasového frekvenčního kanálu je znázorněna na Obr. 2.12. Tento kanál přenáší frekvence v rozsahu od 300 do 3400 Hz, takže jeho šířka pásma je 3100 Hz. Zařízení, které plní funkce modulace nosné sinusoidy na vysílací straně a demodulace na přijímací straně, se nazývá modem (modulátor - demodulátor).
Analogové modulační metody
Analogová modulace je metoda fyzického kódování, ve které jsou informace kódovány změnou amplitudy, frekvence nebo fáze sinusového nosného signálu.
Diagram (obr. 2.13, a) ukazuje posloupnost bitů počáteční informace reprezentované potenciály vysoké úrovně pro logickou jednotku a potenciálem nulové úrovně pro logickou nulu. Tato metoda kódování se nazývá potenciální kód, který se často používá při přenosu dat mezi počítačovými bloky.
Při amplitudové modulaci (obr. 2.13, b) se pro logickou jednotku volí jedna úroveň amplitudy sinusoidy nosné frekvence a pro logickou nulu druhá. Tato metoda se ve své čisté podobě v praxi používá jen zřídka kvůli nízké odolnosti proti šumu, ale často se používá v kombinaci s jiným typem modulace - fázovou modulací.
Při frekvenční modulaci (obr. 2.13, c) jsou hodnoty 0 a 1 počátečních dat přenášeny sinusoidami s různými frekvencemi - f0 a f1. Tento způsob modulace nevyžaduje složité obvody v modemech a obvykle se používá v nízkorychlostních modemech pracujících při 300 nebo 1200 bps.
Při fázové modulaci odpovídají datové hodnoty 0 a 1 signálům stejné frekvence, ale s různými fázemi, jako je 0 a 180 stupňů nebo 0,90, 180 a 270 stupňů.
U vysokorychlostních modemů se často používají kombinované způsoby modulace, zpravidla amplituda v kombinaci s fází.
Při použití obdélníkových impulsů pro přenos diskrétních informací je nutné zvolit způsob kódování, který by současně dosáhl několika cílů:
· měl při stejné přenosové rychlosti nejmenší šířku spektra výsledného signálu;
Zajištěná synchronizace mezi vysílačem a přijímačem;
měl schopnost rozpoznat chyby;
Má nízké náklady na implementaci.
Užší spektrum signálů umožňuje dosáhnout vyšší přenosové rychlosti dat na stejné lince (se stejnou šířkou pásma). Navíc spektrum signálu často vyžaduje nepřítomnost konstantní složky, tedy přítomnost stejnosměrného proudu mezi vysílačem a přijímačem. Zejména použití různých transformátorových galvanických izolačních obvodů zabraňuje průchodu stejnosměrného proudu.
Je potřeba synchronizace vysílače a přijímače, aby přijímač přesně věděl, v jakém časovém okamžiku je potřeba načíst nové informace z komunikační linky.
Rozpoznání a oprava zkreslených dat je obtížné implementovat pomocí fyzické vrstvy, proto tuto práci nejčastěji provádějí protokoly, které leží výše: kanál, síť, transport nebo aplikace. Na druhé straně rozpoznávání chyb na fyzické vrstvě šetří čas, protože přijímač nečeká na úplné uložení rámce do vyrovnávací paměti, ale odmítne jej okamžitě, když jsou v rámci rozpoznány chybné bity.
Požadavky na metody kódování jsou vzájemně protichůdné, takže každá z níže diskutovaných populárních metod digitálního kódování má své výhody a nevýhody ve srovnání s ostatními.

Plán

Teoretické základy přenosu dat

Fourierova řada

Spravovaná paměťová média

Magnetická média

kroucený pár

Koaxiál

vláknová optika

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 jsou položeny vedle sebe a upnuty speciální objímkou. Lepší propustnost světla je dosažena zarovnáním konců kabelu. 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 generuje elektrický impuls, když na něj dopadá světlo.

Srovnávací charakteristiky optického kabelu a měděného drátu.

Vysoká rychlost.
Menší útlum signálu, menší výkon 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 pokládku

Obtížnost a kompetence v instalaci.
křehkost
Více než měď.
přenos v simplexním režimu, mezi sítěmi jsou vyžadovány minimálně 2 vodiče.

Bezdrátové připojení

elektromagnetické spektrum

Rádiová komunikace

Komunikace v mikrovlnném dosahu

Infračervené a milimetrové vlny

Komunikační satelity

Veřejná komutovaná telefonní síť

Struktura telefonního systému

Místní linky: modemy, ADSL, bezdrátové

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.

Digitální účastnické linky. technologie xDSL.

POTS - dosah konvenční telefonní sítě;
odchozí rozsah;
vstupní rozsah.

DSLAM - DSL přístupový multiplexer;
NID je zařízení síťového rozhraní, které odděluje vlastnictví telefonní společnosti a účastníka.
Rozdělovač (splitter) je frekvenční rozbočovač, který odděluje pásmo POTS a data ADSL.

Linky a těsnění

Přepínání

Přepínání okruhů

Přepínání paketů

Fyzický vrstva se zabývá skutečným přenosem nezpracovaných bitů přes

komunikační kanál.

Přenos dat v počítačových sítích z jednoho počítače do druhého se provádí postupně, bit po bitu. Fyzicky jsou datové bity přenášeny datovými kanály ve formě analogových nebo digitálních signálů.

Soubor prostředků (komunikační linky, zařízení pro přenos a příjem dat), které slouží k přenosu dat v počítačových sítích, se nazývá datový přenosový kanál. Podle formy přenášených informací lze kanály přenosu dat rozdělit na analogové (kontinuální) a digitální (diskrétní).

Vzhledem k tomu, že zařízení pro přenos a příjem dat pracuje s daty v diskrétní formě (tj. diskrétní elektrické signály odpovídají jedničkám a nulám dat), dochází při jejich přenosu analogovým kanálem k převodu diskrétních dat na analogová data (modulace) je požadováno.

Při příjmu takových analogových dat je nutná inverzní konverze - demodulace. Modulace / demodulace - procesy převodu digitální informace na analogové signály a naopak. Během modulace je informace reprezentována sinusovým signálem o frekvenci, kterou datový kanál dobře přenáší.

Modulační metody zahrnují:

amplitudová modulace;

· frekvenční modulace;

fázová modulace.

Při přenosu diskrétních signálů přes digitální datový kanál se používá kódování:

· potenciál;

impulsivní.

Potenciální nebo impulsní kódování se tedy používá na vysoce kvalitních kanálech a modulace na bázi sinusoidy je výhodnější v případech, kdy kanál vnáší do přenášených signálů silné zkreslení.

Modulace se běžně používá v sítích WAN k přenosu dat přes analogové telefonní obvody, které byly navrženy pro přenos hlasu v analogové formě, a proto nejsou příliš vhodné pro přímý přenos impulsů.

Podle způsobu synchronizace lze kanály přenosu dat počítačových sítí rozdělit na synchronní a asynchronní. Synchronizace je nutná k tomu, aby vysílací datový uzel mohl vysílat nějaký druh signálu do přijímacího uzlu, aby přijímací uzel věděl, kdy má začít přijímat příchozí data.

Synchronní přenos dat vyžaduje další komunikační linku pro přenos hodinových impulsů. Přenos bitů vysílací stanicí a jejich příjem přijímací stanicí se provádí v okamžicích výskytu hodinových impulsů.

Při asynchronním přenosu dat není nutná další komunikační linka. V tomto případě se přenos dat provádí v blocích pevné délky (bajtů). Synchronizace se provádí pomocí přídavných bitů (start bitů a stop bitů), které jsou přenášeny před a za přenášeným bytem.

Při výměně dat mezi uzly počítačových sítí se používají tři způsoby přenosu dat:

simplexní (jednosměrný) přenos (televize, rozhlas);

poloviční duplex (příjem / přenos informací se provádí střídavě);

duplexní (obousměrný), každý uzel současně vysílá a přijímá data (například telefonní rozhovory).