Přenos diskrétních dat na fyzické úrovni. Přednášky Počítačové sítě. fyzické úrovni. Teoretické základy přenosu dat

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 současné době se stále častěji data, která mají zpočátku analogovou formu - řeč, televizní obraz - přenášejí komunikačními kanály v diskrétní formě, tj. 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 používají se diskrétní informační, potenciálové 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.

Při použití pravoúhlých impulsů pro přenos diskrétní informace je nutné zvolit způsob kódování, který by současně dosáhl několika cílů: při stejné přenosové rychlosti mít co nejmenší šířku spektra výsledného signálu; zajišťovala synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem;

Měl schopnost rozpoznat chyby; měla nízké náklady na realizaci.

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. hrana - může sloužit jako dobrá indikace pro synchronizaci přijímače s vysílačem. 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 druhou stranu rozpoznávání chyb na fyzické vrstvě šetří čas, protože přijímač nečeká na úplné umístění rámce do vyrovnávací paměti, ale odmítne jej ihned po umístění. znát bitové chyby v rámci.

Potenciální nenávratový kód, metoda potenciálního kódování, nazývaná také kódování bez návratu na nulu (Ne vrátit se na Nula, 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.

Metoda bipolárního kódování s alternativní inverzí. Jednou z modifikací metody NRZ je metoda bipolární kódování s alternativní inverzí (Bipolární Střídat Označit inverze, AMI). Tato metoda využívá tři úrovně potenciálu – zápornou, nulovou a kladnou. 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. Porušení přísného střídání polarity signálů tedy indikuje falešný impuls nebo vymizení správného impulsu z vedení. Je volán signál s nesprávnou polaritou zakázaný signál (signál porušení). V kódu AMI se nepoužívají 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 (Ne vrátit se na Nula s jedničky obrácený, 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.

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 . 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 NHz, což je dvakrát vyšší než základní harmonická kódu NRZ a čtyřikrát vyšší než základní harmonická kódu AMI, když vysílající střídavé jedničky a nuly. 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. Používá se v technologiích Ethernet a TokenRing. 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 kódována úrovní signálu od nízké k vysoké a nula je kódována zpětnou hranou. 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 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 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 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 v jednom cyklu přenášeny signálem, který má čtyři stavy (1Q). Bit 00 je -2,5 V, bit 01 je -0,833 V, 11 je +0,833 V a 10 je +2,5 V. U tohoto způsobu kódování jsou nutná další opatření pro řešení dlouhých sekvencí identických párů bitů, protože signál je poté 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 2B 1Q tedy můžete přenášet data na 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 ke zlepšení potenciálních kódů jako AMI, NRZI nebo 2Q.1B. Logické kódování by mělo nahradit dlouhé sekvence bitů vedoucí ke konstantnímu potenciálu rozptýlenými. Jak bylo uvedeno výše, pro logické kódování jsou charakteristické dvě metody -. nadbytečné kódy a kódování.

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.

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:

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. 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. 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 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.

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 kterých 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 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 polarity pulzu popř. jeho přední.

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.

Nejjednodušším potenciálním kódem je nereturn-to-zero (NRZ) kód, ale není samotaktující 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 TokenRing.

Pro 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 2B 1Q).

Vylepšené potenciální kódy mají užší spektrum než pulzní kódy, proto se používají ve vysokorychlostních technologiích jako FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.

2 Funkce fyzické vrstvy Reprezentace bitů elektrickými/optickými signály Kódování bitů Synchronizace bitů Přenos/příjem bitů po fyzických komunikačních kanálech Koordinace s fyzickým médiem Přenosová rychlost Vzdálenost Úrovně signálů, konektory Ve všech síťových zařízení Implementace hardwaru (síťové adaptéry ) Příklad: 10 BaseT - UTP kat. 3, 100 ohmů, 100 m, 10 Mbps, MII kód, RJ-45

5 Zařízení pro přenos dat Převodník Zpráva - El. signál Kodér (komprese, korekční kódy) Modulátor Zprostředkující zařízení Zlepšení kvality komunikace - (zesilovač) ​​Vytvoření kompozitního kanálu - (přepínač) Multiplexování kanálů - (Multiplexer) (PA nemusí být k dispozici v LAN)

6 Hlavní charakteristiky komunikačních linek Šířka pásma (Protokol) Spolehlivost přenosu dat (Protokol) Zpoždění šíření Frekvenční odezva (AFC) Šířka pásma Útlum Odolnost proti šumu Přeslechy na blízkém konci linky Jednotková cena

9 Útlum A - jeden bod na frekvenční odezvu A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Příklad 1: Pin = 10 mW, Pout =5 mW Útlum = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Příklad 2: UTP kat. 5 Útlum >= -23,6 dB F= 100MHz, L= 100M Obvykle se uvádí A pro základní frekvence signálu. \u003d -23,6 dB F \u003d 100 MHz, L \u003d 100 M Obvykle se pro hlavní frekvenci signálu označuje A ">

11 Odolnost proti hluku Vedení optických vláken Kabelová vedení Kabelová venkovní vedení Rádiové spoje (stínění, kroucení) Odolnost vůči vnějšímu rušení Odolnost vůči vnitřnímu rušení Útlum přeslechu na blízkém konci (NEXT) Útlum přeslechu na vzdáleném konci (FEXT) (FEXT - dva páry v jednom směru)

12 Ztráta přeslechu na blízkém konci (NEXT) Pro vícepárové kabely NEXT = 10 log Pout/Pout dB NEXT = NEXT (L) UTP 5: NEXT

13 Spolehlivost přenosu dat Bit Error Rate - BER Pravděpodobnost zkreslení datového bitu Příčiny: vnější a vnitřní rušení, úzká šířka pásma Boj: zvýšená odolnost proti šumu, snížené rušení NEXT, zvýšená šířka pásma Kabel s krouceným párem BER ~ Kabel z optických vláken BER ~ Bez dodatečné ochrany: : opravné kódy, protokoly s opakováním

16 Twisted Pair Twisted Pair (TP) fólie stínění opletený drát stínění izolovaný vodič vnější plášť UTP nestíněný kroucený pár kategorie 1, kategorie UTP stíněný kroucený pár Typy 1…9 Každý pár má vlastní stínění Každý pár má vlastní rozteč kroucení , vlastní barva Odolnost proti rušení Cena Složitost pokládky

18 Vláknová optika Celkový vnitřní odraz paprsku na rozhraní mezi dvěma prostředími n1 > n2 - (index lomu) n1 n2 n2 - (index lomu) n1 n2"> n2 - (index lomu) n1 n2"> n2 - (index lomu) n1 n2" title="18 Vláknová optika Celkový vnitřní odraz paprsku na hranici dvou média n1 > n2 - (index lomu) n1 n2"> title="18 Vláknová optika Celkový vnitřní odraz paprsku na rozhraní mezi dvěma prostředími n1 > n2 - (index lomu) n1 n2"> !}

22 Optický kabel Multi Mode Fiber MMF50/125, 62,5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9,5/125 D = 250 µm 1 GHz - 100 km BaseLH5000 km - 1 Gbps (2005) MMSM

23 Zdroje optického signálu Kanál: zdroj - nosič - přijímač (detektor) Zdroje LED (LED-Light Emitting Diod) nm nekoherentní zdroj - MMF Polovodičový laserový koherentní zdroj - SMF - Výkon = f (t o) Detektory Fotodiody, pinové diody, lavinové diody

25 Systémy strukturované kabeláže - SCS Structured Cabling System - SCS First LANs - různé kabely a topologie Sjednocení kabelážního systému SCS - otevřená infrastruktura kabeláže LAN (subsystémy, komponenty, rozhraní) - nezávislost na síťové technologii - kabely LAN, TV, bezpečnostní systémy atd. P. - univerzální kabeláž bez vazby na konkrétní síťovou technologii - Constructor

27 Normy SCS (jádro) EIA/TIA-568A Norma pro telekomunikační kabeláž komerčních budov (USA) CENELEC EN50173 Požadavky na výkon obecných kabelových schémat (Evropa) Informační technologie ISO/IEC IS - Obecná kabeláž pro kabeláž v prostorách zákazníka Pro každý subsystém: Komunikační médium . Topologie Povolené vzdálenosti (délky kabelů) Uživatelské rozhraní pro připojení. Kabely a spojovací zařízení. Šířka pásma (výkon). Montážní praxe (Horizontální subsystém - UTP, hvězda, 100 m...)

28 Bezdrátová komunikace Bezdrátový přenos Výhody: Pohodlí, nepřístupné oblasti, mobilita. rychlé nasazení ... Nevýhody: vysoká míra rušení (speciální prostředky: kódy, modulace ...), obtížnost použití některých rozsahů Komunikační linka: vysílač - střední - přijímač Charakteristika LAN ~ F (Δf, fn);

34 2. Mobilní telefonie Rozdělení území na buňky Opětovné použití frekvencí Nízký výkon (rozměry) V centru - základnová stanice Evropa - Globální systém pro mobily - GSM Bezdrátová telefonní komunikace 1. Rádiová stanice s nízkým výkonem - (základna sluchátka, 300m) DECT Digital European Cordless Telecommunication Roaming – přepínání z jedné hlavní sítě do druhé – základ mobilní komunikace

35 Satelitní komunikace Založena na satelitu (reflektor-zesilovač) ​​Vysílače - transpondéry H ~ 50 MHz (1 satelit ~ 20 transpondérů) Frekvenční rozsahy: C. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 GHz Up 5,925-6,425 GHz Ku - Pokles 11,7-12,2 GHz Nárůst 14,0-14,5 GHz Ka - Pokles 17,7-21,7 GHz Nárůst 27,5-30,5 GHz

36 Satelitní komunikace. Typy satelitů Satelitní komunikace: mikrovlnná - přímá viditelnost Geostacionární Velké pokrytí Pevné, Nízké opotřebení Následný satelit, vysílání, nízké náklady, náklady nezávislé na vzdálenosti, Okamžité navázání spojení (Mil) T3=300 ms Nízká bezpečnost, Zpočátku velká anténa (ale VSAT) MEO km Globální polohovací systém GPS - 24 satelitů LEO km nízké pokrytí přístup k internetu s nízkou latencí

40 Technika s rozprostřeným spektrem Speciální modulační a kódovací techniky pro bezdrátovou komunikaci C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Snížení výkonu Šum Imunita Stealth OFDM, FHSS (, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

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).

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.

Informace přenášené po komunikační lince jsou obvykle podrobeny speciálnímu kódování, které zlepšuje spolehlivost přenosu. V tomto případě jsou nevyhnutelné dodatečné hardwarové náklady na kódování a dekódování a zvyšují se náklady na síťové adaptéry.

Kódování informací přenášených sítí souvisí s poměrem maximální povolené přenosové rychlosti a šířky pásma použitého přenosového média. Například u různých kódů se maximální přenosová rychlost přes stejný kabel může lišit faktorem dva. Na zvoleném kódu přímo závisí také složitost síťového vybavení a spolehlivost přenosu informací.

Pro přenos diskrétních dat komunikačními kanály se používají dva způsoby fyzického kódování počátečních diskrétních dat - založené na sinusovém nosném signálu a na základě sekvence pravoúhlých impulsů. První způsob se často nazývá analogová modulace, protože kódování se provádí změnou parametrů analogového signálu (amplituda, fáze, frekvence). Druhý způsob je tzv digitální kódování. V současné době jsou data v analogové podobě (řeč, televizní obraz) přenášena komunikačními kanály v diskrétní podobě. Proces reprezentace analogové informace v diskrétní formě se nazývá diskrétní modulace.

5.1Analogová modulace

Reprezentace diskrétních dat jako sinusový signál se nazývá analogová modulace. Analogová modulace umožňuje reprezentovat informace jako sinusový signál s různými úrovněmi amplitudy, fáze nebo frekvence. Můžete také použít kombinace měnících se parametrů - amplituda a frekvence, amplituda-fáze. Pokud například vytvoříte sinusový signál se čtyřmi úrovněmi amplitudy a čtyřmi úrovněmi frekvence, získáte 16 stavů informačního parametru, což znamená 4 bity informace na jednu změnu.

Existují tři hlavní typy analogové modulace:

amplituda,

frekvence,

Amplitudová modulace. (AM) Při amplitudové modulaci se pro logickou jedničku volí jedna úroveň amplitudy sinusoidy nosného kmitočtu a pro logickou nulu druhá (viz obr. 5.1). Frekvence signálu zůstává konstantní. 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.

Rýže. 5.1 Různé typy modulace

Frekvenční modulace. ( Světový pohár) Při frekvenční modulaci jsou hodnoty logické 0 a logické 1 počátečních dat přenášeny sinusoidami s různými frekvencemi - f 1 a f 2 (viz obr. 5.1). Amplituda signálu zůstává konstantní. Tento způsob modulace nevyžaduje složité obvody v modemech a obvykle se používá v modemech s nízkou rychlostí.

Fázová modulace. (FM) S fázovou modulací odpovídají hodnoty logické 0 a 1 signálům stejné frekvence, ale s jinou fází (invertované), například 0 a 180 stupňů nebo 0,90, 180 a 270 stupňů. Výsledný signál vypadá jako sekvence invertovaných sinusových vln (viz obrázek 5.1). Amplituda a frekvence signálu zůstávají konstantní.

Pro zvýšení přenosové rychlosti (zvýšení počtu bitů na jeden cyklus informačního parametru) se používají kombinované modulační metody. Nejběžnější metody kvadraturní amplitudová modulace (Quadratura Amplituda Modulace, QAM). Tyto metody využívají kombinaci fázové modulace s 8 hodnotami fázového posunu a amplitudové modulace se 4 úrovněmi amplitudy. S touto metodou je možných 32 kombinací signálů. A i když se nepoužívají všechny, rychlost se stále výrazně zvyšuje a díky redundanci lze kontrolovat chyby v přenosu dat. Například v některých kódech je povoleno pouze 6, 7 nebo 8 kombinací 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.

Pojďme určit, na kterých linkách může analogová modulace fungovat a do jaké míry tato metoda vyhovuje šířce pásma toho či onoho použitého přenosového vedení, pro které uvažujeme spektrum výsledných signálů. Vezměme si například metodu amplitudové modulace. Spektrum výsledného signálu s amplitudovou modulací bude tvořeno sinusoidou nosné frekvence F S a dvě boční harmonické:

(F S -F m ) A (F S + f m ), Kde F m- modulační frekvence (změny informačního parametru sinusoidy), která se bude shodovat s datovou rychlostí, pokud jsou použity dvě úrovně amplitudy.

Rýže. 5.2 Spektrum signálu s amplitudovou modulací

Frekvence F m určuje šířku pásma linky pro danou metodu kódování. Při nízké modulační frekvenci bude šířka spektra signálu také malá (rovná se 2f m viz obrázek 5.2), takže signály nebudou linkou zkresleny, pokud je její šířka pásma větší nebo rovna 2f m .

Při amplitudové modulaci má tedy výsledný signál úzké spektrum.

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 typy modulace také vhodné pro přenos dat po vedeních s úzkou šířkou pásma. Typickým představitelem takových linek je hlasový frekvenční kanál, který je zpřístupněn uživatelům veřejných telefonních sítí.

Z typické frekvenční odezvy hlasově frekvenčního kanálu je vidět, že tento kanál přenáší frekvence v rozsahu od 300 do 3400 Hz, a tedy jeho šířka pásma je 3100 Hz (viz obrázek 5.3).

Rýže. 5.3 frekvenční odezva hlasového frekvenčního kanálu

Přestože má lidský hlas mnohem širší spektrum – od cca 100 Hz do 10 kHz – pro přijatelnou kvalitu řeči, rozsah 3100 Hz je dobrým řešením. Přísné omezení šířky pásma tónového kanálu je spojeno s použitím zařízení pro multiplexování a přepínání okruhů v telefonních sítích.

Pro hlasový frekvenční kanál tedy amplitudová modulace poskytuje rychlost přenosu dat ne větší než 3100/2=1550 bit/s. Pokud použijete několik úrovní informačního parametru (4 úrovně amplitudy), pak se propustnost kanálu hlasové frekvence zdvojnásobí.

Nejčastěji se analogové kódování používá při přenosu informací kanálem s úzkou šířkou pásma, například po telefonních linkách v rozsáhlých sítích. V místních sítích se používá jen zřídka kvůli vysoké složitosti a ceně kódovacího i dekódovacího zařízení.

V současné době se téměř všechna zařízení, která pracují s analogovými signály, vyvíjejí na základě drahých mikroobvodů. DSP (Digital Signal Processor). V tomto případě je po modulaci a přenosu signálu nutné při příjmu provést demodulaci, a to je opět drahé zařízení. K plnění funkce modulace nosné sinusoidy na vysílací straně a demodulace na přijímací straně slouží speciální zařízení, tzv. modem (modulátor-demodulátor). Modem s rychlostí 56 000 bps stojí 100 USD a síťová karta 100 Mbps stojí 10 USD.

Na závěr uvádíme výhody a nevýhody analogové modulace.

Analogová modulace má mnoho různých informačních parametrů: amplitudu, fázi, frekvenci. Každý z těchto parametrů může nabývat více stavů na změnu nosiče. A proto může výsledný signál přenášet velké množství bitů za sekundu.

Analogová modulace poskytuje výsledný signál s úzkým spektrem, a proto je dobrá tam, kde potřebujete pracovat na špatných linkách (s úzkou šířkou pásma), tam je schopna zajistit vysokou přenosovou rychlost. Analogová modulace může fungovat i na dobrých linkách, zde je důležitá ještě jedna výhoda analogové modulace - schopnost posunout spektrum do požadované oblasti v závislosti na šířce použité linky.

Analogová modulace je obtížně implementovatelná a zařízení, které ji provádí, je velmi drahé.

Analogová modulace se používá tam, kde se nelze obejít, ale v lokálních sítích se používají jiné způsoby kódování, k jejichž implementaci je potřeba jednoduché a levné zařízení. Proto se nejčastěji v lokálních sítích při přenosu dat v komunikačních linkách používá druhý způsob fyzického kódování - digitální kódování

5. 2. Digitální kódování

Digitální kódování- reprezentace informace obdélníkovými impulsy. Pro použití digitálního kódování potenciál A impuls kódy.

Potenciální kódy. V potenciálových kódech se k reprezentaci logických jedniček a nul používá pouze hodnota potenciálu signálu během periody cyklu a jeho poklesy, které tvoří úplné impulsy, se neberou v úvahu. Je pouze důležité, jakou hodnotu má výsledný signál během periody cyklu.

impulsní kódy. Pulzní kódy představují logickou nulu a logickou jednotku buď pulzy určité polarity, nebo částí pulzu - potenciálním poklesem určitého směru. Hodnota pulzního kódu zahrnuje celý pulz spolu s jeho přechody.

Pojďme si definovat požadavky na digitální kódování. Potřebujeme například přenést diskrétní data (posloupnost logických nul a jedniček) z výstupu jednoho počítače – zdroje – na vstup druhého počítače – přijímače po komunikační lince.

1. Pro přenos dat máme komunikační linky, které neprocházejí všemi frekvencemi, mají určité šířky pásma v závislosti na typu. Při kódování dat je proto třeba počítat s tím, že zakódovaná data „prochází“ komunikační linkou.

2. Sekvence diskrétních dat musí být kódovány jako digitální impulsy o určité frekvenci. V tomto případě je samozřejmě nejlepší dosáhnout:

a) že frekvence kódovaných signálů jsou nízké, aby obecně odpovídaly šířkám pásma komunikačních spojů.

b) že kódované signály poskytují vysokou přenosovou rychlost.

Takže dobrý kód by měl mít méně Hertzů a více bitů za sekundu.

3. Přenášená data jsou nepředvídatelně se měnící posloupnost logických nul a jedniček.

Zakódujme tato data určitým způsobem pomocí digitálních pulzů, jak pak můžeme určit, jakou frekvenci má výsledný signál? Aby bylo možné určit maximální frekvenci digitálního kódu, stačí vzít v úvahu výsledný signál při kódování soukromých sekvencí, jako jsou:

posloupnost logických nul

sled logických jedniček

střídavý sled logických nul a jedniček

Dále je nutné signál rozložit Fourierovou metodou, najít spektrum, určit frekvence jednotlivých harmonických a najít celkovou frekvenci signálu, přičemž je důležité, aby hlavní spektrum signálu spadalo do šířky pásma komunikační linka. Abychom neprováděli všechny tyto výpočty, stačí se pokusit určit základní harmonickou spektra signálu, k tomu je nutné uhodnout první sinusoidu z tvaru signálu, která opakuje svůj obrys svého tvaru, pak najít období této sinusoidy. Perioda je vzdálenost mezi dvěma změnami signálu. Pak můžete také určit frekvenci základní harmonické spektra signálu as F = 1/T, Kde F- frekvence, T- perioda signálu. Pro usnadnění dalších výpočtů předpokládáme, že bitová rychlost změny signálu je rovna N.

Takové výpočty mohou být provedeny pro každý způsob digitálního kódování pro určení frekvence výsledného signálu. Výsledný signál v digitálním kódování je specifická sekvence pravoúhlých impulsů. Pro znázornění posloupnosti pravoúhlých pulzů jako součtu sinusoidů k ​​nalezení spektra je potřeba velké množství takových sinusoid. Spektrum sekvence obdélníkových vln bude obecně mnohem širší než spektrum modulovaných signálů.

Pokud se digitální kód používá k přenosu dat na hlasovém frekvenčním kanálu, pak je horní hranice pro potenciální kódování dosaženo pro rychlost přenosu dat 971 bps a spodní hranice je nepřijatelná pro jakékoli rychlosti, protože šířka pásma kanálu začíná na 300 Hz.

Proto digitální kódy na hlasových kanálech se prostě nikdy nepoužívají. Ale na druhou stranu velmi dobře fungují v lokálních sítích, které pro přenos dat nevyužívají telefonní linky.

Tím pádem, digitální kódování vyžaduje pro vysoce kvalitní přenos širokou šířku pásma.

4. Při přenosu informací po komunikačních linkách ze zdrojového uzlu do uzlu přijímače je nutné zajistit takový režim přenosu, ve kterém bude přijímač vždy přesně vědět, v jakém časovém okamžiku přijímá data ze zdroje, tzn. poskytnout synchronizace zdroj a přijímač. V sítích se problém synchronizace řeší obtížněji než při výměně dat mezi bloky v počítači nebo mezi počítačem a tiskárnou. Na krátké vzdálenosti dobře funguje schéma založené na samostatné taktovací komunikační lince. V takovém schématu se informace z datové linky odstraní až v okamžiku příchodu hodinového impulsu (viz obr. 5.4).

Rýže. 5.4 Synchronizace přijímače a vysílače na krátké vzdálenosti

Tato možnost synchronizace není absolutně vhodná pro žádnou síť 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.

Samosynchronizační kódy- signály, které indikují přijímači, v jakém časovém okamžiku je nutné rozpoznat další bit (nebo několik bitů, pokud je kód orientován na více než dva stavy signálu). Jakýkoli prudký pokles signálu – tzv přední- může sloužit jako dobrá indikace pro synchronizaci přijímače s vysílačem. Příkladem samosynchronizujícího kódu může být sinusovka. Protože změna amplitudy nosné frekvence umožňuje přijímači určit okamžik, kdy se objeví vstupní kód. Ale to platí pro analogovou modulaci. V digitálním kódování existují i ​​metody, které vytvářejí samosynchronizační kódy, ale o tom později.

Tím pádem, dobrý digitální kód by měl zajistit synchronizaci

Po zvážení požadavků na dobrý digitální kód přejděme k úvahám o samotných metodách digitálního kódování.

5. 2.1Potenciální kód bez návratu na nulu NRZ

Tento kód dostal své jméno proto, že při vysílání sekvence 1s se signál během cyklu nevrátí na nulu (jak uvidíme dále, u jiných metod kódování dochází v tomto případě k návratu na nulu).

Kód NRZ (Non Return to Zero)- bez návratu na nulu - to je nejjednodušší dvouúrovňový kód. Výsledný signál má dvě potenciální úrovně:

Nula odpovídá spodní úrovni, jednotka - horní. Informační přechody se vyskytují na bitové hranici.

Uvažujme tři speciální případy přenosu dat kódem NRZ: střídavá posloupnost nul a jedniček, posloupnost nul a posloupnost jedniček (viz obr. 5.5, a).

Rýže. 5.5 kód NRZ

Pokusme se zjistit, zda tento kód splňuje uvedené požadavky. K tomu je nutné v každém z prezentovaných případů určit základní harmonickou spektra s potenciálovým kódováním, aby bylo možné přesněji určit, který kód NRZ má požadavky na použitou komunikační linku.

První případ - je přenášena informace, která se skládá z nekonečné sekvence střídajících se jedniček a nul (viz obr. 5.5, b).

Tento obrázek ukazuje, že při střídání jedniček a nul se v jednom cyklu přenesou dva bity 0 a 1. S tvarem sinusoidy znázorněným na Obr. 4.22b N- bitová rychlost, perioda této sinusoidy je rovna T = 2N. Frekvence základní harmonické je v tomto případě rovna F 0 = N/2.

Jak vidíte, s takovou sekvencí tohoto kódu je rychlost přenosu dat dvojnásobkem frekvence signálu.

Při přenosu sekvencí nul a jedniček je výsledný signál stejnosměrný, frekvence změny signálu je nulová F 0 = 0 .

Spektrum skutečného signálu se neustále mění v závislosti na tom, jaká data jsou přenášena po komunikační lince, a je třeba si dávat pozor na přenosy dlouhých sekvencí nul nebo jedniček, které posouvají spektrum signálu směrem k nízkým frekvencím. Protože NRZ kód při vysílání dlouhých sekvencí nul nebo jedniček má konstantní složku.

Z teorie signálu je známo, že kromě požadavků na šířku je kladen další velmi důležitý požadavek na spektrum přenášeného signálu - žádná konstantní složka(přítomnost stejnosměrného proudu mezi přijímačem a vysílačem), protože použití různých výměny transformátorů v komunikačním vedení neprochází stejnosměrný proud.

Proto budou některé informace tímto odkazem jednoduše ignorovány. Proto se v praxi vždy snaží zbavit přítomnosti konstantní složky ve spektru nosného signálu již ve fázi kódování.

Identifikovali jsme tedy ještě jeden požadavek na dobrý digitální kód digitální kód by neměl mít konstantní složku.

Další nevýhodou NRZ je - nedostatek synchronizace. V tomto případě pomohou pouze dodatečné způsoby synchronizace, o kterých si povíme později.

Jednou z hlavních výhod kódu NRZ je jednoduchost. Aby bylo možné generovat pravoúhlé pulsy, jsou zapotřebí dva tranzistory a pro implementaci analogové modulace jsou zapotřebí složité mikroobvody. Potenciální signál není třeba kódovat a dekódovat, protože stejná metoda se používá pro přenos dat uvnitř počítače.

V důsledku všeho uvedeného výše vyvodíme několik závěrů, které nám pomohou při zvažování dalších metod digitálního kódování:

NRZ se velmi snadno implementuje, má dobrou detekci chyb (díky dvěma výrazně odlišným potenciálům).

NRZ má při vysílání nul a jedniček stejnosměrnou složku, která znemožňuje přenos na transformátorově izolovaných vedeních.

NRZ není samosynchronizující kód a to komplikuje jeho přenos na jakékoli lince.

Atraktivita kódu NRZ, kvůli které má smysl jej vylepšovat, spočívá v poměrně nízké frekvenci základní harmonické fo, která se rovná N/2 Hz, jak je ukázáno výše. Tedy kód NRZ pracuje na nízkých frekvencích od 0 do N/2 Hz.

V důsledku toho se kód NRZ ve své čisté podobě v sítích nepoužívá. Přesto se používají jeho různé modifikace, u kterých je úspěšně eliminována jak špatná autosynchronizace kódu NRZ, tak přítomnost konstantní složky.

Následující metody digitálního kódování byly vyvinuty s cílem nějakým způsobem zlepšit schopnost kódu NRZ

5. 2.2. Metoda alternativního inverzního bipolárního kódování AMI

Metoda bipolárního kódování s alternativní inverzí (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI) je modifikací metody NRZ.

Tato metoda využívá tři úrovně potenciálu – zápornou, nulovou a kladnou. Tři úrovně signálu jsou nevýhodou kódu, protože pro rozlišení tří úrovní je potřeba lepší odstup signálu od šumu na vstupu do přijímače. Další vrstva vyžaduje zvýšení výkonu vysílače asi o 3 dB, aby byla zajištěna stejná bitová věrnost na lince, což je obecná nevýhoda vícestavových kódů ve srovnání s dvouúrovňovými kódy. V kódu AMI se nulový potenciál používá ke kódování logické nuly, logická jednička je kódována buď kladným potenciálem nebo záporným potenciálem, přičemž potenciál každého nového je opačný než potenciál předchozího.

Rýže. 5.6 AMI kód

Tato kódovací technika částečně odstraňuje problémy stejnosměrné složky a nedostatek autosynchronizace vlastní kódu NRZ při vysílání dlouhých sekvencí jedniček. Problém konstantní složky mu ale zůstává při vysílání posloupností nul (viz obr. 5.6).

Uvažujme konkrétní případy kódové operace a pro každý z nich určíme základní harmonickou výsledného spektra signálu. Se sekvencí nul - signál - stejnosměrný proud - fo \u003d 0 (obr. 5.7, a)

Rýže. 5.7 Určení základních frekvencí spektra AMI

Z tohoto důvodu potřebuje kód AMI také další vylepšení. Při vysílání sekvence jedniček 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 fo = N/2 Hz. .

Při vysílání střídavých jedniček a nul je základní harmonická fo = N/4 Hz, což je dvakrát méně než u kódu NRZ.

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. 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. Signál s nesprávnou polaritou se nazývá zakázaný signál. (narušení signálu).

Lze vyvodit následující závěry:

AMI zruší stejnosměrnou složku při vysílání sekvence jedniček;

AMI má úzké spektrum - od N/4 - N/2;

AMI částečně odstraňuje problémy se synchronizací

AMI používá na lince ne dvě, ale tři úrovně signálu a to je jeho nevýhoda, ale následující metoda to dokázala odstranit.

5. 2.3 Potenciální kód s inverzí na jednotce NRZI

Tento kód je zcela podobný kódu AMI, ale používá pouze dvě úrovně 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 jedné (Non Return to Zero s invertovanými jedničkami, NRZI).

Je to výhodné v případech, kdy je použití třetí úrovně signálu vysoce nežádoucí, například u optických kabelů, kde jsou spolehlivě rozpoznány dva stavy signálu - světlý a tmavý.

Rýže. 5.8 Kód NRZI

Kód NRZI se liší tvarem výsledného signálu od kódu AMI, ale pokud spočítáte základní harmonické, pro každý případ se ukáže, že jsou stejné. Pro posloupnost střídavých jedniček a nul je základní frekvence signálu fo=N/4.(viz obr. 5.9, a). Pro s posloupností jednotek - fo=N/2. S posloupností nul zůstává stejná nevýhoda fo=0- stejnosměrný proud ve vedení.

Rýže. 5.9 Stanovení základních frekvencí spektra pro NRZI

Závěry jsou následující:

NRZI - poskytuje stejné možnosti jako kód AMI, ale používá k tomu pouze dvě úrovně signálu a je tedy vhodnější pro další vylepšení. Nevýhody NRZI jsou stejnosměrná složka s posloupností nul a nedostatek synchronizace během přenosu. Kód NRZI se stal základem pro vývoj pokročilejších metod kódování na vyšších úrovních.

5. 2.4 Kód MLT3

Kód tříúrovňové převodovky MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) má mnoho společného s kódem NRZI. Jeho nejdůležitějším rozdílem jsou tři úrovně signálu.

Jedna odpovídá přechodu z jedné úrovně signálu na druhou. Ke změně úrovně lineárního signálu dochází pouze v případě přijetí jednotky na vstupu, avšak na rozdíl od kódu NRZI je algoritmus generování zvolen tak, že dvě sousední změny mají vždy opačný směr.

Rýže. 5.10 Potenciální kód MLT-3

Zvažte speciální případy, jako ve všech předchozích příkladech.

Při vysílání nul má signál také konstantní složku, signál se nemění - fo = 0 Hz. (Viz obrázek 5.10). Když jsou vysílány všechny, informační přechody jsou fixní na bitové hranici a jeden signálový cyklus může pojmout čtyři bity. V tomto případě fo=N/4 Hz - maximální frekvence kódu MLT-3 při přenosu všech jednotek (obr. 5.11, a).

Rýže. 5.11 Určení základních frekvencí spektra pro MLT-3

V případě střídavé sekvence kód MLT-3 má maximální frekvenci rovnou fo=N/8, což je dvakrát méně než kód NRZI, proto má tento kód užší šířku pásma.

Jak jste si všimli, nevýhodou kódu MLT-3, stejně jako kódu NRZI, je nedostatek synchronizace. Tento problém je vyřešen dodatečnou transformací dat, která eliminuje dlouhé sekvence nul a možnost desynchronizace. Obecný závěr lze vyvodit následovně - použití tříúrovňového kódování MLT-3 umožňuje snížit taktovací frekvenci linkového signálu a tím zvýšit přenosovou rychlost.

5. 2.5 Bipolární pulzní kód

Kromě potenciálních kódů se používají také impulsní kódy, kdy jsou data reprezentována plným impulsem nebo jeho částí - frontou.

Nejjednodušší případ tohoto přístupu je bipolární pulzní kód, ve kterém je jednotka reprezentována impulsem jedné polarity a nula je druhá. Každý pulz trvá půl cyklu (obr. 5.12). Bipolární pulzní kód - tříúrovňový kód. Uvažujme výsledné signály při přenosu dat bipolárním kódováním ve stejných konkrétních případech.

Rýže. 5.12 Bipolární pulzní kód

Charakteristickým rysem kódu je, že ve středu bitu je vždy přechod (kladný nebo záporný). Proto je každý bit označen. Přijímač může extrahovat synchronizační pulz (stroboskop) s frekvencí opakování pulzu ze samotného signálu. Ke každému bitu je vytvořena vazba, která zajišťuje synchronizaci přijímače s vysílačem. Takové kódy, které nesou stroboskop, se nazývají samosynchronizace. Uvažujme spektrum signálů pro každý případ (obr. 5.13). Při přenosu všech nul nebo jedniček frekvence základní harmonické kódu fo=N Hz, což je dvojnásobek základu kódu NRZ a čtyřnásobek základu kódu AMI. Při vysílání střídavých jedniček a nul - fo=N/2

Rýže. 5.13 Určení hlavních frekvencí spektra pro bipolární pulzní kód.

Tento nedostatek kódu nepřináší zisk v rychlosti přenosu dat a jasně ukazuje, že impulsní kódy jsou pomalejší než potenciální.

Například spojení 10 Mb/s vyžaduje nosnou frekvenci 10 MHz. Při vysílání sekvence střídavých nul a jedniček se rychlost zvyšuje, ale ne o moc, protože frekvence základní harmonické kódu f®=N/2 Hz.

Bipolární pulzní kód má oproti předchozím kódům velkou výhodu – je samosynchronizační.

Bipolární pulzní kód má široké spektrum signálu a je tedy pomalejší.

Bipolární pulzní kód používá tři úrovně.

5. 2.6 Manchester kód

Manchester kód byl vyvinut jako vylepšený bipolární pulzní kód. Manchester kód také odkazuje na samosynchronizační kódy, ale na rozdíl od bipolárního kódu nemá tři, ale pouze dvě úrovně, což poskytuje lepší odolnost proti šumu.

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. Stává se to takto:

Jednotka je zakódována přechodem z nízkého do vysokého a nula je zakódována zpětným přechodem. Na začátku každého cyklu se může objevit hrana servisního signálu, pokud potřebujete reprezentovat několik jedniček nebo nul v řadě.

Uvažujme speciální případy kódování (posloupnosti střídání nul a jedniček, nějaké nuly, jedničky) a pak určíme hlavní harmonické pro každou z posloupností (viz obr. 5.14). Ve všech případech je vidět, že s Manchesterským kódováním změna signálu ve středu každého bitu usnadňuje izolaci hodinového signálu. Proto má kód Manchester dobré samosynchronizační vlastnosti.

Rýže. 5.14 Manchester kód

Autosynchronizace vždy umožňuje přenášet velké pakety informací beze ztrát v důsledku rozdílů v hodinové frekvenci vysílače a přijímače.

Pojďme tedy určit základní frekvenci při vysílání pouze jedniček nebo pouze nul.

Rýže. 5.15 Určení hlavních frekvencí spektra pro kód Manchester.

Jak je vidět při vysílání nul i jedniček, není zde žádná konstantní složka. Základní frekvence fo=NHz, jako v bipolárním kódování. Díky tomu lze galvanické oddělení signálů v komunikačních linkách provádět nejjednoduššími způsoby, například pomocí pulzních transformátorů. Při vysílání střídavých jedniček a nul je frekvence základní harmonické rovna fo=N/2Hz.

Manchesterský kód je tedy vylepšený bipolární kód, vylepšený použitím pouze dvou úrovní signálu pro přenos dat, nikoli tří, jako u bipolárního. Ale tento kód je stále pomalý ve srovnání s NRZI, který je dvakrát rychlejší.

Zvažte příklad. Pro přenos dat použijte komunikační linku s šířkou pásma 100 MHz a rychlost 100 Mbps. Jestliže jsme dříve určovali rychlost přenosu dat při dané frekvenci, nyní musíme určit frekvenci signálu při dané rychlosti linky. Na základě toho určíme, že pro přenos dat kódem NRZI nám stačí kmitočtový rozsah od N / 4-N / 2 - jedná se o kmitočty od 25 -50 MHz, tyto kmitočty jsou zahrnuty do šířky pásma naší linky - 100 MHz. Pro kód Manchester potřebujeme frekvenční rozsah od N / 2 do N - jedná se o frekvence od 50 do 100 MHz, v tomto rozsahu se nacházejí hlavní harmonické spektra signálu. Pro kód Manchester nevyhovuje šířce pásma naší linky, a proto bude linka přenášet takový signál s velkými zkresleními (takový kód nelze na této lince použít).

5.2.7Diferenciální kód Manchester.

Diferenciální kód Manchester je typ kódování v Manchesteru. Střed hodinového intervalu linkového signálu využívá pouze k synchronizaci a vždy na něm dochází ke změně úrovně signálu. Logická 0 a 1 jsou přenášeny přítomností nebo nepřítomností změny úrovně signálu na začátku hodinového intervalu (obr. 5.16).

Rýže. 5.16 Diferenciální kód Manchester

Tento kód má stejné výhody a nevýhody jako manchesterský. Ale v praxi se používá diferenciální kód Manchester.

Manchesterský kód tedy býval velmi aktivní v místních sítích (když vysokorychlostní tratě byly velkým luxusem pro místní síť), a to díky své samosynchronizaci a nedostatku konstantní složky. Stále je široce používán v optických a elektrických sítích. V poslední době však vývojáři došli k závěru, že je stále lepší využít potenciální kódování, jeho nedostatky eliminují pomocí tzv. logické kódování.

5.2.8Potenciální kód 2B1Q

Kód 2B1Q- potenciální kód se čtyřmi úrovněmi signálu pro kódování dat. Jeho název odráží jeho podstatu – každé dva bity (2B) jsou přenášeny v jednom cyklu signálem, který má čtyři stavy (1Q).

Pare bit 00 odpovídá potenciálu (-2,5 V), pár kousků 01 odpovídá potenciálu (-0,833 V), pár 11 - potenciál (+0,833 V), a pár 10 - potenciální ( +2,5 V).

Rýže. 5.17 Potenciální kód 2B1Q

Jak je vidět na obrázku 5.17, tato metoda kódování vyžaduje další opatření, aby se vypořádala s dlouhými sekvencemi identických párů bitů, protože to mění signál na stejnosměrnou složku. Proto při vysílání jak nul, tak jedniček fo=0Hz. Při střídání jedniček a nul je spektrum signálu dvakrát užší než u kódu NRZ, protože při stejné přenosové rychlosti se doba trvání cyklu zdvojnásobí - fo=N/4Hz.

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 čtyři úrovně potenciálu (-2,5V, -0,833 V, +0,833 V, +2,5 V) byly přijímačem zřetelně odlišeny na pozadí rušení.

5. 2.9 Kód PAM5

Všechna schémata kódování signálu, která jsme uvažovali výše, byla bitová. Při bitovém kódování každý bit odpovídá hodnotě signálu určené logikou protokolu.

Při bajtovém kódování je úroveň signálu nastavena dvěma nebo více bity. V pětiúrovňovém kódu PAM5 Je použito 5 napěťových úrovní (amplitud) a dvoubitové kódování. Každá kombinace má svou vlastní úroveň napětí. Při dvoubitovém kódování jsou k přenosu informací vyžadovány čtyři úrovně (dvě na druhou mocninu - 00, 01, 10, 11 ). Vysílání dvou bitů současně poskytuje poloviční rychlost změny signálu. Pátá úroveň je přidána k vytvoření redundance v kódu používaném pro opravu chyb. To poskytuje dodatečný odstup signálu od šumu.

Rýže. 5.18 Kód PAM 5

5. 3. Logické kódování

Logické kódování běží do fyzické kódování.

Ve fázi logického kódování se již tvar vlny netvoří, ale jsou odstraněny nedostatky fyzických metod digitálního kódování, jako je nedostatek synchronizace, přítomnost konstantní složky. Nejprve se tedy pomocí nástrojů logického kódování vytvoří opravené sekvence binárních dat, které se pak přenášejí po komunikačních linkách za použití metod fyzického kódování.

Logické kódování znamená nahrazení bitů původní informace novou sekvencí bitů, která nese stejnou informaci, ale má navíc další vlastnosti, například schopnost přijímací strany detekovat chyby v přijímaných datech. Doprovodit každý bajt původní informace jedním paritním bitem je příkladem velmi běžně používané metody logického kódování při přenosu dat pomocí modemů.

Oddělte dvě metody logického kódování:

Redundantní kódy

Scrambling.

5. 3.1 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. Jasným příkladem redundantního kódu je logický kód 4V/5V.

Logický kód 4V/5V nahradí původní 4bitové znaky 5bitovými znaky. Protože výsledné symboly obsahují redundantní bity, celkový počet bitových kombinací v nich je větší než v původních. Pětibitové schéma tedy dává 32 (2 5) dvoumístných alfanumerických znaků, které mají hodnotu v desítkovém kódu od 00 do 31. Zatímco původní data mohou obsahovat pouze čtyři bity nebo 16 (2 4) znaků.

Ve výsledném kódu tedy můžete vybrat 16 takových kombinací, které neobsahují velký počet nul, a zbytek dopočítat zakázané kódy (porušení kódu). V tomto případě jsou dlouhé řetězce 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 nadbytečné jednotky uživatelských informací nepřenášejí a pouze „zabírají vysílací čas“. Redundantní kódy umožňují přijímači rozpoznat poškozené bity. Pokud přijímač obdrží zakázaný kód, znamená to, že signál byl na lince zkreslený.

Pojďme se tedy podívat na práci. logický kód 4V/5V. Převedený signál má 16 hodnot pro přenos informací a 16 redundantních hodnot. V dekodéru přijímače je dekódováno pět bitů jako informační a servisní signály.

Pro servisní signály je přiděleno devět symbolů, sedm symbolů je vyloučeno.

Kombinace s více než třemi nulami jsou vyloučeny (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000 ) . Takové signály jsou interpretovány symbolem PROTI a přijímací tým PORUŠENÍ- selhání. Příkaz indikuje chybu způsobenou vysokým rušením nebo poruchou vysílače. Jediná kombinace pěti nul (00 - 00000 ) odkazuje na servisní signály, znamená symbol Q a má status KLID- na lince není signál.

Takovéto kódování dat řeší dva problémy – synchronizaci a zlepšení odolnosti proti šumu. K synchronizaci dochází díky eliminaci sekvence více než tří nul a vysoké odolnosti proti šumu je dosahováno přijímačem dat v pětibitovém intervalu.

Cenou za tyto výhody u tohoto způsobu kódování dat je snížení přenosové rychlosti užitečné informace. Například v důsledku přidání jednoho redundantního bitu ke čtyřem informačním bitům se účinnost šířky pásma v protokolech s kódem MLT-3 a kódování dat 4B/5B klesá o 25 %.

Schéma kódování 4V/5V uvedeny v tabulce.

Takže podle této tabulky se tvoří kód 4V/5V, následně přenášen po lince pomocí fyzického kódování pomocí jedné z potenciálních metod kódování, která je citlivá pouze na dlouhé sekvence nul – například pomocí digitálního kódu NRZI.

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.

Dopis V v kódovém názvu znamená, že elementární signál má 2 stavy - z angl binární- binární. V kódu jsou například i kódy se třemi stavy signálu 8V/6T pro zakódování 8 bitů původní informace je použit kód 6 signálů, z nichž každý má tři stavy. Redundance kódu 8V/6T vyšší než kód 4V/5V, protože existuje 3 6 = 729 výsledných symbolů pro 256 zdrojových kódů.

Jak jsme řekli, k logickému kódování dochází před fyzickým, proto jej provádí zařízení na úrovni síťového propojení: síťové adaptéry a bloky rozhraní přepínačů a směrovačů. Protože, jak jste sami viděli, použití vyhledávací tabulky je velmi jednoduchá operace, tak způsob logického kódování s redundantními kódy nekomplikuje funkční požadavky na toto zařízení.

Jediným požadavkem je, že vysílač využívající redundantní kód musí pracovat s vyšší taktovací frekvencí, aby poskytl danou kapacitu linky. Ano, poslat kódy 4V/5V s rychlostí 100 Mb/s vysílač musí 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. Spektrum redundantního potenciálního kódu je však užší než spektrum manchesterského kódu, což ospravedlňuje další stupeň logického kódování, stejně jako provoz přijímače a vysílače při zvýšené hodinové frekvenci.

Lze tedy vyvodit následující závěr:

V podstatě pro lokální sítě je jednodušší, spolehlivější, lepší, rychlejší - použít logické kódování dat pomocí redundantních kódů, které odstraní dlouhé sekvence nul a zajistí synchronizaci signálu, pak použít rychlý digitální kód pro přenos na fyzické úrovni NRZI, spíše než používat pomalé, ale samosynchronizující Manchester kód.

Například pro přenos dat po lince s šířkou pásma 100 Mbit/sa šířkou pásma 100 MHz vyžaduje kód NRZI frekvence 25 - 50 MHz, to je bez kódování 4V / 5V. A pokud se aplikuje na NRZI i kódování 4V / 5V, nyní se frekvenční pásmo rozšíří z 31,25 na 62,5 MHz. Ale přesto se tento rozsah stále "vejde" do šířky pásma linky. A pro kód Manchester jsou bez použití jakéhokoli dodatečného kódování potřeba frekvence od 50 do 100 MHz, a to jsou frekvence hlavního signálu, které už ale neprojdou 100 MHz linkou.

5. 3.2 Kódování

Další způsob logického kódování je založen na předběžném „promíchání“ původní informace tak, aby se pravděpodobnost výskytu jedniček a nul na řádku přiblížila.

Jsou volána zařízení nebo bloky, které provádějí tuto operaci scramblery (scramble - dump, náhodné sestavení).

Na škrábání data jsou smíchána podle určitého algoritmu a přijímač, který přijal binární data, je odešle descrambler, který obnoví původní bitovou sekvenci.

Přebytečné bity se po lince nepřenášejí.

Podstatou skramblování je jednoduše bit po bitu změna v datovém toku procházejícím systémem. Téměř jediná operace používaná ve scramblerech je XOR - "bitový XOR", nebo jinak říkají - přidání podle modul 2. Když jsou dvě jednotky přidány výhradním OR, nejvyšší jednotka se zahodí a výsledek se zapíše - 0.

Metoda skramblování je velmi jednoduchá. Nejprve vymyslete scrambler. Jinými slovy, přijdou s tím, v jakém poměru smíchat bity v původní sekvenci pomocí „exkluzivního OR“. Poté se podle tohoto poměru vyberou hodnoty určitých bitů z aktuální sekvence bitů a sečtou se podle XOR mezi sebou. V tomto případě jsou všechny bity posunuty o 1 bit a právě přijatá hodnota ("0" nebo "1") je umístěna do uvolněného nejméně významného bitu. Hodnota, která byla v nejvýznamnějším bitu před posunem, je přidána do kódovací sekvence a stává se jejím dalším bitem. Poté je tato sekvence vydána na linku, kde je pomocí metod fyzického kódování přenesena do přijímacího uzlu, na jehož vstupu je tato sekvence dekódována na základě inverzního poměru.

Scrambler může například implementovat následující vztah:

Kde Bi- binární číslice výsledného kódu získaného v i-tém cyklu scrambleru, AI- binární číslice zdrojového kódu přicházející v i-tém cyklu na vstup scrambleru, B i-3 a B i-5- binární číslice výsledného kódu získaného v předchozích cyklech scrambleru, respektive o 3 a 5 cyklů dříve než aktuální cyklus,  - operace XOR (sčítání modulo 2).

Nyní si nadefinujme kódovanou sekvenci například pro takovou zdrojovou sekvenci 110110000001 .

Výše definovaný scrambler vytvoří následující výsledný kód:

B 1 \u003d A 1 \u003d 1 (první tři číslice výsledného kódu budou stejné jako původní, protože ještě nejsou nutné žádné předchozí číslice)

Výstupem scrambleru bude tedy sekvence 110001101111 . Ve kterém není žádná sekvence šesti nul, která byla přítomna ve zdrojovém kódu.

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

Existují další různé kódovací algoritmy, liší se počtem členů, které dávají číslici výsledného kódu, a posunem mezi členy.

Hlavní problém kódování založené scramblery - synchronizace vysílacích (kódovacích) a přijímacích (dekódovacích) zařízení. Pokud je vynechán nebo chybně vložen alespoň jeden bit, všechny přenášené informace jsou nenávratně ztraceny. Proto je v kódovacích systémech na bázi scramblerů velká pozornost věnována metodám synchronizace. .

V praxi se pro tyto účely obvykle používá kombinace dvou metod:

a) přidání synchronizačních bitů do informačního toku, které jsou přijímající straně předem známy, což jí umožňuje, pokud takový bit nenajde, aktivně zahájit hledání synchronizace s odesílatelem,

b) použití vysoce přesných generátorů časových impulsů, které umožňují dekódovat přijaté bity informace "z paměti" bez synchronizace v dobách ztráty synchronizace.

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

Chcete-li zlepšit kód Bipolární AMI používají se dvě metody, založené na umělém zkreslení posloupnosti nul zakázanými symboly.

Rýže. 5.19 Kódy B8ZS a HDB3

Tento obrázek ukazuje použití metody B8ZS (bipolární se substitucí 8 nul) a způsob HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) opravit kód AMI. Zdrojový kód se skládá ze dvou dlouhých posloupností nul (8- v prvním případě a 5 ve druhém).

Kód B8ZS opravuje pouze sekvence skládající se z 8 nul. K tomu vloží po prvních třech nulách místo zbývajících pěti nul pět číslic: V-1*-0-V-1*.PROTI zde označuje signál jednotky zakázané pro daný cyklus polarity, tedy signál, který nemění polaritu předchozí jednotky, 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 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 opraví libovolné 4 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 je polarita signálu PROTI střídá s následnými náhradami.

Kromě toho se pro výměnu používají dva vzory čtyřcyklových kódů. Pokud zdrojový kód obsahoval před nahrazením lichý počet jedniček, použije se sekvence 000V, a pokud byl počet jednotek sudý - sekvence 1*00V.

Použití logického kódování ve spojení s potenciálním kódováním tedy poskytuje následující výhody:

Vylepšené kandidátní kódy mají poměrně úzkou šířku pásma pro jakékoli sekvence 1s a 0s, které se vyskytují v přenášených datech. V důsledku toho mají kódy odvozené z potenciálu logickým kódováním užší spektrum než Manchester, a to i při zvýšené taktovací frekvenci.